基于nRF4O1的呼吸暫停無線監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：基于單片機AT89C2051和InRF401的呼吸暫停無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現了呼吸暫停監(jiān)測的無線化和可移動性，并且能對患者是否出現過呼吸暫停以及暫停次數進行方便、有效的監(jiān)測。該系統(tǒng)充分利用了nRF40l單片無線收發(fā)芯片和AT89C205l單片機內核，在體積、重量、操作簡單性等方面都取得了很大突破；另外采用了一種高效的呼吸信號新型采集方法，使信號處理更加簡單、準確。該系統(tǒng)能在基本不影響人們睡眠的狀況下進行有效的呼吸監(jiān)測，將監(jiān)測結果提供給醫(yī)生并作為醫(yī)療參考，以能夠給被測病人提供個性化治療方案。
關鍵詞：呼吸暫停；臨測：無線系統(tǒng)：DS18B20

0 引言
    隨著科技的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對睡眠生理、病理日益重視。經醫(yī)學研究表明：打鼾的人很有可能患有“呼吸暫停綜合癥”。呼吸暫停的定義是指呼吸道停止氣流達10s以上。如夜間打鼾且伴有間歇性呼吸暫停30次以上，每次暫停時間超過10s以上即可被診斷為“呼吸暫停綜合癥”。這是一種潛在的致死性疾病。長期患“呼吸暫停綜合癥”可引起高血壓、心律失常甚至導致死亡。國外醫(yī)學界對此類疾病的研究十分重視，且已取得重大成果。目前醫(yī)生在診斷睡眠呼吸暫停癥時常使用夜間睡眠呼吸多項生理監(jiān)測儀，記錄一整夜的睡眠周期，其中包括呼吸暫停以及呼吸變淺的次數、型態(tài)、缺氧指數、次數、心電圖的變化、口鼻腔氣流、胸腹部呼吸運動、耳垂血氧等信號的記錄、打鼾次數等情形。雖然這些儀器測量較準確，但需要在身上配戴多種儀器，也必須在特定的醫(yī)院中由專業(yè)人士操作才能進行測量，非常不方便，并且也容易影響患者的睡眠，所以不適合做長期的監(jiān)測。并且這樣的儀器價格昂貴，患者更不會買來在家庭使用。針對上述缺點，設計了本套無線監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用簡單、基本不影響睡眠、價格低廉；適合在居家睡眠環(huán)境下做長期自測和與醫(yī)生進行醫(yī)療遠程互動，以達到幫助醫(yī)生了解患者病情的目的。

1 系統(tǒng)設計概述
    本系統(tǒng)采用433MHz的無線收發(fā)芯片。nRF401，外圍電路很少，并且不需要對數據進行曼徹斯特編碼，只需利用單片機來控制該收發(fā)芯片的工作過程。利用數字溫度傳感器DSl8820進行呼吸信號提取，然后利用由單片機控制的無線收發(fā)系統(tǒng)的發(fā)射部分將提取出的呼吸信號發(fā)射出去；經過接收模塊，將接收到的呼吸信號傳送到單片機中進行處理，從而將呼吸暫停出現的次數顯示出來。原理框圖如圖1所示。

2 呼吸信號提取和無線收發(fā)
2．1 呼吸信號提取電路的選擇
    首先想到的是采用壓力法，但由于口、鼻腔處的壓力變化很微弱，并且弱壓傳感器的靈敏度很高，容易受各種因素的影響，造成誤動作，故壓力法不宜采用。我們知道人的呼吸是通過鼻子或嘴，所以在鼻子和嘴巴附近可以放置多個溫度傳感器，通過溫度的變化將呼吸信號提取出來，而作為數字溫度傳感器的DSl8820就能滿足此要求。
    DSl8B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A／D轉換精度，測溫分辨率可達0．0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DSl8820可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DSl8820通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，其應用電路如圖2所示。

2．2 呼吸信號的的發(fā)射部分
    采用的nRF401是一個433MHZ ISM頻段設計的真正單片UHF無線收發(fā)芯片，它采用FSK調制解調技術，nRF401最高工作頻率可以達到20k，發(fā)射功率可以調整，最大發(fā)射功率為+10dBm。利用單片機對發(fā)射部分進行設置，通過發(fā)射模塊將承載呼吸信號的數字信號發(fā)射出去，其原理框圖如圖3所示。

2．3 接收部分和單片機的處理
    無線接收模塊收到發(fā)射機發(fā)來的信號后，將其傳送到另一單片機上進行信號的處理，對呼吸暫停持續(xù)時間進行定時測定，當呼吸暫停超過10s時計數，將結果利用數碼管進行動態(tài)顯示，從而實現監(jiān)測呼吸暫停次數的目的。如圖4所示。

2．4 對于單片機的軟件設計
    本系統(tǒng)的工作主要是利用單片機來進行控制，包括呼吸信號的提取，無線收發(fā)模塊的傳輸協(xié)議和收發(fā)方式的設置，以及顯示和報警部分，都是利用單片機來進行的，其總體的程序設計流程圖如圖5所示。

2．4．1對于DSl8B20的軟件設計
    雖然數字傳感器的硬件接法比較簡單，但在測量溫度時有嚴格的時序要求。一旦時序出現錯誤，那么溫度的讀取和顯示就不能正確進行，在編寫程序時這個問題需要著重考慮，例如我們采用中斷時，就要考慮中斷的執(zhí)行對于單片機工作整個時序的影響。DSl8B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。寄存器R1、R0決定溫度轉換的精度位數：R1RO=“00”，9位精度，最大轉換時間為93．75ms；RlR0=“01”，10位精度，最大轉換時間為187．5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉換時間為375ms；R1R0=“1l”，12位精度，最大轉換時間為750ms；未編程時默認為12位精度。我們采用器件默認的12位轉化。
2．4．2 對于nRF401的編程
    由于直接采用的點對點的收發(fā)，所以直接利用單片機將收發(fā)芯片設置為“收”或“發(fā)”模式。對于Standby與RX之間的切換，從待機模式到接收模式，當PWR_UP輸入設成1時，經過近3ms時間后，DOUT腳輸出數據才有效。從待機模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時間是也為3ms。Power Up與TX間的切換，從加電到發(fā)射模式過程中，為了避免開機時產生干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當由上電進入發(fā)射模式時，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數據。在接收部分，同樣利用單片機的P1口各管腳分別控制NRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個腳即可。
2．4．3 對于呼吸信號處理的編程
    將接收到的呼吸信號接入接收部分單片機中，對溫度值進行處理。我們知道，被傳感器采集到的人體溫度大約33℃，但如果利用溫度的高低值來作為是否出現呼吸暫停的依據，這種方法會受周圍溫度的影響，若溫度過高，該系統(tǒng)就會出現誤判的情況。所以我們利用的是提取溫度的變化量，盡管周圍溫度有影響，但由于人體呼吸而導致的呼吸變化總能準確地判斷出來。經過調試，這種思想很好地解決了因周圍溫度變化所帶來的干擾。
2．4．4 對于顯示電路的程序
    當溫度在10s或lOs以上還沒出現變化時，將計數器加一，如果存在呼吸暫停，但沒有達到10s，則定時器清零，重新返回程序。

3 結束語
    本文主要介紹了一個可以進行呼吸暫停無線監(jiān)測的系統(tǒng)，提出了一種新型的提取呼吸信號的方法，此系統(tǒng)不僅可以實現呼吸暫停的遠距離監(jiān)測，在監(jiān)測上還具有很高的穩(wěn)定性和準確性。我們利用此呼吸暫停監(jiān)測系統(tǒng)進行實際的檢測，取被測個體12人，其有效率和準確率達到90％，只有在附近環(huán)境電磁場強烈干擾時時才會造成