基于MSP430單片機和移動通信的血糖監(jiān)護系統(tǒng)設計

1  血糖監(jiān)護系統(tǒng)概述

糖尿病是危害人類健康的四大主要疾病之一，目前沒有根治的辦法，只能通過血糖監(jiān)測對糖尿病加以控制。血糖儀的出現(xiàn)，大大方便了糖尿病患者自行監(jiān)測血糖。為了能更好地利用無線網(wǎng)絡資源，方便用戶隨時隨地的測量，開發(fā)了一種基于移動通信的血糖監(jiān)護系統(tǒng)。

基于移動通信的血糖監(jiān)護系統(tǒng)由兩大部分組成：手機血糖儀與糖尿病監(jiān)護中心。工作模式如圖1所示。糖尿病患者利用隨身攜帶的手機血糖儀可隨時監(jiān)測血糖，監(jiān)護中心通過GSM網(wǎng)絡接收患者的血糖值，并反饋適當?shù)脑\斷結論。

手機使用MotorolA388c，血糖儀是吉林大學儀器學院自主開發(fā)的以MSP430單片機與酶電極傳感器等為主的血糖測試儀，通過串口連接手機，利用手機的鍵盤和液晶屏控制顯示血糖測試結果。即，手機血糖儀是在保留手機原有各項功能的基礎上，增加了血糖測試功能。

糖尿病監(jiān)護中心硬件由一臺服務器通過串口連接一個MC35無線通信模塊構成，軟件系統(tǒng)主要負責完成控制MC35接收短信以及患者信息管理及維護。

2  手機血糖儀的設計

2.1  系統(tǒng)硬件設計

基于MSP430單片機的血糖測試儀主要由酶電極傳感器、信號處理、單片機數(shù)據(jù)采集處理以及單片機與手機的串行通訊幾部分組成，如圖2所示。酶電極傳感器

圖1  系統(tǒng)工作模式

采用三電極系統(tǒng)，分為參比電極、對極和工作電極。 前置信號處理采用模擬開關對電極接入電路情況進行控制，從而為系統(tǒng)提供不同的工作狀態(tài)，信號處理采用放大器和低通濾波，將傳感器的電流信號轉換放大濾去高頻干擾，為后續(xù)電路的數(shù)據(jù)采集提供質量較高的信號，血糖濃度的數(shù)據(jù)采集處理和串口數(shù)據(jù)通訊，采用TI公司的MSP430系列單片機為主控單元完成。另外，系統(tǒng)具有溫度補償功能，能補償環(huán)境溫度對系統(tǒng)測試結果的誤差，提高測試結果的精度。血糖測試模塊體積為3cm*1cm，這樣可以放在手機殼里，做到血糖測試儀和手機融為一體，方便了用戶的攜帶與檢測。

圖2  手機血糖儀系統(tǒng)框圖

2.2血糖濃度測量原理

血糖濃度值的測定通過生物酶電極傳感器，當血液滴入，在葡萄糖酶的催化作用下，傳輸電子物質在碳電極表面被強制性氧化，其氧化還原反應過程中形成的氧化電流跟葡萄糖濃度成線性關系，通過測定氧化電流的強度計算血糖濃度值[1]。

在電極上加0.4V的恒定工作電壓, 當被測血樣滴在電極的測試區(qū)后，電極上固定的葡萄糖氧化酶與血樣中的葡萄糖發(fā)生化學反應。經(jīng)過一定的滯后期，酶電極的響應電流將與被測血樣中葡萄糖濃度呈線性關系，如圖3所示。

圖3  酶電極電流變化曲線

對應于2.2- 27.8mmol/L 的血糖濃度，酶電極的響應電流約為3—50μA。血糖儀就是通過這一對應關系來計算顯示血樣葡萄糖濃度值的。根據(jù)曲線可知酶電極上的反應電流在11s左右出現(xiàn)峰值，因此系統(tǒng)設定前11s為酶電極的反應時間，后5.3s為酶電極的采集時間。對5.3s的電流面積積分，得到電量Q，再根據(jù)已知的血糖的濃度C0可以由公式求出標準系數(shù)K：

Q =∫I(t)dt = K C0     

K = Q/ C0

從而求出所測試的血糖濃度： 

Cx = Q/K

溫度是影響酶的活性及酶催化反應速度的重要因素之一[2]。因此要保證測量的精度，必須進行溫度補償。經(jīng)系統(tǒng)測試及相關的結果分析得到溫度補償公式如下：

Kt = 0.0133t + 0.067

考慮到溫度補償，因此，血糖濃度計算公式如下：

Cx = Q/（K ×Kt）
2.3通信軟件設計

Java手機操作系統(tǒng)都支持標準的J2ME MIDP1.0 Java標準。J2ME是SUN公司推出的針對嵌入式消費類電子產(chǎn)品的開發(fā)平臺。Motorola公司生產(chǎn)的Motorola388，A388C等手機不僅支持標準的J2ME MIDP1.0 Java標準，還推出了Motorola SDK for J2ME，實現(xiàn)了一些CLDC/MIDP提供的接口功能[3]。

手機與血糖儀通過串口連接，所以使用手機正確、實時地接收血糖儀發(fā)送的數(shù)據(jù)是關鍵。經(jīng)過多次實驗，采用多線程的開發(fā)模式可以準確、快速地讀取血糖儀發(fā)送至手機的數(shù)據(jù)。

在編寫串行通信程序時，要用到javax.microedition.io包中的Connector類和StreamConnection、InputStream和OutputStream 接口。在J2ME中所有的連接都是使用Connector類的open(String connect)方法建立的，不同的連接可以通過傳遞不同的參數(shù)connect實現(xiàn)[4,5,6,7,8]。

2.4在MotorolaA388上運行

基本按以下五個步驟：

(1)打包：編譯通過后，使用JBuilder Wizard菜單中的Archive Builder項，選擇Archive type為MIDlet，隨提示即可完成打包。

(2)在PC機上運行：運行MIDlet，更新打包文件：.jar與.jad文件。

(3)下載：用手機提供的數(shù)據(jù)線把手機和PC機串口相連，選擇手機上“通過數(shù)據(jù)線下載”菜單選項，再通過摩托羅拉388免費提供的一個名為pcjal.exe的下載工具，可很容易地將MIDlet下載到手機上。

(4)安裝：一般手機下載完一個J2ME程序后，就會自動進行安裝。將程序存儲在手機的指定位置里。

(5)在MotorolaA388C上運行：程序安裝完后，手機就會在程序菜單中顯示該應用程序，用戶選擇該菜單項后就可以運行程序。界面如圖4所示。

圖4  運行界面