ZigBee無線傳感心電圖監視儀技術

ZigBee無線傳感心電圖監視儀技術

本文設計了基于ZigBee 無線傳感網絡的家庭遠程醫療監護器，通過基于ARM7核的LPC2478提供的集成LCD支持將圖像顯示出來 ，同時將信號存儲在SD卡上，并通過10/100以太網傳輸給醫院，醫院反饋信息并將其顯示在LCD上，同時社區診所的協調器網關把診斷結果無線返回給相應的家庭并在家庭LCD上顯示出來，用戶可以將結果傳輸到家庭計算機上進行存儲。該設計可以方便地構建健康檢測網絡，不用復雜的操作便可以得到醫生的診斷，十分適合家庭用戶的使用。

　　系統實現

　　該系統中的傳感器用來檢測心電圖的微弱信號，再經過放大濾波等調理之后進行編碼，然后通過ZigBee無線模塊發送到基于ARM和ZigBee協調器模塊的網關，通過外圍接口發送到上位機進行顯示處理，然后通過以太網傳送給社區診所，診所再將每個人的信息通過ZigBee無線模塊返回給各自的家庭，并在LCD上顯示醫院反饋的處理信息。通過合理選擇芯片能夠實現低功耗、低成本，檢測微弱的心電圖波形變化。

　　技術特點

　　1. 利用LPC2478可以實現多種高帶寬外設同步操作進行信息處理并實時顯示。

　　2. 采用基于CC2430的ZigBee無線傳輸，低成本、低功耗、自組網能力強、傳輸可靠、體積小、易攜帶。

　　3. 社區診所可以存儲整個社區業主的診斷結果，可以針對各業主的診斷結果進行必要的提醒、預防，有效降低發病率。

　　4. 用戶可以將診斷結果存儲在家庭計算機上，方便備用。

　　硬件平臺

　　嵌入式無線傳感心電圖監視儀硬件部分主要包括主控、電源及復位、LCD顯示屏、ZigBee協調器、ZigBee路由器、ZigBee端點、傳感器及放大濾波調理電路、SD卡存儲、10/100以太網等9個功能模塊。硬件設計框圖如圖1所示。

　　主控模塊

　　該模塊采用了基于ARM7TDMI-S內核的LPC2478微控制器，其功能強大、性價比高，含有一個LCD控制器，支持10/100以太網、全速(12Mbps)USB2.0、USB OTG和2個CAN2.0B通道，4個UART，1個SPI接口，2個同步串行接口(SSP)，3個I2C和1個I2S接口，帶有片上高速512KB的 Flash、98kB的RAM、一個外部存儲器接口、10位A/D和D/A轉換器、一個內部RC振蕩器和一個SD 存儲卡接口，從而消除了通信帶寬瓶頸，方便擴展USB接口、JTAG調試接口、觸摸屏，外擴芯片少，而且采用超小的LQFP208封裝，使得儀器的微型化得到了保證，其強大的功能能夠滿足嵌入式系統mC/OS—II及人性化的人機界面的要求。LPC2478非常適合便攜式電子產品應用。

　　ZigBee模塊

　　在CC2430芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器，其增強的8051MCU核的性能是工業標準8051微控制器內核性能的8倍;具有32/64/128 kB可編程閃存和8 kB的RAM;還含有8輸入通道8～14 bit可選的模/數轉換器(ADC)、4個定時器;帶有2個強大的支持幾組協議的USART;較寬的電壓范圍(2.0～3.6 V);硬件支持CSMA/CA功能;在休眠模式下僅0.9mA的電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統，在待機模式下電流損耗低于0.6mA，外部中斷能喚醒系統;集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發機;具有優良的無線電接收靈敏度和強大抗干擾性;集成度高，所需外圍器件少;擴展板包含有串口和LCD顯示器等，用于數據串行傳輸和數據顯示。信號采集與調理

　　采用低功耗、高精度的儀表放大器AD620作為前置放大器的核心器件。AD620具有高精度、高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低輸入失調電流、低噪聲、低功耗、體積小等特點，非常適合應用于醫療儀器系統。低通濾波器電路采用巴特沃斯四階濾波器TLC04，該器件成本低、易使用，提供精密的四階低通濾波器功能。緩沖器為一個同相電壓跟隨器，其作用是為了提高系統輸入阻抗和共模抑制比。限波器采用雙T帶阻濾波器，用來濾除50Hz的工頻干擾。主級放大器采用滿電源輸出幅度四運算放大器TLC2274，它提供優秀的AC性能，且提供比普通CMOS運放更低的噪聲、低輸入失調電壓和低功耗性能。

　　ZigBee路由節點的程序流程圖如圖2所示。

　　數據處理及顯示描述

　　本設計采用差分閾值法檢測QRS波，其基本思想是：對濾波后的 ECG 信號進行差分運算，求出差分的閾值以確定 QRS 波形的下降沿，再根據一定的時間窗和幅度閾值來確定QRS 波的特征點。

　　采用掃描式心電描記法，其主要原理是：從左到右畫點，依次顯示出相應的位置，同時新的點又將原來的點覆蓋掉，中間有一段緩沖區刷掉舊點。畫到最右端時，又從最左端畫下一幅圖，并且一直重復下去。上位機顯示波形圖如圖3。