基于ZigBee的无线ECG心电采集诊断系统-控制系统类

1摘要无线 ECG 心电采集和诊断系统是一种新兴的、有广阔发展前景的医疗器械。本文基于 CC2530 ZigBee 模块和 Cortex M3 处理器，设计并实现了远距离无线心电检测诊断系统。该系统采集人体心电信号，通过 CC2530 模块建立 ZigBee网络，将采集节点采到的信号发送到协调器。协调器再将信号送至 Cortex M3高性能处理器，对信号进行进一步处理，将心电图实时在 LCD 上显示，并进行初步诊断。本系统具有抗干扰能力强、可靠性好、功耗低、体积小等特点，可以广泛应用于医院和社区医疗站等。关键词：ECG、心电采集诊断、ZigBee、Cortex M3AbstractWireless ECG fetching and diagnosing System is a kind of new and promising medical appliance. Our Article is based on the CC2530 ZigBee and Cortex-M3, which can achieve remote ECG diagnose wirelessly. The system uses professional analogue amplifier to fetch human electrocardiosignal. The CC2530 module be used to establish ZigBee network, it sends the signal from Sensor to the Collector wirelessly. The Collector transmits the signal to the Cortex-M3,which processes them further step. Then, the ECG is displayed on the LCD, we can do preliminary diagnosis. Our system featured with strong capacity of resisting disturbance, high reliability, low power consumption and tiny shape, it can be widely used in the hospitals and communities. Key words: ECG; Electrocardiosignal; ZigBee; Cortex M321. 引言当今中国正在步入老龄化社会，解决好老年人的日常护理问题将是我国社会下阶段发展的重大课题，其中蕴藏的市场价值也不可估量。新技术的发展，就是要将人从繁杂而单调的体力劳动中解放出来，所以，从电子工程、嵌入式等角度出发，许多科研单位及学术团体纷纷提出了老年人医疗护理的新概念，电子生活辅助、老年人跌倒预报设备等新技术层出不穷。再者，除了老龄人的日常照看，医院或社区里病人的护理也是一项耗费人力的工作，如果我们能用一些电子自动设备替代护理人员的简单重复劳动，那也可以为医生对病人的监护带来方便，为医院实现综合现代化管理打造技术铺垫。作为本科生，我们无法做出功能复杂技术精尖的大规模系统化设备，我们从巧妙灵活的角度出发，试图对特殊人群尤其是老年人的医疗监护问题提出一点新的解决思路。通过观察发现，如果每位病人或老年人都需要有相应的护理人员，这种传统的一对一护理显然不是人力资源的最佳利用方式。那我们可以设置摄像头，可以给被护理者安装监测仪器仪表，但这些装置主要以有线设备居多，这显然限制了被护理者的移动范围，给其行动带来不便。为给被护理者更多的移动自由，我们的方案采用无线方式。考虑到 ZigBee 无线传输技术低功耗，传输距离远，以及工作在 2.4GHz 免费频段等优点，我们以它作为无线传输平台，通过模拟电路部分将人体小信号放大，然后通过 ZigBee 传输，再送至 MCU 平台处理显示。可实时显示人体心电图（ECG），测量人体呼吸，对采集到的人体信号作综合处理后，可观察病人的心肌工作是否正常，及时发现病人隐藏的病情，提早做出诊断，这不仅解放了护理人员繁重的劳动，而且还为监护的及早发现、快速诊断提供了前置量。如果对我们的方案进行升级与进一步研究，该无线系统还可应用于灾害抢险中的生命检测，高危职业的生命智能保障等领域。2. 系统方案 我们的系统由安装在人体身上的电极传感器采集人体生命信号，经放大电路放大后，通过 A/D 送入子节点，子节点通过无线方式将采集数据报告给母节点，母节点综合收集各个子节点的数据后，将其送入主控制器分析并显示。整个系统共分为采集、传送、控制三个大模块。整体框图如图 1 所示：3图 1 系统整体框图系统最前端的采集模块首先通过巧妙分布于人体中的电极传感器采集各个细微的人体生命信号，然后经屏蔽电缆送入模拟电路放大部分，该放大电路是经典的 ECG 小信号放大电路，具有高增益，高保真的特点。在这里，为了使采集到的人体信号有说服力，我们兼顾了导联的概念，具体细节将会在后续的硬件部分详细介绍。中间的传送模块是整个系统的关键部分。A/D 部分采用多通道轮换采集，考虑到数据包的使用率，设置了相应的转换精度。ZigBee 的传输建立在绑定组网之上。可提供可靠而稳定的连接。由于我们在 ZigBee 传输协议中内嵌了一个小型的微操作系统，所以每次数据连接都是一系列系统动作轮询执行后的结果，所以每次连接的建立都是珍贵的，这就使得我们在每次连接中均考虑到了最大的数据传送负载能力。ZigBee 的母站接收各方数据，这里它充当的就是协调器的角色。协调器会对数据作相应处理，进行初步加工，使之符合系统的特性，这里特别对数据帧的格式做了规定，以便双方无误接收以及准确判断帧起始位。然后协调器用串口将数据发送给主控制器。系统终端是控制器模块，负责将从串口传过来的数据进行显示，画出表征人体生命信息的动态图，并对数据进行初步分析，做到实时反映被检测人员的身体特征。由于最后汇总的数据量庞大，在后两个模块的串口数据传递过程中，我们选择了高波特率，以缓冲庞大的数据。控制器采用 ARM 处理器，它可将数据以图形的方式展现出来。如果有必要，我们还可以建立逆向过程，使 ARM可以经过中间 ZigBee 部分给子节点发信号，给受护理人员简单指示。43. 系统硬件设计我们的方案主要使用了 ARM-Cortex M3、CC2530、AD623、MCP6004 等芯片，整个硬件设计力求简洁化，下面我们将对系统的硬件做详细介绍。3.1 采集模块设计 3.1.1 设计思路人体心电电压信号的大致范围是 14mV，为了将信号转化到便于我们处理和观察的范围，我们需要对信号进行适当的放大。15V 的电压信号处理起来较为方便，因此我们大致需要对原始心电信号放大 1000 倍左右。在这里，我们采用了两级放大的设计方案。若第一级放大增益过高，则容易产生自激，为了防止自激，因此我们设计第一级放大增益为 10 倍左右，第二级放大增益为 100 倍左右。在第一级放大中，我们使用了仪器放大器 AD623。AD623 是一款低功耗仪器放大器，可以使用单电源 3V 供电，可以与 CC2230 模块可以使用同一电源，同时也可以做到尽量降低功耗。AD623 的增益可以方便地通过外接电阻进行调节。这里我们使用的电阻阻值为 15K，AD623 的增益约为 810 倍。第一级运放电路原理图如下所示：图 2 第一级放大原理图第二级放大我们使用了低功耗通用放大器 MCP6004。MCP6004 使用1.85.5V 单电源供电。可以实现与 AD623 和 CC2530 使用同一电源供电，便于心电采集及发射装置的集成。MCP6004 为四运放封装，可以同时充当 1.5V 参考电压电路和右腿驱动电路所用运放。第二级放大电路图如下所示：5图 3 第二级放大原理图通过计算第二级同相放大器增益： 148fRMA可知两级放大总增益约为 400 至 500 倍，可以将原始信号放大到 0.52V，适合 CC2530 模块进行采集。查阅相关资料可以知道，心电信号的频率大致在 0.3160Hz 之间。为了消除采集和传输过程中的噪声，我们设计了带宽为 0160Hz 的带通滤波器，保证心电信号的采集效果。由于人体心电信号非常微小，同时，信号也容易受到其他噪声的影响。可以使用右腿驱动电路消除共模干扰对信号采集的影响。在右腿驱动电路中，我们首先设计了一个电压跟随器，起到缓冲、隔离的作用。在电压跟随器之后，我们使用了一个反相放大器放大信号。图 4 右腿驱动原理图3.1.2 改进方案6在采集模块的设计过程中我们发现，虽然该模块只用到 AD623 和MCP6004 两块芯片。但是模块总体体积还是过大，不便于携带。同时，电路板线路的布局也会对信号的采集产生一定的干扰。为了解决这个问题，我们已经开始着手使用 TI 公司的 ADS1298 芯片来实现心电信号的采集。ADS1298 是 TI 公司设计的专门用于生物电势测量的低功耗、8 通道、24 位模拟前端。其中内置 8 个低噪声可编程增益放大器和 8 个高分辨率模数转换器。使用 ADS1298 可以在片内实现模数转换，减小后级处理器的工作量，便于传输。同时 ADS1298 内置右腿驱动放大器和导联脱落检测器，可以实现自动检测导联是否连接正常。相比于原来使用 AD623 和 MCP6004 的方案，使用ADS1298 可以减小前端设备的体积，减少干扰，增加可靠性，并可以进一步降低功耗。3.2 ZigBee 模块硬件设计我们整个 ZigBee 平台的搭建采用的是由湘潭电子科技有限公司生产的 SK-CC2530ZDK 硬件平台。用到下列组件： 1 个 SK-SmartRF05EB（评估底板） 2 个 SK-SmartRF05BB（电池底板） 3 个 SK-CC2530EM（评估模块） 3 支 2.4GHz 可折叠橡皮天线（天线增益 3dBi）ZigBee 模块的整体框图如图 5 所示：图 5 ZigBee 网络示意图3.2.1 SK-SmartRF05EB 与 SK-CC2530EM 构成的协调器SK-SmartRF05EB 因其丰富的外设，所以当作采集器使用。它带有 12864点阵字库 LCD，UART 转 USB 接口，多色 LED 指示灯，按键，插针式 I/O 引脚。然后 SK-SmartRF05EB 板上有 SK-CC2530EM 无线模块的引脚，很方便拔插。对于 SK-CC2530EM 无线模块，带有 CC2530F256 芯片、32.768KHz 晶振、32MHz 晶振、 SMA 天线。其中，CC2530 片上系统芯片是关键所在，它具备高7速低功耗 8051 内核、大容量 flash 存储器、8KB 的 RAM，及丰富强大的外设资源，包括 814 位 ADC、USART、21 个可编程 I/O 口，它采用 3.3V 供电，也可外接 USB 供电。它具有卓越射频性能，包括低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力。我们采用的 SK-CC2530EM 模块在最大发送功率+4dBm,空旷地环境下有效传输距离在 400450 米之间，数据包传输率保持在 99%以上。这里，协调器（亦称采集器）担任了采集数据之间重要的转换角色，它要收集各方数据，然后用串口传输至 ARM 处理器。3.2.2 SK-SmartRF05BB 与 SK-CC2530EM 构成的采集节点SK-SmartRF05BB 板基本功能与 SK-SmartRF05EB 相同，但功能比较精简。仅有多色 LED 指示灯、用户按键与插针式 I/O 引脚等基本指示功能。同样，SK-SmartRF05BB 板上的 SK-CC2530EM 无线模块必不可少，它同样采用 3.3V供电，因为终端采集节点分布在传感网络的最末端，我们可用普通电池供电。3.2.3 3.2.3 A/D 模数转换硬件设置我们采用 CC2530 有一个原因是因为它的 ADC 灵活度较大，具有以下特征：ADC 转换位可选，814 位； 8 个独立配置输入通道 可设置为多种参考电压 长生中断使用 ADC 时，将 CC2530 相应引脚配为输入，我们在这里采用 SK-SmartRF05BB 板上 CC2530 的 P0.1 口作为 ADC 通道。我们知道测量精确数据需增加 A/D 位数，而增加位数会使无线传输时数据包的效率低下，而且心电信号躁动干扰大，不需要精确将每一时刻的值都全息记录，而主要反映其关键点的波形即可，所以我们的 ADC 使用 8 位模式。心电信号经放大后出来的信号幅值在 2V 上下，所以参考电压选择片上引脚电压（标准状态下为 3.3V）。3.2.4 LCD 液晶显示硬件配置SK-SmartRF05EB 协调器上配有的 MzLH04-12864 为一块 12864 点阵的LCD 显示模组。该模组自带两种字号的汉字库（包含一、二级汉字库）以及两种字号的 ASCII 码细纹字库；自带基本绘图功能。该模组为串行 SPI 接口，接口简单、操作方便；我们使用的是 SK-SmartRF05EB 板上 CC2530 的P1.2、P1.5、P1.6 口以硬件方式驱动 SPI，配置 SPI 为三线驱动模式，使用CSMOSISCLK 三根信号线。83.2.5 串口通信硬件配置SK-SmartRF05EB 协调器上的 LCD 显示模组仅仅作为基础的显示，无法用它实现心电信号的分析并完美呈现。所以我们在这里还需将数据交给更强大的ARM 处理器，它们之间的通信用 UART 串口进行。我们采用 CC2530 的USART0 串行总线接口 Alt1 异步 UART 模式，连接 CC2530 的 p0.2、p0.3 口。在 SK-SmartRF05EB 协调器带有 USB 转标准串口方案，采用 CH340T 转换芯片，该芯片能将 USB 通信方式数据转换成标准串口格式数据，这样我们就可以用USB 与 PC 进行通信，但由于我们采用的是 ARM 处理器，与 PC 的通信仅作为实验用途。而最终方案考虑了将串口数据通过两根普通连接线与 ARM 处理器相连，两根线分别代表 Rx 与 Tx 信号。串口的传输速率采用 115200bps 的高比特率,满足我们的数据率传输需求。3.3 ARM 处理器硬件方案设计我们使用的 ARM 平台是锐鑫同创公司的一款基于 TI Stellaris 系列高端 LM3S9B96 微控制器（cortex-m3 内核）的全功能开发平台HelloM3-9B9X 开发板。LM3S9B96 是 TI 最新推出的 Stellaris 系列 Tempest 家族中功能最强大的一款，主频 80MHz（100M MIPS ）、256 KB 的闪存、96 KB 的 静态存储器，同时支持 10/100M 以太网、USB OTG、2.8TFT 触摸屏、SD 卡、I2S 音频，通过底板扩展支持 2 路 CAN、2 路 232、1 路 485、1 路 IrDA、6 个功能按键、4个 LED、SPI FLASH 、I2C 、EEPROM 、蜂鸣器、电机控制接口等资源，功能强大、接口丰富。3.3.1 HelloM3-9B9X 功能模块图：图 6 ZigBee 网络示意图93.3.2 本项目中 Cortex-M3 平台的应用在本项目中，主要应用到了 ARM 平台的 UART 异步串口通信和 LCD 显示。SK-SmartRF05EB 协调器通过串口，将采样数据传输到 ARM 平台上，经处理后，将数据以心电图的方式实时绘制在 LCD 上。在后期，将显示多路波形及基本生理数据如心率、呼吸、体温等，并将数据传到电脑上进行进一步处理。4. 系统软件设计4.1 ZigBee 部分软件设计首先无论我们是采集数据，还是发送控制命令，因为我们的 Zig