基于蓝牙传输的心率监测系统设计

郭晏玮，王新玲

（1 中国联通网络优化中心 山西 太原 030012 ； 2 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

目前心血管疾病是死亡的主要原因，在英国它每年占所有死亡的39%。有心脏病的患者，约有30%的人甚至还没到医院就死了。尽管心脏病突然发作没有前兆，心率不齐在发作之前是可以被发现的，它可能被用作心脏病发作的主要前兆。一个健康成年人的心率会稳定在50～100次/s。当每分钟的脉搏数(即心率)低于50次时称为心动过缓，高于160次称为心动过速，心动过缓和过速都可能会直接带来生命危险。所以对于心脏病人来说，如果能够实时监测其心率，在病发时迅速进行抢救，无疑是帮助他们挽回生命的最佳方法。然而心脏病的病发并没有确定的规律，而是跟病人的情绪、身体状况和客观环境都有着很大的关系，是难以预测的，而且一旦病发，病人无法自行处理时，则可能因为得不到治疗而死亡。 以往的脉搏信号检测采用有线连接方式，被监护者的身上因安装了传感器设备而难以自由灵活移动。系统不便于扩展，修改网络拓扑结构成本较高，布线杂乱，易使灰尘堆积，不利于清洁[1]。

针对这一情况，本文提出了一种可以监测病人的心率并实时反馈给监护人员的监测方案。设计了基于蓝牙和单片机技术，并脉搏传感器、无线通讯等先进技术于一身的电子系统，它能够在病人出现异常时实时的将心脏跳动情况传输给监护人员，医生可根据传输的数据即时对其进行治疗。此系统基于蓝牙的无线传输技术，可以通过人体随身携带的无线终端采集脉搏数据，使采集系统具有移动性，避免了被测人员使用传统检测仪器时，需要通过很多导线连接身体的麻烦和束缚，并可以采集到被监测者活动状态下的脉搏信号。

1 心率监测系统设计方案

1.1 硬件部分设计

基于无线蓝牙传输的心率检测系统具有以下基本功能:

1)脉搏数据的实时采集和处理；

2)与上位机进行蓝牙通信，实现数据的无线互传，并在终端设备显示和存储；

3)体积小，功耗低，实时性好，便于携带。

根据系统功能要求，整个系统由前端数据采集和传送部分（以MSP430F149单片机为核心的下位机）以及末端的数据接收、分析和处理部分（PC上位机）组成。下位机对病人的心率信号实时监测，一旦发现异常，就会通过蓝牙模块无线传输给上位机，以采取实时抢救。系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图

1.1.1 传感器模块

用于脉搏信号的获取及数字化。包括脉搏传感器、放大电路和A/D芯片AD976。脉搏传感器采用PVDF压电薄膜式压力传感器，它是一种高性能、低成本的震动传感器，具有抗过载及冲击能力强、抗干扰性好、操作简便等特点，并具有很高的强度和很宽的频响，它采用PVDF压电薄膜作为换能元件，脉搏信号通过特殊的匹配层传递到换能元件上变成电荷量再经片内放大电路转换为压电信号输出。PVDF薄膜能够很好地与皮肤接触，柔性好且有很好的时间和温度稳定性，即使在应力作用下也不会影响检测脉搏的压力变化，故能检测到微小的脉动信号。经前置放大电路放大后送入AD976，进而送给单片机进行处理[2]。

1.1.2 按键模块

脉搏测量键负责测量脉搏并存储；脉搏显示键用于显示存储测量的脉搏数；解除键用于接到报警后解除警报键；NEXT键用于配合显示键工作。

1.1.3 报警模块

报警模块包含两部分,一部分当检测的脉搏信号出现异常时,发出警报告之医生以施救援；另一部分当锂电池电量不足时需要发出警报告之病者或医护人员进行充电，以免发生错误。

1.1.4 单片机与蓝牙模块

蓝牙模块是数据传输系统的重要组成部分，要完成全部蓝牙基带、射频以及部分HCI协议。系统采用爱立信的ROK101 008蓝牙模块，供电电源为3.3V。微控制器选用TI公司16位高性能MSP430系列单片机F149。蓝牙模块的ANT脚用于外接天线，其标称阻抗是50Ω。由于天线的方向和增益不同时，会影响通信距离，本课题采用一种直接印刷在PCB板上的倒F型天线进行通信时取得了成功。ROK 101 008提供4种接口，本课题采用UART口连接蓝牙模块和微控制器MSP430F149，其最高波特率达到460 800 bit/s，本课题采用57 kb/s的速率[3]。由于锂电池供电为3.7V,所以需经过电平转换将电压转为3.3V供蓝牙与单片机工作。蓝牙模块主要使用了4条UART信号线，2根数据线TXD和RXD，同时使用流量控制信号RTS和CTS。蓝牙模块在正常工作时，VCC、ON和VCC-IO脚都应接高电平3.3V[4]。

蓝牙模块UART口的初始设置为速率57.6kb/s，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。PC上位机与蓝牙模块通信的基本过程：首先MSP430F149设置为与蓝牙模块同样的通信模式，蓝牙模块发送给PC的数据先由MSP430F149接收并存放在其接收缓存区中，然后MSP430F149请求发送数据给PC，PC接收到请求后，如果同意接收，发送应答信号， MSP430F149把缓冲区中数据发送给PC[5]。完成传输后，PC上位机即电脑上显示病人每5s被检测到的脉搏数据，若正常则显示正常并存储，若出现异常则发出警报通知医生紧急救治。

1.2 软件部分设计

软件设计遵从结构化设计方法，采用模块化和自顶向下的规范来实现整个系统的功能。

该系统的软件部分包括上、下位机的软件设计，主要包括主程序和子程序。

1.2.1 主程序

下位机主程序主要是监测心率并完成蓝牙的数据采集与传输。首先对蓝牙模块进行初始化，建立连接，接收到上位机传来的采集参数后进行信号采集，采集完毕后向上位机发送信号值。若接收到通信终止指令则断开连接，单片机复位。流程图如图2所示。

上位机主程序一直处于接收状态,它根据下位机发送过来的信号来工作。首先要打开蓝牙设备，对蓝牙设备进行参数配置，包括流量控制、读取本地蓝牙设备的名字以及本地蓝牙设备地址BD_ADDR等等[6]。接着就开始建立连接等。在发起建立ACL连接的请求后，如果对方同意建立连接并且连接成功，那么将会获取ACL连接的句柄，有了这个句柄，就可以发送ACL数据，实现通信。流程图如图3所示。

1.2.2 测量存储脉搏子程序

测量键按下，下位机即调用测量存储子程序，每5s完成1min的心率测量、显示并在上位机中存储。心率测量计算时采用滑动平均值法。

1.2.3 报警子程序

报警子程序中,下位机只需向上位机发送报警信号.上位机接到信号后,即发出报警声通知医生进行抢救。

1.2.4 显示存储子程序

图2 下位机系统软件流程图

图3 上位机系统软件流程图

显示键按下后调用显示存储子程序。首先下位机向上位机发送显示存储信号，若有具体日期,上位机将存储好的此日期数据发送给下位机，下位机开始显示数据，若无要求上位机将存储好的数据按照日期排序后发送给下位机,若用户按下NEXT[8]键，则显示下一组数据。若30s内无任何键按下，则自动显示下一组数据。

2 实验分析

为了验证系统的准确性和可靠性，使用该系统对1名被测者(静坐状态下)进行脉搏波形的检测。被测者为男性，身高175 cm。被测者自然放松保持坐姿，通过缓慢的深呼吸改变自身状态，脉搏传感器放置于手部指端。从实验结果中，可以清晰地得出被测者的脉搏频率大约为76次／min，且该模块对脉搏频率进行测量的误差范围在±3之内。该模块实现了对人体的无线监测，因此，可以通过脉搏波形在一定时间内的变化和趋势，评价用户的心血管系统的健康状况。

3 结束语

本文研究的基于蓝牙传输的心率检测系统，是在短距离内替代有线传输的低成本、高可靠性方案，其结构简单，不需要大量的附加存储设备，传输过程也不产生费用，具有功耗低、体积小、价格便宜等特点，测得的数据真实性强，数据准确可靠，可用来检测如心脏病患者和老年人等人群。采用的无线数据采集方式不影响人们的日常生活，更有效的帮助医护人员对用户的健康状况进行检测和防护。由于锂电池要适时充电，正在研发借用脉搏跳动来供电。

[1]严 壮,张 静,施 俊.基于PDA的无线医疗信息管理系统的设计开发[J].中国医疗器械杂志,2007,5(31):344-347.

[2]王国力,赵子婴,白金星.PVDF压电薄膜脉搏传感器的研制[J].传感技术学报,2004(4):688-692.

[3]Mehta Vipin,ElZarkiMagda.A Bluetooth Based Sensor Network for Civi Infrastructure Health Monitoring[J].WirelessNetworks,2004,10(7):401-412.

[4]张爱华,王景辉.基于蓝牙传输的脉搏信号检测系统的设计与实现[J].兰州理工大学学报,2009,8(4):78-83.

[5]涂淞,岳月天,郁滨.基于BlueCore蓝牙芯片的USB和UART接口设计与实现[J].电子技术,2003,30(7):36-39.

[6]孙守军,吴凯,吴效明.基于蓝牙技术的无线移动监护系统[J].中国医疗器械杂志,2006,5(30):349-351.

[7]徐 诚,董圣男,刘成.基于蓝牙技术的脉搏波检测系统设计[J].电子测量技术,2009,10(32):88-91.

[8]廉小亲,金亮.基于脉搏传感器的家用智能心率监控系统[J].东南大学学报:自然科学版,2005,35(2):245-247.