一種基于GPRS的心電無線監(jiān)護(hù)儀

心臟病是威脅人類生命與健康的最大頑疾， 其具有突發(fā)性、難預(yù)測、死亡率高等特點，因此對 患者的心電信號進(jìn)行實時監(jiān)測顯得尤為重要? 。 大部分患者需要能隨時提供心電監(jiān)護(hù)的儀器，并 且使其工作和生活不會受到影響?；谶@種轉(zhuǎn) 變，無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究在近年來引起了國 內(nèi)外的高度重視。例如李享元 等人研制的基于 GPRS的遠(yuǎn)程移動心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，Rune Fensli 等 人研制的無線便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，Salvador 等 人研制了一種對于出院患者進(jìn)行心電跟蹤監(jiān)護(hù)的 系統(tǒng)。

　　由于大多數(shù)心電監(jiān)護(hù)儀成本較高，操作復(fù)雜，不 宜在家庭中普及，因此，作者研制一種能夠?qū)崟r采 集、分析及報警的家庭心電監(jiān)護(hù)儀，患者可以通過佩 戴一個便攜式的儀器，對心電信號進(jìn)行實時監(jiān)測、分 析，并對心率失常情況給予診斷及報警，當(dāng)患者在規(guī) 定時間(10s左右)無法解除此報警時，表明患者確 實突發(fā)心臟病，監(jiān)護(hù)儀可以通過GPRS無線模塊以發(fā)送短消息的方式通知其家屬，并通過撥打電話進(jìn) 行語音報警；此監(jiān)護(hù)儀還可作為緊急醫(yī)療救助報警， 即當(dāng)患者感覺不適，可按下求助鍵，自動撥通求助電 話，為患者爭取寶貴的救治時間。系統(tǒng)操作簡便，非 常適合患者在家中使用。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　通過電極從人體上取得的心電信號，經(jīng)過模 擬放大電路的放大、濾波處理之后進(jìn)入MSP430單 片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部的ADC12轉(zhuǎn)換模塊對模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣頻率為200Hz，并且將采 集到的波形送到液晶顯示器上顯示。待波形穩(wěn)定 后，每隔3 s進(jìn)行一次ECG檢波分析，得出實時心 率并顯示，從而判斷心率是否失常，如果產(chǎn)生心電 異常立即報警，當(dāng)患者在一定時間內(nèi)無法自己解 除報警時，啟動無線報警模塊以發(fā)送短消息的方 式通知其家屬，并通過撥打電話進(jìn)行語音報警。

　　1．1 核心控制單片機(jī)

　　該系統(tǒng)的微控制器采用的是TI公司最近推出 的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F44X，適合手持設(shè) 備的應(yīng)用，主要特點包括：1．8～3．6V的低電壓工作 范圍；有五種節(jié)電模式，從等待模式喚醒的時間不超 過6 s；16位的精簡結(jié)構(gòu)指令，高效的尋址方式，指 令時間周期僅為125as，大部分指令可在一個指令 周期內(nèi)完成；器件片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，無需仿真 器和編程器，方便設(shè)計者開發(fā)調(diào)試。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主 要包括：16位的CPU、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存 儲器(RAM)、FLL+時鐘系統(tǒng)(片內(nèi)DC0)、看門狗 定時器(watchDog)、ADC12(12位A／D)、比較器A [精確的模擬比較器，常用于斜邊(S10pe)A／D轉(zhuǎn) 換]、復(fù)位電壓控制／電源電壓管理、基本定時器 (Basic Timer1)、定時器(Timer—A和Timer．B)、LCD 控制器／比較器(多達(dá)160段)、硬件乘法器、6個I／ 0端口和2個串行口[5 3。系列中各種具體的型號稍 有差別。在本次設(shè)計中，選用MSP430F449作為系 統(tǒng)的控制器。

　　1．2 心電采集模塊

　　心電采集模塊主要包括心電信號的采集、放大 濾波及電平提升電路，如圖2所示。心電信號的采 集是通過電極從人體上取得心電信號，體表ECG一 般只有0．05—5mV，頻譜范圍在0．5～lOOHz，具有 微弱和易受干擾等特點。因此放大濾波電路采用高 輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路進(jìn)行前置 放大，可以抑制零點漂移，增大輸入阻抗，減少共模 信號干擾。帶通濾波電路主要由高通濾波器和低通 濾波器組成，通頻帶為1～100Hz，濾除心電頻率范圍以外的干擾信號。主放大器將ECG信號進(jìn)一步 放大到合適范圍(1000倍左右)后，經(jīng)過50Hz陷波 處理濾除工頻干擾，進(jìn)行電平提升后送人核心控制 模塊MSP430F449。

　1．3 液晶顯示及鍵盤接口電路

　　本系統(tǒng)的人機(jī)交互功能是通過液晶顯示器 (LCD)和鍵盤來實現(xiàn)，通過功能按鍵來選擇菜單條 目，執(zhí)行對應(yīng)的功能。鍵盤的設(shè)計可分為獨立按鍵 式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤使用按鍵與單片 機(jī)的I／O端口線直接連接，一般用于少量按鍵的情 況下，而矩陣式鍵盤適用于按鍵較多，I／O 口線相當(dāng) 緊缺的場合。采用矩陣式鍵盤，如圖3所示，鍵盤使 用P1．1～P1．7共7根口線12個按鍵，鍵盤為3×4 格局，P1．1、P1．2、P1．3為行線，P1．4、P1．5、P1．6、 P1．7為列線。列線分別由上拉電阻上拉到VCC，在 行線與列線的每個交界處有一個按鍵，按鍵的兩端 分別接在行線和列線上。目前只用到4個按鍵，分 別為功能鍵、選擇鍵、取消鍵及確認(rèn)鍵，其余為今后 功能擴(kuò)展所預(yù)留。

　　系統(tǒng)選用ZJMI2864點陣液晶顯示器來顯示采 集到的心電波形，并將計算出的實時心率和ECG檢 測結(jié)果顯示到液晶屏上。液晶顯示器ZJM12864是 一個128×64的點陣液晶顯示模塊，STN黃綠模式， 可顯示圖形和文字。該液晶顯示器通過控制器 KS0108B與MSP430F449單片機(jī)直接相連，接收 MCU的指令，完成顯示功能。液晶顯示器具有8位 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線，6位控制線以及電源線，其與單片機(jī) 的連接電路如圖4所示。液晶顯示控制模塊中使用 RS，R／W，E，CS1，CS2作為與MSP430數(shù)據(jù)總線接 口的控制信號。RS是數(shù)據(jù)／指令控制信號，它控制存取的方式，可實現(xiàn)讀寫指令或接受數(shù)據(jù)。R／W 是 讀寫控制信號，高電平時液晶顯示器工作在讀模式， 低電平時工作在寫模式。CS1、CS2是片選信號，高 電平有效，控制液晶的左右半屏顯示。

　　1．4 無線通訊模塊及串行接口

　　在本系統(tǒng)中，無線通訊模塊采用的是西門子公 司的GSM／GPRS無線模塊MC55，它是當(dāng)今市場上 尺寸最小的三頻模塊，其緊湊型設(shè)計特別適用于便 攜式設(shè)備。該模塊體積小(5．5g)，功耗低(峰值電 流450mA)，控制簡單，內(nèi)置AT指令集、TCP／IP協(xié) 議。在單片機(jī)的控制下，利用現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 信號的處理和傳輸，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)護(hù)的目的。 MC55模塊可以快速可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)和語音傳輸、 短消息以及傳真服務(wù)等無線通訊功能。它提供一個 50管腳的零插入(ZIF)連接器，該連接器中包括了 電源接口、串行接口、音頻接口、SIM卡接口等幾個 子接口，可以通過這些接口分別與SIM 卡座、天線 及主控制器相連。 實際使用過程中，通過相應(yīng)的外圍接口電路，可 將其做成一個相當(dāng)于配備有SIM卡的短消息收發(fā) 器。

　　數(shù)據(jù)傳輸常用串行接口，MSP430F449內(nèi)部含 有串行同步／異步通信模塊，通過對寄存器的設(shè)置之 后，由硬件自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移進(jìn)和移出，完成串行通 信的功能，同時還能實現(xiàn)兩種通信協(xié)議，即UART異 步通信協(xié)議和SPI同步通信協(xié)議。MSP430不同于 一般內(nèi)置有串行通信模塊的單片機(jī)，它可以通過對 寄存器的設(shè)置來調(diào)整波特率的小數(shù)部分，以便于產(chǎn) 生更精確的波特率。設(shè)計中采用UART協(xié)議，通過 一個RS232接口芯片SP3222E與MC55模塊進(jìn)行串 口通信，單片機(jī)通過發(fā)送AT指令來完成控制及兩 者之間的通訊。當(dāng)運行系統(tǒng)后，MSP430F449單片 機(jī)是首先通過對MC55模塊進(jìn)行編程，即對其進(jìn)行初始化設(shè)置，系統(tǒng)通訊串El兩端采用9600bps的通 訊速率，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位的幀格 式。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　該系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境使用的是IAR公司為 MSP430單片機(jī)所設(shè)計的交叉編譯器IAR Embedded Workbench，編譯器能夠產(chǎn)生可重入的代碼。系統(tǒng)軟 件采用C語言進(jìn)行編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于今 后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。。 程序流程如圖5所示。

　　2．1 心電信號采樣轉(zhuǎn)換子程序

　　MSP430單片機(jī)具有多種形式的A／D操作模 式，內(nèi)部ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn) 換，具有高速和通用的特點。在使用上通過相應(yīng)的 寄存器來選擇系統(tǒng)電壓AV 、AV 作為參考電壓 源，設(shè)置采樣保持寄存器來控制采樣時間，采用單通 道多次轉(zhuǎn)換模式，每次轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在相 應(yīng)的ADC12MEM0 中，由相應(yīng)的中斷標(biāo)志位 ADC12IFG．0置位來標(biāo)志轉(zhuǎn)換結(jié)束。在主程序中首 先開啟中斷，當(dāng)中斷標(biāo)志位置位時，將產(chǎn)生中斷服務(wù) 請求，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。執(zhí)行完中斷服務(wù)子程 序后，中斷標(biāo)志位自動復(fù)位，系統(tǒng)返回中斷前的狀 態(tài)。

　　2．2 液晶顯示子程序

　　液晶顯示子程序主要實現(xiàn)液晶顯示控制器的初 始化設(shè)置、顯示菜單以及心電波形等功能。 初始化包括清屏和初始化參數(shù)。由于本控制器 不帶漢字庫，所以液晶屏上顯示的任何字符、漢字等 用戶都必須自己建立點陣字模庫，然后按圖形的方 式進(jìn)行顯示。對需要顯示的字符進(jìn)行縱向和逆向取 模、編碼和顯示。

　　本系統(tǒng)采用16×16大小的點陣， 液晶屏上最多可以顯示4行8列共32個漢字。當(dāng) 顯示菜單時，由程序?qū)⑺@示的漢字字模逐字節(jié) 地寫入液晶顯示區(qū)相應(yīng)單元內(nèi)，在液晶顯示屏上顯 示出相應(yīng)的漢字。 波形的顯示與漢字的顯示方法有所不同，采用 描點的方法。LCD上橫坐標(biāo)表示時間，即為時間 軸，縱坐標(biāo)為所要顯示心電數(shù)據(jù)的幅值，心電波形的 顯示采用每列畫一個采樣點的幅值，相鄰兩點間畫 直線的方法實現(xiàn)。程序中將A／D轉(zhuǎn)換存儲器中的 數(shù)值按比例變換到液晶屏上的相應(yīng)位置，然后向顯 示RAM中寫入字節(jié)數(shù)據(jù)，在液晶屏的指定位置顯 示點，即顯示出心電波形的幅值。

　　2．3 對無線通訊模塊控制的子程序

　　單片機(jī)通過串口發(fā)送AT指令來實現(xiàn)與無線模 塊MC55的通訊。AT指令最初由Hayes公司推出， 主要用于對調(diào)制解調(diào)器的控制，現(xiàn)在已經(jīng)演化成為 一種標(biāo)準(zhǔn)，所有移動模塊都支持AT指令。單片機(jī) 發(fā)出的AT指令用來建立通信鏈路，GSM 07．05規(guī) 范指令集提供的AT命令主要是實現(xiàn)短信息的發(fā) 送、刪除、存儲等操作 。其中AT為前導(dǎo)符，表示 命令的開始；命令字符及相關(guān)設(shè)置參數(shù)表示將進(jìn)行 何種操作。如：AT+CMGR=表示讀取存儲區(qū) 號為n的短消息內(nèi)容。AT指令的返回代碼分別以 字符或開始和結(jié)束。如果指令的語 法不正確，則返回“ERROR”字符；如果指令成功執(zhí) 行則會返回“OK”提示符或者其他所需信息。

　　單片機(jī)首先要對MC55進(jìn)行初始參數(shù)的設(shè)置， 主要包括如下幾類參數(shù)：

　　ATE1 關(guān)閉MC55的回顯。

　　AT+IPR= 此命令為設(shè)置MC55無線模塊的波特率值為“n”，其默認(rèn)值為9600Hz。

　　AT+CSCA= 此命令是設(shè)置SIM卡的短信息中心號，北京地區(qū)為“13800100500”。

　　AT+CMGF=0 該命令用來設(shè)置短消息的格式為“TEXT”格式。短消息收發(fā)格式一共有三種方 式來發(fā)送和接收SMS信息Block Mode、Text Mode和 PDU Mode。Block Mode已是昔日黃花，目前很少用 了。

　　Text Mode是純文本方式，可使用不同的字符 集，從技術(shù)上說也可用于發(fā)送中文短消息，但國內(nèi)手 機(jī)基本上不支持，主要用于歐美地區(qū)。PDU Mode 被所有手機(jī)支持，可以使用任何字符集。由于Text Mode格式比較簡單，所以采用此種方式，即發(fā)送短 消息為英文文本方式。

　　以上即為單片機(jī)對MC55模塊做的初始化設(shè) 置，當(dāng)患者心電信號發(fā)生異常，需要通過發(fā)送短消息 的方式通知其家屬的時侯，立即啟動MC55模塊，發(fā) 送短消息。發(fā)送短消息的AT指令如下： AT+CMGS=[， ]Text can be entered．／；“da”為患者 家屬的手機(jī)號碼，輸入完畢后回車，然后發(fā)送短消息 內(nèi)容，以結(jié)束，如果短消息發(fā)送成功， 會返回“OK”，否則返回“ERROR”。

　　3 實驗測試

　　為了檢測心電無線監(jiān)護(hù)儀的性能，進(jìn)行如下測 試。用心電信號發(fā)生器產(chǎn)生各種心電信號(包括正 常、異常)送入監(jiān)護(hù)儀，心電信號采集及分析結(jié)果如 圖6和圖7所示。

　　圖6為正常心電信號時的界面，監(jiān)測結(jié)果顯示 正常；圖7為異常心電信號時的界面，監(jiān)測結(jié)果顯示 心電異常，此時監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行報警，通過GPRS以發(fā)送 短消息的方式通知其家屬，圖8為患者家屬手機(jī)接 收到的報警短消息。 測試結(jié)果表明：本心電監(jiān)護(hù)儀操作簡單，工作穩(wěn) 定，能夠監(jiān)測出異常心電信號，并進(jìn)行報警。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計的心電無線監(jiān)護(hù)儀，采用新型16位超 低功耗單片機(jī)作為控制芯片，含有豐富的外圍模塊，大大簡化了硬件電路的設(shè)計；選用基于GPRS／GSM 技術(shù)的無線模塊MC55作為短消息無線發(fā)送模塊， 提高了系統(tǒng)的可靠性。該監(jiān)護(hù)儀體積小、功耗低、便 于攜帶和操作，適用于家庭醫(yī)療保健。