医用数字无线遥测系统的开发以及设计

钟焯英 谢俊钦 张志鹏

1 佛山市中医院医疗设备科 （广东 佛山 528000）

2 东莞市松山湖中心医院医疗设备科 （广东 东莞 523326）

内容提要：为了实现对医学临床监护信号和信息的安全化、高效化传输，现设计一款功能完善、实用性强的医用数字无线遥测系统。首先，结合系统应用需求分析情况，从系统架构设计、系统结构设计、系统数据库设计三个方面入手，完成系统总体设计。其次，从数据采集发射机、数据接收机、RF无线链路、微控制器、心电参数电路等方面入手，完成系统硬件电路设计。最后，从用户登录模块、发射器上运行程序设计、接收器上运行程序设计等方面入手，完成系统软件设计。结果表明：文中设计的医用数字无线遥测系统运行正常、可靠、稳定，各个功能模块实现满足设计相关要求。希望通过这次研究，为技术人员提供有效的借鉴和参考。

在射频集成电路芯片技术的迅猛发展和普及下，我国逐渐掀起了无线应用革命浪潮，并诞生了一种先进、新型的无线遥感技术，促使医疗监护产品向网络化、智能化、数字化方向不断发展。为了促使医学无线监控与无线遥感技术得以充分结合，如何科学地开发和设计医用数字无线遥测系统是技术人员必须思考和解决的问题。

1.系统应用需求分析

为了确保系统功能的强大性和适用性，本文所设计的医用数字无线遥测系统必须满足以下应用需求：①该系统必须要表现出强大的自动化控制功能和远程诊断功能，确保数据备份的存储的安全性和可靠性。②该系统必须表现界面简洁友好、数据调用快捷方便等特点。③该系统必须表现出较高的保密性、易维护易升级性、拓展性和跨平台性，确保各个操作系统均能够正常、稳定地运行[1]。

2.系统总体设计

2.1 系统架构设计

医用数字无线遥测系统架构设计示意图如图1所示，从图1中可以看出，该系统主要是由以下几个部分组成：①数据采集层。数据采集层主要用于对重要信息数据的全面化采集和整理，可以实现对多种格式视频、图像的全面化、完整化采集。该层在实际运用中，主要涉及到了传感器、摄像头等设备，通过利用互联网，可以将所采集好的信息数据安全、可靠地传输到数据存储层中，同时，还能对所需信息数据进行统一化处理，以达到保护信息数据的目的[2]。②数据存储层。数据存储层在实际运行中，除了用到了分布式数据库，还用到了分布式文件系统，所以，该层具有数据访问速度快、数据拓展性高、安全可靠性强等特点，大大地提高了用户的使用体验，便于用户可以灵活地拓展和管理数据存储节点[3]。此外，数据存储层通过利用数据备份方式，实现对重要数据的有效保护，避免数据出现丢失或者泄露问题。③数据展示层。为了提高数据展示层设计水平，技术人员要利用绘制图表的方式，将相关信息数据形象、直观地呈现在用户面前，便于用户查看和调用[4]。

图1.医用数字无线遥测系统架构示意图

2.2 系统结构设计

医用数字无线遥测系统主要包含数据接收机、中央工作站和数据采集与发射机三个部分。其中，数据接收机主要用于对RS232串行数据的输出，该接收机在实际设计中，主要采用了模块化设计思想，便于后期有效地增添接收通道，确保该接收机与床边监护仪遥测进行有效结合。数据采集与发射机主要用于传感器与人体的有效连接。该传感器作为一种重要的生理探测器，主要用于对人体心电、心音、血氧等指标的检查[5]。另外，对于数据采集发射机而言，主要是由患者进行专门携带，通过利用该发射机，可以对采集好的患者生理信息数据进行全面化编码处理，并将最终的处理结果发送出去，以实现对重要数据的有效接收，最后，将解码处理后的数据安全、可靠地传输到床边监护仪中，由床边监护仪对这些数据进行全面化显示，同时，还能将这些数据传输到中央工作站，由中央工作站负责相关无线监护工作的落实[6]。

2.3 系统数据库设计

系统数据库在增删改查数据、保证数据存储的安全性和可靠性方面发挥出重要作用，因此，在设计医用数字无线遥测系统期间，技术人员要重视对系统数据库设计[7]。现以如表1、表2所示的“用户信息表、医学信号信息表”为例，对数据库具体设计进行介绍。

表1.用户信息表

表2.医学信号信息表

另外，为了确保所设计的数据库更好地满足数据的增删改查操作，现将数据库操作的封装类主要代码编写如下：

3.系统硬件电路设计

3.1 数据采集发射机

数据采集发射机在实际设计中，主要用到了以下两种电路，分别是信号采集电路和射频发射电路，中央处理器内部主要用到了MSP430微控器，该微控器内部主要用到了A/D转换器和UARE口，具有低功耗、多重省电等特点，完全符合该系统设计需求，为系统开发提供了大大的便利[8]。射频收发电路内部所用到的电路主要以nRF903射频集成电路为主，该集成电路属于整个系统的核心和关键部分，一旦设计不合理，势必会影响该系统的整体运行性能。对于数据采集发射机而言，在实际供电中，通常会用到两节2号电池，该电池容量为1800mAh，可以为微控制器提供源源不断的电能[9]。另外，通过利用±6V电源变换芯片，对电路供电进行精确化模拟。为了确保工作时间达到两天以上，必须将发射机的功耗和射频信号的平均功耗分别控制为70mW、20mW。

3.2 数据接收机

数据接收机内部通常会用到大量接收器，这些接收器。通过利用专用系统软件，可以精确化控制和调整载波频率频点，该接收机的工作原理为：通过借助nRF903开展相应的解调任务，并向MSP430安全可靠地传输所接收的数据，由MSP430对这些数据进行解码处理[10]。最后，要借助所设置好的通讯协议，将各个通道心电波形传输到中央工作站中，由中央工作站负责对波形图的精确化展示。与发射器外围电路相比，接收器内部电路连接相对比较简单。

3.3 RF无线链路

RF无线链路在实际设计中，主要借助了TRF4400进行实现，通过利用TRF4400，可以安全、可靠地传输基带数字信号。此外，TRF6900主要用到了以下两种技术，分别是DDS技术和PLL技术，通过利用这两种技术，可以形成两种频率值不同的正弦波。当传输值为0时，可以结合所设置好的参考频率，完成对特定频率值的设置，当传输值为1时，可以结合所设置好的调制系数，完成对偏移频率的科学调整和控制。这种频率方式通常表现出较高的频率分辨率和较宽的频率范围，主要用于对输出功率的精确地调整和控制。工作模式主要包含模式0和模式1，通过将MODE线状态设置为发射状态或者接收状态，并选用合适的待机模式，完成对工作寄存器的科学设置，并借助所设置好的串行接口，选用合适的数据线，同时，向24位移寄存器上安全、可靠地传输重要数据。当STROBE处于高电平状态时，可以完成对相关工作寄存器的写入，并将以上两种工作模式的频率统一设置为寄存器。此外，可以结合实际需求，对外接电路进行灵活设置。该系统在对相关数据进行接收期间，主要用到了FSK调制解调模式，同时，将系统工作频段设置为UHF频段，通过选用频分多址的方式，确保所采集的发射器与接收器之间保持一对一关系，并将单个发射器的宽带和传输速率分别设置为50kHz、9600kbps，确保发射器功率完全满足接收器灵敏度控制相关标准和要求。结合相关理论知识，发现发射器的最长传输距离可以达到十几公里以上。但是，实际上，由于产生了大量的损耗，发射器实际传输距离仅仅达到了500m左右。为了确保无线数据通信的稳定性和可靠性，必须要严格按照无线传输相关标准和要求，选用合适的无线传输收发模块，完成对相关传输协议的制定。由于异步传输速度相对较低，一帧所传输的字节数量仅仅为一个，又加上异步数据格式不符合TRF6900射频处理需求，所以，相关人员要优先选用同步帧格式，并将所发送的字节统一设置为位同步码，用于对有效数据和无效数据的识别和区分，从而提高有效数据利用率。最后，为了确保无线传输的稳定性和可靠性，需要做好对相关码的纠错，同时，还要将CRC循环冗余码应用到通讯中，从而起到前向纠错的作用。

3.4 接收箱电路

对于接收箱而言，其所有接收器模块在实际运用中，均可以借助软件控制法，实现对信号强度的自动化切换，与发射器模块之间具有一定的相似性。在对接收箱电路进行设计期间，首先，技术人员要利用TRF6900确保解调工作执行到位[11]；同时，还要向MSP430安全、可靠地传输所接收到的数据，并对这些数据进行信号处理，从而形成相应的心电信号，最后，还要利用所设置好的通讯协议，将这些信号传输到床边监护仪中，由床边监护仪生动、形象地显示和呈现所有通道的心电波形。

3.5 微控制器

该系统在实际设计中，所用到的微控制器是MSP430，该微控制器表现出功耗低、体积小、硬件资源丰富等特点。该系统还对护士呼叫等按键电路进行有效扩展，并利用发光二级管，完成对相关指示和报警功能的实现。

3.6 心电参数电路

通过借助保护电路，可以实现对人体微弱心电信号差模的有效放大，并对这些信号进行滤波处理，从而形成相应的心电信号，通过利用MSP430内部自带的A/D转换功能，可以实现对参数电路的自动化控制。另外，通过利用PACE波检法，可以实现对脉冲信号的采集和整理，为后期I/O口中断功能的实现打下坚实的基础。

4.系统软件实现

4.1 用户登录模块设计

用户登录主流程如图2所示，从图2中可以看出，用户登录模块在实际设计中，重点要做好对用户登录认证操作。用户在登录系统之前，要输入相应的用户名和密码[5]。此时，系统客户端对这些信息进行加密处理，并将其上传到管理服务器中，由服务器对用户的用户名和密码信息进行认证，认证通过后，向客户端返回相应的权限信息，此时，客户端根据所获取的权限信息，为用户加载和呈现相应模块。一旦服务器对用户的用户名和密码认证失败后，用户无法登录和访问系统。

图2.用户登录主流程

4.2 发射器上运行程序设计

发射器上所运行的程序主要用于对遥测相关数据的采集、压缩、打包和发送，该程序表现出计量量大、中断频率高、定时频繁等特点，这无疑增加了对时间控制要求。通过借助AD中断的方式完成对心电、体温等医学信号的全面化采集，同时，利用无线协议的传输格式，对所采集好的数据进行实时发送，这无疑增加了代码开销成本，导致数据流表现出较高的码速率，此时，如果忽视了对数据的压缩处理，在带宽这一因素的限制下，会降低数据流的速度，无法对所需数据进行实时化、安全化发送，这就需要采用数据压缩法，对采集好的数据进行充分压缩，使得数据流的码速率降到最低，在此基础上，通过利用CRC循环冗余校验法，对各个帧进行组合处理，并采用中断法，向nRF903中发送相应的数据。数据采集发射机流程图如图3所示。

图3.数据采集发射机流程图

4.3 接收器上运行程序设计

接收器上运行程序主要涉及到了数据接收、数据纠错、数据解压缩、数据拆包等环节。该程序内部通讯具有一定的复杂性，特别是在接收这一环节中，其通讯尤为复杂，同时，其计算量比较庞大。为了确保程序与发送两者始终处于对等的状态，需要利用UART口内部中断原理，完成对所需数据的接收，溶蚀，还要在纠错数据的基础上，对这些数据进行解压缩处理，然后，严格按照床边监护仪相关使用标准和要求，采用串口中断的方式，完成对所需数据的实时化、安全化发送。数据接收机流程图如图4所示。

图4.数据接收机流程图

4.4 开发工具选择

本次系统设计，所选用的开发工具是集成软件开发系统，该系统通过借助仿真器，采用在线编程的方式，完成对目标系统的设计。在集成环境下，采用以下两种仿真方式，对使用C语言程序所编写的程序进行仿真处理。①软件仿真。软件仿真主要是指利用开发系统自带的驱动程序库，对系统进行单步、断点调试。②硬件仿真。硬件仿真主要是指利用仿真器，向单片机内写入相应的程序，确保单片机运行的实时性，并采用设置断点法，对系统进行调试，同时，利用调试窗口功能，完成对系统运行结果的全面化、实时化分析。

5.小结

综上所述，本文所设计的医用数字无线遥测系统不仅可以实现对心电、血压、体温等信号的实时化、安全化传输，还能保证医学信号采集的全面性和完整性，为用户提供了强大的临床传呼语音通讯功能，因此，该系统被广泛地应用于医疗设备中，并取得了良好的应用效果。