（信号与信息处理专业论文）人体生理参数监测无线传输系统设计.pdf

the design of wireless monitoring and transmission system on body physiological parameters a dissertation submitted for the degree of master candidate：tan liang supervisor：associate prof. feng xingle changan university, xian, china i 摘 要 针对隔离和战地病区在监测生命体征过程中的特殊需求，以提高监测效率、节点可 灵活组网、非接触数据采集、降低医生患者交叉感染率为原则，设计一种基于无线短距 离传输技术的人体生理参数监测传输系统。 该系统以低成本、普适性好的 stc89c52 单片机为信号处理单元，结合 nrf2401 短距离无线传输模块，实现患者体温和脉搏两个生理参数的多点对一点的实时采集、无 线传输和动态显示等功能。实验结果表明该系统能准确、高效地反映患者状况，满足特 殊病区的需求，同时该系统为下一步开发具有心电、血氧饱和度和血压等生命体征参数 的无线监护系统打下坚实的基础。 本文首先简单介绍了生理参数监护系统的发展情况、 无线技术在监护系统领域的应 用、远程医疗的国内外发展现状和短距离医疗监护的发展；其次结合系统设计的要求详 细的分析了实现多点温度、脉搏采集与无线传输方案的器件选型；再次具体的阐述了系 统的硬件电路设计和软件设计过程。系统结构简单，误码率低，可靠地实现了数据的无 线传输。 关键词：人体生理参数；监测传输；传感器；nrf2401；单片机 ii abstract according to the special needs of monitoring physiological feature in the isolation ward and field ward, and with the principle of improving the monitoring efficiency, flexible node monitoring network, non-contact data acquisition and reducing the doctor-patient cross infection rates, a monitoring transmission system of body physiological parameters was designed on the basis of the technology of a wireless short-distance transmission. stc89c52 mcu has advantages in low cost and great universality, beause of which it was used as the processing unit of the system. combined with nrf2401 (the wireless transmission module), the system realized real-time data acquisition, wireless transmission and dynamic display of the two physiological parameters containing the patients pulse and body temperature. a large number of experiments showed that the system could accurately and efficiently reflect the patients condition and meet the demands of special wards. in the mean time, the system laid a solid foundation for the next development of wireless monitoring system with ecg, blood oxygen saturation, blood pressure and other parameters of physiological feature. firstly, the thesis briefly introduced the development of the physiological parameter monitoring system, the application of wireless technology in the monitoring system field and telemedicine development in the world. then combining with the requirements of the system design, the multi-point temperature, pulse acquisition and the devices selection of the wireless transmission scheme were analized in detail, and the process of the system hardware circuit and software design were elaborated. to sum up, with simple structure, the system reliably realized the wireless data transmission which had low bit error rate, high reliability and was free from outside interference. keywords：body physiological parameters ,monitoring transmission, sensors, nrf2401, mcu iii 目目 录录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究意义 . 1 1.2 监测系统的发展与应用 . 2 1.2.1 生理参数监测系统的现状与发展 . 2 1.2.2 无线医疗监测技术的应用与发展 . 2 1.2.3 远程医疗的国内外发展与现状 . 3 1.2.4 无线短距离医疗监测的发展 . 4 1.3 论文的内容与结构 . 4 1.3.1 论文的内容 . 4 1.3.2 论文的结构 . 5 第二章 无线监测系统方案设计 . 7 2.1 系统总体设计思路 . 7 2.1.1 系统的硬件设计思路 . 8 2.1.2 系统的软件设计思路 . 9 2.2 系统方案 . 9 2.2.1 数据采集方案 . 9 2.2.2 近距离无线通信技术方案 . 10 2.3 器件选型 . 12 2.3.1 数字式温度传感器的选择 . 12 2.3.2 脉搏传感器的选择 . 14 2.3.3 无线射频收发芯片的选择 . 14 第三章 系统硬件设计 . 17 3.1 病房节点设计 . 17 3.1.1 脉搏采集电路 . 18 3.1.2 体温采集电路 . 19 3.1.3 处理单元 stc89c52 . 26 3.1.4 显示模块电路 . 28 3.2 护士站节点设计与射频模块 . 30 iv 3.2.1 报警电路 . 30 3.2.2 单片机和 pc 机接口电路设计 . 30 3.2.3 电源转换电路 . 32 3.2.4 射频模块 . 32 第四章 系统软件设计 .37 4.1 系统的通信协议 . 37 4.2 病房节点程序 . 38 4.2.1 发送端体温测试子程序 . 40 4.2.2 发送端脉搏采集子程序 . 45 4.3 护士站节点程序 . 47 4.3.1 接收节点串口通信子程序 . 50 4.3.2 接收节点报警子程序 . 52 4.4 无线收发流程及程序 . 53 4.4.1 nrf2401 无线收发流程 . 53 4.4.2 nrf2401 无线收发程序 . 55 第五章 印制板的制作与实验 .61 5.1 制版 . 61 5.2 实验结果 . 62 5.3 结论 . 64 参考文献 .65 攻读学位期间取得的研究成果 .67 致 谢 .69 附 件 .71 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究意义 在紧急情况下组建的战地医院、大规模爆发传染病的隔离病区等应用场景，对患者 进行人体生理参数的监测， 尤其是对体温和脉搏等重要生命体征的实时监测是非常重要 的工作。但在这些紧急场合，存在医护人员短缺、监测工作量大、传染病房被隔离、病 床的拓扑结构经常变化等问题。因此，为了降低医护人员与患者的交叉感染的概率，适 应易变节点的组网需求，研究并设计非接触人体生理参数采集系统非常重要。 由于体温是随着身体的健康状况不断变化的， 所以测量体温是诊断疾病中重要的一 个生理参数。 体温不仅是传染病和功能性疾病诊断的依据， 还是神经系统、 内分泌系统、 血液循环和消化系统以及肾病发生病变的重要参照； 同时脉搏携带有丰富的人体健康状 况的信息，因此在疾病诊断中脉搏也是一个重要的生理参数。早在公元前三世纪我国开 始有研究脉学的书脉经 ，脉学得到不断发展，在中医四诊（望、闻、问、切）中， 脉诊就占有重要的地位1。 目前医院体温和脉搏的生理参数监测大致分为两类：一类是人工采集，特别是体温 ， 医院里采用人工定时测量方式。 它不仅耗费人力， 而且汇总查询分析起来也比较复杂； 脉搏也是人工，但由于中医是靠手指获取脉搏信息，在长期的医疗实践中也暴露出一些 问题。另一类是有线监测，非接触人体生理参数采集主要通过有线方式实现，通过线缆 将数据传到护士站， 但在突发事件情况下， 需要穿过墙壁或天花板的布线工作非常繁琐。 另外，由于采用有线连接，节点的位置固定，不适宜灵活机动的战地医院中对移动性的 要求。 随着生活水平的提高， 传统单一、 有线的生理参数采集方式已不能满足人们的需要， 生理参数采集逐渐向自动、多参、多点和无线方向发展2。多参数监测系统用于患者的 脉搏、血压、体温等多种生理参数的长期连续监测。多参数监测系统可同时采集多人的 多种生理参数，为医生判断病情提供更多的可靠数据，提高了判断病情的准确度。鉴于 以上考虑，本文设计一种基于无线短距离传输技术的人体生理参数监测传输系统。该系 统以具有低成本、 普适性好的 stc89c52 单片机为信号处理单元， 结合 nrf2401 短距离 无线传输模块，实现病房患者体温和脉搏的采集、传输和显示。 第一章 绪论 2 1.2 监测系统的发展与应用 1.2.1 生理参数监测系统的现状与发展 医疗监护仪是现代医疗中一种不可缺少的重要设备， 通过定时采集患者各个生理参 数的信息，把采集的信息传输到护士站进行分析处理，当参数超过预先设定的数值时就 会触发报警系统，警示医护人员及时提出解决方案。其采集到的信息是医护人员用来诊 断与治疗重要借鉴参数3。监护仪功能各有不同，其基本工作原理也不一样，而普遍都 是借助传感器感应患者生理参数的变化，然后通过放大器将信息放大，再由采集节点微 处理器对数据进行分析和处理，最后将采集的数据在显示器上进行显示，或根据需要做 其它操作。 近年来，随着科技的发展及经过监护仪厂商的不懈努力，网络化、模块化、多功能、 无线传输等已成为国外监护产品的新技术特征，并且软硬件水平都在快速提高。但国内 无线监护设备还处于起步阶段， 大部分医院还采用传统的生理参数采集和有线生理参数 采集。 医疗监护技术已经开始大规模发展，但国内的监护仪技术还不够成熟，应清醒地看 到，我国监护仪产品的总体水平与国际水平相比仍有一定差距，因此无线生理参数监护 系统的研究很有必要。 1.2.2 无线医疗监测技术的应用与发展 人工采集生理参数工作不仅耗费大量的人力，而且汇总分析起来也比较复杂；有线 采集需要穿过墙壁或天花板的布线工作非常繁琐。在特殊情况下，这两种监测方式都不 适合。因此，这两种传统的监测方式己经越来越不能适应当今实时、连续、长时间地监 测患者的重要生理参数的医疗监护发展。 针对传统监护方式的缺点，无线医疗监护应运而生。无线医疗监护是把无线通信技 术应用在医疗监护系统的简称。 无线医疗监护是把医疗监护与无线通信综合到一起的新 生代复合体，不仅能让人们随时随地的接受到生理和病理的监测、护理，而且高级的无 线医疗监护还可以通过简单、高效的方式给用户提供健康咨询、病况诊断等崭新的辅助 服务。 无线医疗监测系统主要包括生理参数采集节点、无线数据传输单元、接收节点等部 分。它的工作流程是：先由接收节点发出监测某种生理参数的命令，再由无线数据传输 单元把命令传递给生理参数采集节点，采集节点对人体生理信息采集后，通过无线数据 传输单元将数据传给接收节点中的信息处理模块， 一方面对接收到的数据进行处理和显 长安大学硕士学位论文 3 示，另一方面对生理参数超出安全线报警。无线医疗监护系统的核心是生理参数采集单 元和无线数据传输单元4。除了生理参数采集技术外，无线数据传输技术也是无线医疗 监护系统的关键技术。无线的生理参数传输方式主要有以下三种：1）射频电磁波；2） 红外光；3)声波，其中射频电磁波最常用。 各国跨国公司和科研机构在无线生理参数监护需求不断扩大的驱动下， 竞相开展无 线医疗监护系统的研究和开发，并不断拓展应用领域。其中哈佛大学推出的 codeblue 系统、 法国 crns 研究机构开发的 marsian 项目、nasa 阿莫斯实验室和斯坦福大学 （stanford university）合作研发的 lifeguard 系统、ibm 公司研制的身体局域网络 (the body electric)，东芝公司发明的 lifeminder 系统等极具标志性5。 哈佛大学推出的 codeblue 系统是建立在紧急情况下的无线医疗监护系统。它是利 用小型、 低功耗可便携的信号血氧计、 导联式心电图机等感应器测量血氧饱和度、 心率、 心电，经过无线短距离(100m)网络与笔记本或 pda 之类的移动终端合作，这样数据就 能够存储在患者病况档案中并在终端上完成实时显示， 如果生理参数不在正常范围内的 时候便会发出警报。 stanford university 和美国国家宇航局阿莫斯实验室合作研发的 lifeguard 系统，用 于监测当宇航员处于运动状态时的生命体征参数。它包括附身式生命体征检测器 (crew physiologic observation device，copd)和基站两部分，附在身体上的 copd 能持续记载 心脏速率、血样饱和度、体温、呼吸速率等生理体征，通过附带的蓝牙设备将这些参数 上传到基站或存储在闪存里，最后经过串口送进 pc 机。 1.2.3 远程医疗的国内外发展与现状 美国的学者将远程医疗定义如下6：远程医学系统是指这样一个平台，它通过通信 和计算机技术为特定人群提供医学服务。远程医疗目前主要应用于 2 个领域： 1) 应用在急救医学：远程医疗从它问世之时起就和急救医学有千丝万缕的联系。 20 世纪 60 年代，美国国家宇航局(nasa)已经开始远距离医疗技术的探索，宇航员的身 体状况使用远距离医疗技术监测护理。 最近几年国外还把远距离医疗技术引进到医院的 急救中去。maryland 大学成功开发的一种远程救护车动态医疗救治系统，在伤员送往医 院途中车中的医疗系统就可以把医护人员关注的伤员的多种生命参数远距离传送到急 救中心，这样以来伤员在赶往急救中心的途中，伤员的身体状况就已经被医师初步的判 断，做好急救的安排。 第一章 绪论 4 2) 应用在军事：现代战争是在高科技发展的驱动下，在高强度、短时间、全方位 等技术背景下开展的激烈军事对抗，因此具有病房灵活移动和患者快速救治等特点。传 统的救护方式己经不能满足现代战争对医疗救治的要求， 一定要找到效率更高的救治方 式。远程医疗已步入各国军队的视野。 远程医疗技术国外发展的很快，特别是美国和欧洲等国家。 我国的远程医学活动开展是在 20 世纪 80 年代。从 20 世纪 90 年代中期正式启动， 在中国卫生部提出的“金卫工程”的指引下，远距离医疗救助的项目分别开始实施，我 国远程医疗事业正大步向前发展。 目前， 有着国内外远程医疗监护系统的技术作为铺垫， 在特殊场景下一种基于无线短距离传输技术的人体生理参数监测传输系统逐渐成为国 内外学者的研究热点，这种技术正逐步得到社会的认可和应用。 1.2.4 无线短距离医疗监测的发展 目前，蓝牙/rf 射频、无线超宽带(uwb)和 ieee802.11 等较近距离无线数据传输的 技术在无线医疗监护系统应用广泛。 据市场调研公司 frost dt_1820 = 1; /总线复位 delay(5); /稍做延时 dt_1820 = 0; /单片机将总线拉低 delay(72); /精确延时,至少 480us，延时 580us，满足要求 dt_1820 = 1; /拉高总线 delay(7); /等待 15us1; /将第 i 位待发送数据送入 dat /delay(5); 4.数据读 数据读是 ds1sb20 保证其能正常工作的基本操作之一，此函数实现温度值和其它 状态信号的传回。源代码如下： /功能：读一个字节 uchar readonechar(void) uchar i = 0; uchar dat = 0; bit mark ; 第四章 系统软件设计 44 for (i=8;i0;i-) dt_1820 = 0; / 给脉冲信号 dat = dat1; dt_1820 = 1; / 给脉冲信号 mark = dt_1820; if(mark) dat|=0 x80; / 读数据 delay(6); return(dat); 基本指令： 下面是控制传感器的工作一系列的指令。在这简单介绍用到的几条基本指令。 (1)match rom 55h 由于单总线上使用了多只 ds18b20， 只有与采集节点单片机发出的序列号相同的芯 片才会做出相应操作，其它芯片将等待下一次复位。 (2)convert t 44h 启动一次温度转换过程。温度转换命令被执行后，ds18b20 保持等待状态。 (3)read scratchpad beh 作用是读取暂存器的内容。温度转换的结果和其它状态信息都由此命令读出。读取 时从第 1 个字节一直读到第 9 个字节。若不想读完所有字节，单片机可以在任何时刻发 出复位命令字来停止读取。 5.温度采集的总体实现 有了上述几条操作指令，就能控制 ds18b20 工作了。为了操作方便，可编写两个函 数完成温度数据采集，源码如下： / 功能: 启动 ds18b20 的 1 次温度转换 void readtemp(void) 长安大学硕士学位论文 45 writeonechar(0 x55) ; / match 操作单总线 writeonechar(0 x44 ); / convert t 启动温度转换 rst_1820(); writeonechar(0 xcc); /skip 操作单总线 writeonechar(0xbe); /read scratchpad 发送读取温度命令 temp_low = readonechar(); /读低 8 位温度值 temp_high = readonechar();/读高 8 位温度值 send_dt0=temp_low; send_dt1=temp_high; /功能：温度数据转变 void dt_change(void) uchar sign; uint temp; sign = temp_high /取出温度的高 5 位 temp = (temp_high0;j-); void maib_alarm(void) mh=get_ht0*10+get_ht1; /存放的上限脉搏 ml=get_lt0*10+get_lt1; /存放的下限脉搏 setmaibo(mh,ml,rs); /设置上下限报警脉搏 if (maibomh) /脉搏高于上限 alarm=0; /报警 void delay(dt); /持续报警 else if(maiboml) /脉搏低于下限 alarm=0; /报警 长安大学硕士学位论文 53 void delay(dt); /持续报警 4.4 无线收发流程及程序 nrf2401 射频模块负责发送和接收数据，通信协议制定好后开始传输数据，为了保 证数据的可靠传输，需要对资料进行打包处理。射频传输的数据包一般包括四部分：字 头+地址+有效字+crc。根据第三章的方案，选用 shockburst 收发模式，shockburst 突 发通信模式下规定数据帧格式的数据包不能超过 32 个字节（256bit） ，于是得到如下公 式： 32 （字节） =字头+地址+有效字+crc； 从而推出： 有效字节数=32-字头-地址-crc(单 位是字节)。 shockburst 收发过程39： 在这种收发模式下，使用的是片内先入先出堆栈区，数据先低速从 nrf2401a 芯片 输入，然后再高速发送出去，最高速度可达 1mbps,这样做的好处是节省能源。同时在这 种模式下，射频模块自动处理字头和 crc 校验码，在发送数据时自主加上字头和校验 码，在接收数据时自动去除它们，当发送完数据后，由 nrf2401a 芯片引脚 dr1 置低 电平通知单片机发送完毕。 4.4.1 nrf2401 无线收发流程 1.shockburst 发送 发送过程为：当采集节点有数据需要发送时，将 rf（射频模块）ce 置高，接收节 点地址和有效数据按时序被送到 nrf2401 中；然后单片机将 ce 置低，启动 shockburst 发送。shockburst 发送：rf 前端加电，完成 rf 数据打包处理(加前缀，crc 校验)，数 据高速发送，发送完成返回等待。shockburst 的发送流程如图 4.9 所示： 第四章 系统软件设计 54 开始开始 加入接收节点地加入接收节点地 址和有效数据址和有效数据 加入加入crc校验校验 返回返回 shockburst方式方式 发送发送 加入前缀加入前缀 ce=1？ 发送完发送完？ ce=0? 是是 是是 是是 否否 否否 否否 图图 4.9 shockburst 的发送流程的发送流程 2.shockburst 接收 接收过程为:核对接收到的 rf 包的地址和包中有效数据的长度；把射频模块 ce 置 高，启动 rx（射频模块） ，经过 200sm延时处理,启动子系统监视到来的数据信号；直 到收到一个正确的数据包(地址和 crc 符合)，接收子系统自动移去字头、地址和 crc 位。然后通过 dr1 置高来通知单片机已成功接收到有效数据，这时将 ce 置低，把 rf 前端设为低功耗方式，单片机按时序以适当的速度把有效数据从 rf 中取出存到单片机 里。在接收数据过程中，由 ce 的高/低电平来决定接收下一个数据包，还是重新开始新 的接收； 要是想接收下一个数据包， 不仅要保持 ce 高电平， 还需把 dr1 置低。 shockburst 的接收流程如图 4.10 所示。 长安大学硕士学位论文 55 接收数据校验接收数据校验crc 取出有效数据取出有效数据 检测字头接收数据检测字头接收数据 返回返回 把把dr1置低置低，准备接收下一个准备接收下一个 数据数据 获得有效字获得有效字，dr1置高准备接收数据置高准备接收数据 nrf24201置置rx crc正确正确？ 数据取完数据取完？ 地址正确地址正确？ 开始开始 是是 是是 是是 是是 否否 否否 否否 图图 4.10 shockburst 的接收流程的接收流程 4.4.2 nrf2401 无线收发程序 设计中采集节点和接收节点各需要一个 nrf2401 模块， 一块是发送模块， 另外一块 是接收模块。在每个节点上分别有两个发光 led(采集节点的两个是红灯，接收节点的 两个是绿灯)。发送节点的两个红灯：一个是发送数据显示灯，其起始状态是亮的，当 有数据发送时就会熄灭；另一个是采集脉搏显示灯，其起始状态是灭的，当采集到脉搏 数据就会熄灭。接收节点的两个绿灯：一个是接收数据显示灯，其起始状态是灭的，当 有数据接收时就会点亮；另一个是串口数据指示灯，当有数据发送到 pc 机就会闪烁。 生理参数采集好后， 采集节点会等待护士站发来的中断信号后自动的发送给护士站的接 收节点，无需采集节点的人为控制。 前面在介绍 nrf2401 结构时知道 nrf2401 模块要想正常的通信要先进行收发模式 的配置，要把配置字写在程序里，由单片机进行控制。 第四章 系统软件设计 56 根据以上的介绍，nrf2401 的部分程序如下： 1.发送数据 nrf2401 芯片的子程序先要进行引脚的定义，配置命令字（包括 shockburst 配置和 常用器件配置） ，配置命令数组定义，设定 nrf2401 的工作模式，设置接收节点地址数 组（根据地址宽度）和接收缓冲数组。 1）首先进行 nrf2401 的初始化 void 2401_initial(void) / 初始化 i/o 2401_writecommand();/ 向 nrf2401a 写命令字 /写入配置命令数组所指定的控制字 由函数 write_spi_one_byte（） 2）设置 nrf2401 的工作模式（发送/接收） void set_md(unsigned char mark) /收发模式的初始化 unsigned char mark: 0-发送；1-接收 if(mark) /转换为接收模式 write_spi_one_byte(); txled=1; /发送灯灭 rxled=0; /接收灯亮 else /转换为发送模式 write_spi_one_byte(); txled=0; /发送灯亮 rxled=1; /接收灯灭 长安大学硕士学位论文 57 / 等待下一个指令 3）向指定信道地址的 nrf2401 模块发送一帧数据（先送地址，再送数据） void 2401_sendbyte(unsigned char add, unsigned char out_data) /等待中断 for( ) write_spi_one_byte(addi); /发送接收节点相应信道的地址 for( ) write_spi_one_byte(out_datai); /发送接收节点相应信道的接收数据 /长度必须和接收节点接收数据的有效长度一致。 /以上共 8 个字节数据发送，必须与接收节点的数据宽度一致！ /发送完 /等待下一个数据包 2.接收数据 在接收模块中，主函数开始执行接收时，调用 void receive( )让无线收发器进入接收 状态；和发送端一样也要进行芯片引脚的定义，配置命令字（包括 shockburst 配置和常 用器件配置） ，配置命令数组定义。其中接收的命令配置要和发送的命令配置匹配，收 发才能顺利进行。 1）首先进行 nrf2401 的初始化 void 2401_initial(void) / 初始化 i/o 埠 2401_writecommand(); / 向 nrf2401a 写命令字 /写入配置命令数组所指定的控制字 由函数 write_spi_one_byte（） 2）判断是否有资料的到来 unsigned char 2401_rxstatus(void) 第四章 系统软件设计 58 if(dr1 = 0) / 判断 nrf2401a 的接收状态 return(0); else return(1); 调用函数 2401_rxstatus()，进行无线数据监听和接收，如果没有数据，程序退出， 继续进行下一步操作。当 2401_rxstatus()的返回值是“1”时，即 dr1 置高，进入第 3 步。 3）接收传过来的数据 void receive(void) rxled=0; /接收灯亮 receive_dt(unsigned dt_length); /接收 2401 收到的所有数据 unsigned char i; for(i=0;i unsigned dt_length;i+) rx_dt_bufi=read_spi_one_byte(逐位读取); / 接收数据，并存入 rx_dt_buf 数组 3.主函数 由于需要对采集的生理参数数据进行传输和显示， 采集节点的主函数和接收节点的 主函数各有不同，组网之前要确定是发送模块还是接收模块，好写入相应的发送函数和 接收函数。发送和接收主函数如下： 1）发送主函数 void main(void) bit mark = 1; uchar j=0; 2401_initial(); /初始化 nrf2401a while(1) mark=rst(); /复位体温计和脉搏仪 if(!mark) 长安大学硕士学位论文 59 readtemp(); /读温度 readmaib(); /读脉搏 dt_change(); /数据转换 maib_display(); /显示数据 send_dt(); /发送资料 else led_err(); 2）接收主函数 void main(void) rx_dt_buf0=0; rx_dt_buf1=0; initcom(); /初始化串口 2401_initial(); /初始化 nrf2401a while(1) while(2401_rxstatus()