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摘 要 家庭无线心电监护系统是以需监护的病人为服务对象，提供远距离的病人心跳频率监测服务，检测病人的病情稳定情况，为有效地应对病人的突发情况做出良好反应的医疗准备。系统通过红外线对血液的透析度的测量来计算出病人的心率，通过无线传输途径进行心率数据的传输，通过实时监控进行数据的观察分析，以及做出判断。系统包括心率采集、无线传输、串口通信、软件数据处理四部分。
关键词 MSP430 无人看护系统 设计 分析
1 引言
随着人们对健康的重视，家庭保健工程（HHCE）开始兴起。美、日及北约国家的卫生保健计划都把它列为重要一项，它提倡的是一种“在家就医，自我保健，远程诊断[1]”的理念，把高科技与医疗结合起来。HHCE的出现符合21世纪的社会老龄化、医疗费用日益高涨以及人们生活健康质量高要求的趋势，同时可以实现医疗资源共享，并能提高边远地区的医疗水平，因此具有特别旺盛的生命力。
目前应用于家庭的监护系统存在许多问题，如功能比较单一、价格比较昂贵、用户操作不便、仪器不能独立于系统应用、智能化程度比较低等。而家庭监护仪器的发展趋势是体积小、功能齐全、无创检测、无线检测、无线传输[2]、智能化和远距监测[3]等。
为了满足社会的需求，本论文应用无线数据传输技术，整合家用计算机资源，利用微处理器平台，设计开发一套可通过无线进行数据传输的便捷式远程心电监护仪器的硬件平台。
2 系统总体分析与设计
2.1系统总体架构设计
系统分为心率采集、无线传输、串口通信、軟件数据处理。
系统结构图如图所示：
图2.1 系统架构图
系统数据流图如下：
图2.2 数据流图
2.2系统主控系统的选择
在系统总体结构设计中，如何选取性价比最高的控制体系至关重要。控制系统的种类很多，根据不同的应用场所和采用芯片的不同可以分为工控机控制、可编程控制器（PLc）控制、单片机控制等。
单片机[4]是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微计算机。单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制能力、低廉的成本。
而在众多单片机中，MSP430 系列单片机[5]是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns ，这些保证了MSP430强大的处理能力。MSP430 还有如下特点：超低功耗；系统工作稳定；丰富的片上外围模块，它们分别是看门狗、模拟比较器 A 、定时器 A、定时器 B、串口 0 、 1、硬件乘法器、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 总线直接数据存取、端口 O、端口 1～6、基本定时器等的一些外围模块；方便高效的开发环境，可用仿真器下载程序到FLASH内，进行调试控制。基于MSP430功能更完善，技术新颖，本人拟定以C8051F340作为系统控制器。
3 心率采集模块
3.1心率信号采集方案选择
3.1.1 心率信号采集方案选取
心率信号采集有两个方案如下：
方案一：可通过体表电位提取心电信号。体心率信号是一种弱电信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为0.05-100 Hz，而90%的心电信号（ECG）频谱能量集中在0.25-35 Hz之间。然而，采集这种电信号时，会受到各种噪声的干扰。众所周知噪声干扰的消除和控制比较困难，而且不稳定，实施起来比较困难。
方案二：通过血液透析度间接来反映人体心率信号。人体心脏的每次跳动都会引起血液透析度的规律性、周期性变化，只要选择适当传感器就可以很方便的得到人体心率信号。实施起来比较容易，干扰控制比较容易。其提取的信号特点如下：
（1）微弱性：提取的心率信号都存在，信号的微弱性，需放大。
（2）不稳定性：人体的新陈代谢，呼吸系统等系统是在不停的进行着，因此，提取的心率信号动态变化的。
（3）不存在随机性，提取的心率信号通过血液的透析度来反映的，是客观的。
综上所述，比较两方案的优缺点，考虑到干扰控制的容易性，信号的稳定性、难易性，以及获取设备的成本，方案二更加合适。
针对方案二，检测人体血液的透析度决定了选材的要求：一定的穿透性，一定的抗干扰性，无害性，易接收性。血液的透析度的改变会使光对血液的折射率发生相应的变化。因此，从光的角度出发来选择信号发射器。
红外线[6]是一种人眼不可见的光波，是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射。
（1）红外光有如下的特点：频率高，波长短，所发射的能量集中；
（2）红外线是人的肉眼看不见的光线，保密性强，选它作为信息载体，装置工作时不存在视觉污染，对人体没有伤害；
（3）传播范围不受限制，不存在频率干扰的问题，与无线电波方式相比，不必就频谱问题向有关部门进行申请和登记，易于实施；
（4）具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，左右偏差不超过15度的时候，红外装置运行效果最好；
（5）红外线不能穿过或绕过人和物体，在数据传输时，不能阻断光路；
（6）目前产生和接收红外信号的技术已经比较成熟，元件体积小，成本低；
（7）空间传播时的衰减系数小，可保证信号的有效转送；
（8）制作简单、易于产生和调制等优势。
因此，选用红外线做信号发射器。
对应的红外接收装置是TCRT5000的红外接收头，这个型号的红外接收头有如下特点：宽电压适应、低功耗、高灵敏度、优良的抗干扰性。主要应用在家用电器、玩具等红外遥控接收。 此红外接收头定向性很好，近乎直线检测，并且能在18米仍然能很好的接收红外信号，非常的符合本系统的设计要求。
3.1.2 心率信号放大、滤波及电路设计
放大、滤波电路是把传感器检测到的微弱电信号进行放大、滤波，最后输出反映心跳频率的有规律波形。
传感器送来的信号幅度只有2～5毫伏，为了有效的识别波，该信号要放大到2～3.3V。因此放大倍数设计在1250倍左右，经过两级放大、反相后的波形是跟输入波形同相，且放大了的波形。放大后的波形是一个交流信号。
心率信號被放大的同时，里面掺杂的杂波信号也要被放大，所以要在心率信号放大之前，将掺杂在心率信号中的杂波尽可能地滤去。
3.2 心率信号判断及数据处理
心率信号分析处理
我们选择的MSP430芯片的特点是自带ADC12，称AD转换。AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。
MSP430可以对P6口传输进来的模拟信号进行模数转换，将模型信号转换成数字信号。
心率信号即电压信号，通过MSP430单片机每隔0.01s对心率信号踩点并进行AD转换，把模拟电压值转化成数字信号值，
通过AD转换，把模拟信号转换成数字信号以后，接下来就是对上图所示的一连串数据的处理来判断心跳。
4 无线传输模块
4.1 无线传输方案选择
目前，实现数据无线传输[7]技术主要包括激光技术，红外线技术，蓝牙技术，无线射频技术。
鉴于成本，性能，传输的范围等的考虑，采用无线射频技术实现无线数据传输比较适合当前系统的开发。针对这一方案，NRF905比较适合该方案的实施。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，不需外加声表滤波器，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便，nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式，易于实现节能。
4.2 无线传输各版块数据往来规则
心率发送版块只负责心率数据的发送，每当经过心率判断，算出心率后就进行数据的发送。本版块的信息发送跟基站转发与主机接收这两个版块没有因果联系。
基站转发模块是一直在接收心率发送版块发来的心率数据的，但它的数据发送是有条件的，要收到主机接收版块发送给它的询问信息时才能将数据发送给主机接收版块。这样就保证了数据的不碰撞，避免了数据的重复发送[8][9]。
5 展望
目前，面向家庭、个人的远程医疗监护系统成为远程医疗领域的热点，无线、移动和便捷式将成为远程医疗发展的必然趋势。微型化、网络化、智能化、多功能化、低成本和高可靠性的监护终端具有广阔的市场前景。开发出一套实用的无线心电监护系统，可解决我国大量老龄人口和心血管病患者的健康护理问题；可减少医疗费用，减轻病人和医护人员及医院的负担；可提高心血管病患者的生活质量，使患者更加独立地生活在自己熟悉的环境中；实现医患双向信息传递，提供及时医疗服务，可大大降低心脏病的死亡率，对心脏病的早期诊断，更是具有十分重要的临床意义。
随着存储技术和移动通信技术的发展，无线心电监护系统的条件已经日趋成熟，也越来越普遍化，国内外各大数字医疗设备公司也纷纷看好这个市场，都积极地投入到了这个课题的开发中。因此该领域的发展潜力很大。
参考文献：
[1] Istepanian R，Jovanov E and Zhang YT .Introduction to the special section on m-health beyond seamless mobility and gobal wireless health-care connectivity[J].IEEE Trans.On Information Technology in Biomedicine，2004，8（4）：405-414.
[2] 李北岩.无线局域网技术在医疗行业中的应用[J].中国自然医学杂志，2006，8（4）：304-305.
[3] 诸强，王学民，胡滨等.无线远程医疗系统[J].北京生物医学工程，2004，23（3）：225-227.
[4] 文桦.单片机教学与应用平台的研究[D].同济大学软件学院，2009.
[5] 陈小梅.电机学实践课程改革的探索[J].中国电力教育，2008，（9）：145-147.
[6] 陆婉珍.现代近红外光谱分析技术（第二版）[M].中国石化出版社，2007.1.
[7] 徐立新，陈震，李庆亮.无线数传技术在远程心电监护系统中的应用[J].微计算机信息，2005，21（7）：7-9.
[8] Dr.Pan.Agathoklis ，Matthew Green，Dennis Leote ，Kevin Harmon ，Wireless ECG/EKG Monitoring System.
[9] Dipali Bansal，Munna Khan，Ashok K.Salhan.A computer based wireless system for online acquisition，monitoring and digital processing of ECG waveforms.Comp.Biol.Med，2009.
关键词 MSP430 无人看护系统 设计 分析
1 引言
随着人们对健康的重视，家庭保健工程（HHCE）开始兴起。美、日及北约国家的卫生保健计划都把它列为重要一项，它提倡的是一种“在家就医，自我保健，远程诊断[1]”的理念，把高科技与医疗结合起来。HHCE的出现符合21世纪的社会老龄化、医疗费用日益高涨以及人们生活健康质量高要求的趋势，同时可以实现医疗资源共享，并能提高边远地区的医疗水平，因此具有特别旺盛的生命力。
目前应用于家庭的监护系统存在许多问题，如功能比较单一、价格比较昂贵、用户操作不便、仪器不能独立于系统应用、智能化程度比较低等。而家庭监护仪器的发展趋势是体积小、功能齐全、无创检测、无线检测、无线传输[2]、智能化和远距监测[3]等。
为了满足社会的需求，本论文应用无线数据传输技术，整合家用计算机资源，利用微处理器平台，设计开发一套可通过无线进行数据传输的便捷式远程心电监护仪器的硬件平台。
2 系统总体分析与设计
2.1系统总体架构设计
系统分为心率采集、无线传输、串口通信、軟件数据处理。
系统结构图如图所示：
图2.1 系统架构图
系统数据流图如下：
图2.2 数据流图
2.2系统主控系统的选择
在系统总体结构设计中，如何选取性价比最高的控制体系至关重要。控制系统的种类很多，根据不同的应用场所和采用芯片的不同可以分为工控机控制、可编程控制器（PLc）控制、单片机控制等。
单片机[4]是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微计算机。单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制能力、低廉的成本。
而在众多单片机中，MSP430 系列单片机[5]是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns ，这些保证了MSP430强大的处理能力。MSP430 还有如下特点：超低功耗；系统工作稳定；丰富的片上外围模块，它们分别是看门狗、模拟比较器 A 、定时器 A、定时器 B、串口 0 、 1、硬件乘法器、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 总线直接数据存取、端口 O、端口 1～6、基本定时器等的一些外围模块；方便高效的开发环境，可用仿真器下载程序到FLASH内，进行调试控制。基于MSP430功能更完善，技术新颖，本人拟定以C8051F340作为系统控制器。
3 心率采集模块
3.1心率信号采集方案选择
3.1.1 心率信号采集方案选取
心率信号采集有两个方案如下：
方案一：可通过体表电位提取心电信号。体心率信号是一种弱电信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为0.05-100 Hz，而90%的心电信号（ECG）频谱能量集中在0.25-35 Hz之间。然而，采集这种电信号时，会受到各种噪声的干扰。众所周知噪声干扰的消除和控制比较困难，而且不稳定，实施起来比较困难。
方案二：通过血液透析度间接来反映人体心率信号。人体心脏的每次跳动都会引起血液透析度的规律性、周期性变化，只要选择适当传感器就可以很方便的得到人体心率信号。实施起来比较容易，干扰控制比较容易。其提取的信号特点如下：
（1）微弱性：提取的心率信号都存在，信号的微弱性，需放大。
（2）不稳定性：人体的新陈代谢，呼吸系统等系统是在不停的进行着，因此，提取的心率信号动态变化的。
（3）不存在随机性，提取的心率信号通过血液的透析度来反映的，是客观的。
综上所述，比较两方案的优缺点，考虑到干扰控制的容易性，信号的稳定性、难易性，以及获取设备的成本，方案二更加合适。
针对方案二，检测人体血液的透析度决定了选材的要求：一定的穿透性，一定的抗干扰性，无害性，易接收性。血液的透析度的改变会使光对血液的折射率发生相应的变化。因此，从光的角度出发来选择信号发射器。
红外线[6]是一种人眼不可见的光波，是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射。
（1）红外光有如下的特点：频率高，波长短，所发射的能量集中；
（2）红外线是人的肉眼看不见的光线，保密性强，选它作为信息载体，装置工作时不存在视觉污染，对人体没有伤害；
（3）传播范围不受限制，不存在频率干扰的问题，与无线电波方式相比，不必就频谱问题向有关部门进行申请和登记，易于实施；
（4）具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，左右偏差不超过15度的时候，红外装置运行效果最好；
（5）红外线不能穿过或绕过人和物体，在数据传输时，不能阻断光路；
（6）目前产生和接收红外信号的技术已经比较成熟，元件体积小，成本低；
（7）空间传播时的衰减系数小，可保证信号的有效转送；
（8）制作简单、易于产生和调制等优势。
因此，选用红外线做信号发射器。
对应的红外接收装置是TCRT5000的红外接收头，这个型号的红外接收头有如下特点：宽电压适应、低功耗、高灵敏度、优良的抗干扰性。主要应用在家用电器、玩具等红外遥控接收。 此红外接收头定向性很好，近乎直线检测，并且能在18米仍然能很好的接收红外信号，非常的符合本系统的设计要求。
3.1.2 心率信号放大、滤波及电路设计
放大、滤波电路是把传感器检测到的微弱电信号进行放大、滤波，最后输出反映心跳频率的有规律波形。
传感器送来的信号幅度只有2～5毫伏，为了有效的识别波，该信号要放大到2～3.3V。因此放大倍数设计在1250倍左右，经过两级放大、反相后的波形是跟输入波形同相，且放大了的波形。放大后的波形是一个交流信号。
心率信號被放大的同时，里面掺杂的杂波信号也要被放大，所以要在心率信号放大之前，将掺杂在心率信号中的杂波尽可能地滤去。
3.2 心率信号判断及数据处理
心率信号分析处理
我们选择的MSP430芯片的特点是自带ADC12，称AD转换。AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。
MSP430可以对P6口传输进来的模拟信号进行模数转换，将模型信号转换成数字信号。
心率信号即电压信号，通过MSP430单片机每隔0.01s对心率信号踩点并进行AD转换，把模拟电压值转化成数字信号值，
通过AD转换，把模拟信号转换成数字信号以后，接下来就是对上图所示的一连串数据的处理来判断心跳。
4 无线传输模块
4.1 无线传输方案选择
目前，实现数据无线传输[7]技术主要包括激光技术，红外线技术，蓝牙技术，无线射频技术。
鉴于成本，性能，传输的范围等的考虑，采用无线射频技术实现无线数据传输比较适合当前系统的开发。针对这一方案，NRF905比较适合该方案的实施。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，不需外加声表滤波器，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便，nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式，易于实现节能。
4.2 无线传输各版块数据往来规则
心率发送版块只负责心率数据的发送，每当经过心率判断，算出心率后就进行数据的发送。本版块的信息发送跟基站转发与主机接收这两个版块没有因果联系。
基站转发模块是一直在接收心率发送版块发来的心率数据的，但它的数据发送是有条件的，要收到主机接收版块发送给它的询问信息时才能将数据发送给主机接收版块。这样就保证了数据的不碰撞，避免了数据的重复发送[8][9]。
5 展望
目前，面向家庭、个人的远程医疗监护系统成为远程医疗领域的热点，无线、移动和便捷式将成为远程医疗发展的必然趋势。微型化、网络化、智能化、多功能化、低成本和高可靠性的监护终端具有广阔的市场前景。开发出一套实用的无线心电监护系统，可解决我国大量老龄人口和心血管病患者的健康护理问题；可减少医疗费用，减轻病人和医护人员及医院的负担；可提高心血管病患者的生活质量，使患者更加独立地生活在自己熟悉的环境中；实现医患双向信息传递，提供及时医疗服务，可大大降低心脏病的死亡率，对心脏病的早期诊断，更是具有十分重要的临床意义。
随着存储技术和移动通信技术的发展，无线心电监护系统的条件已经日趋成熟，也越来越普遍化，国内外各大数字医疗设备公司也纷纷看好这个市场，都积极地投入到了这个课题的开发中。因此该领域的发展潜力很大。
参考文献：
[1] Istepanian R，Jovanov E and Zhang YT .Introduction to the special section on m-health beyond seamless mobility and gobal wireless health-care connectivity[J].IEEE Trans.On Information Technology in Biomedicine，2004，8（4）：405-414.
[2] 李北岩.无线局域网技术在医疗行业中的应用[J].中国自然医学杂志，2006，8（4）：304-305.
[3] 诸强，王学民，胡滨等.无线远程医疗系统[J].北京生物医学工程，2004，23（3）：225-227.
[4] 文桦.单片机教学与应用平台的研究[D].同济大学软件学院，2009.
[5] 陈小梅.电机学实践课程改革的探索[J].中国电力教育，2008，（9）：145-147.
[6] 陆婉珍.现代近红外光谱分析技术（第二版）[M].中国石化出版社，2007.1.
[7] 徐立新，陈震，李庆亮.无线数传技术在远程心电监护系统中的应用[J].微计算机信息，2005，21（7）：7-9.
[8] Dr.Pan.Agathoklis ，Matthew Green，Dennis Leote ，Kevin Harmon ，Wireless ECG/EKG Monitoring System.
[9] Dipali Bansal，Munna Khan，Ashok K.Salhan.A computer based wireless system for online acquisition，monitoring and digital processing of ECG waveforms.Comp.Biol.Med，2009.