血氧飽和度檢測儀移動采集終端的設計與實現

作者：徐久強，趙海，孫佩剛，尹震宇

脈搏和血氧飽和度反映了人體的重要生理狀態，相關的測量方法和測量設備在臨床中已得到廣泛使用，比如脈搏血氧飽和度檢測儀。脈搏血氧飽和度檢測儀目前主要應用在手術室、ICU病房等，用于危重病人的生命體征的監護。雖然血氧飽和度和心率等指標在體育科研、非臥床病人的監護及特殊場合（如軍事領域）也有重要意義，但由于目前該類設備皆為集中式控制，設備體積較大、使用不方便、價格昂貴、可管理性差，限制了相關應用。

為解決這些問題，本文介紹了基于無線個域網（WPAN）設計的脈搏血氧飽和度檢測儀。WPAN是為在小范圍內的設備間建立無線連接而開發的無線傳輸技術，IEEE標準化協會已為此制定了IEEE802.15.X標準。本文涉及的傳輸技術符合專門針對低速WPAN制定的IEEE802.15.4（ZigBee）標準。

1 系統的組成及功能

基于WPAN的脈搏血氧飽和度檢測儀的系統結構如圖1所示。

檢測儀移動采集終端的功能：檢測人體的血氧飽和度、脈搏和脈搏強度，并通過WPAN通信模塊將數據傳送給檢測系統主站。檢測儀移動采集終端分為檢測探頭、血氧飽和度監測模塊、電源和WPAN通信模塊等部分。檢 測探頭和血氧飽和度檢測模塊為外購的OEM模塊，是美國BCI公司的產品，它利用光電法和比爾定理，從而實現無創檢測。檢測儀移動采集終端還支持一種獨立工作方式，這種工作方式適合于連續非實時工作的情況。

檢測儀主站的功能：通過WPAN接口接收并存儲檢測儀移動采集終端發出的信息;按操作者的指令在顯示屏上顯示移動終端傳來的實時信息或歷史數據;當檢測參數超出門限值時發出報警信號;可根據需要通過快速以太網接口與后臺的支持管理系統通信，以完成更復雜的管理功能。一個檢測儀主站可連接多個檢測儀移動采集終端，不僅增加了使用的方便性，而且提高了主站的利用率并降低了系統的使用成本。除檢測探頭和血氧飽和度檢測模塊外，系統其余部分全部為自行設計，下面分別予以介紹。

2檢測儀移動采集終端的設計與實現

檢測儀移動采集終端WPAN通信模塊的功能：經WPAN通信模塊接收檢測儀主站的命令，對命令解析后通過RS2232接口向血氧飽和度檢測模塊發出控制命令;接收血氧飽和度監測模塊的采集數據和反饋控制信息，經預處理和打包后經WPAN通信模塊發送給檢測儀主站。

2.1檢測儀移動采集終端通信模塊硬件設計

檢測儀移動采集終端WPAN通信模塊的硬件組成如圖2所示。

（1）MCU部分功能和實現

MCU部分是WPAN通信模塊的核心，完成通信模塊各組成部分的控制、協調和數據的加工。具體功能：通過RS232接口與血氧飽和度檢測模塊通信，實現對它的控制和配置，并接收檢測數據;通過SPI接口和狀態指示接口實現對RF收發器的配置和檢測，并完成發射和接收的數據交換;通過USART接口與數據存儲器連接，完成數據存儲器的讀寫操作;通過電源檢測和狀態指示部分，監測電源電壓情況，并能通過狀態指示產生報警提示。

（2）RF收發器的功能和實現

RF收發器的功能是實現要傳輸數據的無線收發。具體功能包括：通過SPI接口完成與MCU部分的數據交換，數據內容包括要傳輸的數據和來自MCU部分的控制和配置信息;根據來自MCU的控制和配置信息調整相關的RF參數;通過狀態和指示接口將傳輸狀態反饋給MCU;通過天線完成數據的無線發送和接收;完成WPAN的物理層功能，實現物理層的協議處理。該部分采用Chipcon公司CC2420實現。

（3）數據存儲器的功能和實現

數據存儲器的功能是緩沖血氧飽和度檢測模塊的采集數據。數據的緩沖主要應用在無線連接不可靠的情況。數據存儲器在無線連接不通暢、無法完成采集數據的及時傳送時緩沖積聚的數據，以便在數據通路恢復時傳送這些數據;數據存儲器的另一個功能是在移動采集終端離線使用時存儲采集數據，這適合對監測對象的長期非實時的狀態跟蹤。

數據存儲器采用ATMEL公司的新型FLASH芯片AT45DB041實現。當移動采集終端工作在離線狀態時，采集數據存儲在該存儲器中，數據存儲可持續時間大于48h，如采用壓縮技術存儲數據，數據存儲持續時間大于168h。

2.2檢測儀移動采集終端的軟件實現

檢測儀移動終端的軟件是基于Webit510操作系統開發的。Webit510具有如下特點：面向8/16位低成本微控制器;完全搶占式事件驅動的固定優先級調度程序;支持256個優先級，相同優先級任務遵循FIFO調度策略;采用信號量機制實現同步或互斥共享;定時器管理支持一次性和周期性定時;精簡、高效的動態內存管理策略;流設備管理;支持多級目錄的文件系統;內置TCP/IP協議棧;支持運行任務的單步調試。

檢測儀移動終端的軟件的結構如圖3所示。

3 檢測儀主站的設計與實現

檢測儀主站的主要功能：經WPAN接口與移動采集終端通信，實現對移動采集終端的控制，并接受來自移動采集終端的采集數據;通過顯示器模塊以字符或圖形方式顯示采集的歷史數據或實時數據;通過觸摸屏以菜單形式完成控制或查詢命令的輸入;按用戶要求實現對歷史數據的管理和挖掘，存儲采集的歷史數據并具備歷史數據的自動清除和鎖定功能;具備快速以太網接口，通過該接口可實現與后臺管理系統的連接。

3.1 檢測儀主站的硬件設計

檢測儀主站的硬件結構如圖4所示。下面分別介紹各主要部分的組成及其功能。

（1）CPU部分的功能和實現

CPU部分完成主站各組成部分的控制、協調和數據的加工。具體功能：通過系統總線與存儲器相連，完成相關數據的加工、處理和存儲;通過LCD接口與彩色液晶顯示器相連，實現信息的顯示，以實現人機交互;通過觸摸屏接口與觸摸屏相連，實現控制命令的輸入;通過總線接口與以太網控制器相連，可將檢測儀接入后臺支持網絡，實現系統信息的集中化管理和與后臺管理系統的融合;通過SPI接口和狀態指示接口實現對RF收發器的配置和檢測，并完成發射和接收的數據交換，實現與檢測儀移動終 端的通信;通過電源和外圍電路，實現對系統的供電。

（2）檢測儀主站存儲器的功能和實現

存儲器的功能是存儲系統程序和應用程序，存儲移動采集終端采集的歷史數據并提供程序運行的存儲器空間。

（3）快速以太網接口的功能和實現

為實現與后臺管理系統的協作，檢測儀主站提供一個快速以太網接口。通過該接口，可方便主站與醫院的病歷管理系統、計費系統、或其他應用單位的后臺業務支持系統的連接。

（4）人機交互界面的設計

一些專家指出：對于用戶，人機界面就是系統本身。因此人機界面在系統中占有重要地位。本系統中，人機界面的硬件部分由彩屏LCD顯示器和觸摸屏組成，觸摸屏用于輸入各種控制/查詢命令和各種初始數據，LCD顯示器用于返回各種命令的操作結果和顯示各種監測數據或監測曲線。顯示器采用SHARP公司的LQ035Q7DB02［10］實現，該屏為具有配套觸摸屏的彩色LCD。

（5）WPAN接口

WPAN接口實現檢測儀移動終端與檢測儀主站的通信，與檢測儀移動終端的RF收發器部分基本相同。

3.2 檢測儀主站的軟件實現

檢測儀主站的軟件是基于ARMLinux開發的。自20世紀80年代末以來，陸續出現了一些嵌入式操作系統，但其高昂的價格令人望而卻步，且源代碼的封閉性也大大限制了開發者的積極性。因此，結合國內外具體情況，選擇了ARMLinux操作系統作為開發平臺。檢測儀主站的軟件結構如圖5所示。

ARMLinux內核主要由5個子系統組成：進程調度、內存管理、虛擬文件系統、網絡接口和進程間通信。進程調度控制進程對CPU的訪問;內存管理允許多個進程安全共享主內存區域;虛擬文件系統隱藏了各種硬件的具體細節，為所有的設備提供了統一的接口;網絡接口提供了對各種網絡標準的存取和各種網絡硬件的支持;進程間通訊（IPC）支持進程間各種通信機制。

顯示處理模塊和觸摸屏處理模塊共同完成人機交互。顯示處理模塊完成采集數據的圖形或字符顯示，并根據用戶操作顯示各級菜單;觸摸屏處理模塊與顯示處理模塊配合完成各種控制或命令信息的輸入。

嵌入式數據庫實現歷史數據的管理、查詢和維護等操作。

4 實現結果

基于WPAN的血氧飽和度檢測儀的原型機已開發成功并通過測試。

測試結果如下：各參數的測量精度與所選擇的血氧飽和度監測模塊完全相同;一個檢測儀主站最多可同時與64個檢測儀移動采集終端通信，并保證傳輸和顯示的正確性和實時性;無線傳輸速率為250kb/s;無線傳輸距離可達75m（根據使用條件的變化會有所改變）。

測試結果表明，檢測儀完全達到了預期的設計指標，具有廣闊的市場前景。

5 結論

基于WPAN的血氧飽和度檢測儀的研制，大大擴展了設備的適用范圍，在設備的實用性、方便性、可管理性及適用范圍等方面有了極大提高;由于一個主站可連接多個移動采集終端，大大降低了使用成本。

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