基于低功耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、嵌入式技術(shù)EmbeddedTechnology基于低功耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*甘廣輝1，童蕾2，陳超敏1(1.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510515；2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510515)摘要：提出了一種基于低功耗無線藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)方案。系統(tǒng)通過低功耗藍(lán)牙4.0（BLE4.0）技術(shù)組建無線藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)胎心率、宮縮壓和胎動(dòng)生理信號(hào)的采集與傳輸，并針對(duì)生理信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行算法優(yōu)化，提高了使用的便捷性和監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。通過手機(jī)與無線傳感器的連接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)胎兒的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。關(guān)鍵詞：移動(dòng)健康；低功耗藍(lán)牙4.0英文引用格式：GanGuangh

2、ui，TongLei，ChenChaomin.DesignofhouseholdfetalmonitoringsystemwithwirelessnetbasedonBluetoothlowpowerconsumptionJ.ApplicationofElectronicTechnique，2015，41(8)：34-36，46.DesignofhouseholdfetalmonitoringsystemwithwirelessnetbasedonBluetoothlowpowerconsumptionGanGuanghui1，TongLei2，ChenChaomin1(1.SchoolofB

3、iomedicalEngineering，SouthernMedicalUniversity，Guangzhou510515，China；2.GuangdongVocationalCollegeofMechanicalandElectricalTechnology，Guangzhou510515，China)Abstract：AschemeofhouseholdfetalmonitoringsystembasedonthenetofBluetoothlowenergyisdiscussedinthisarticle.Thesystemcollectsandtransmitsfetalheart

4、rate,uterinecontractionandfetalmovementwiththenetofwirelesssensorbasedonBLE4.0andprocessesthemonitordatawithalgorithmoptimizationaccordingtothefeaturesofphysiologicalsignal，whichimprovesthesystemsconveniencetouseandaccuracyofdeviceapplication.TheAndroidsmartdeviceconnectswithwirelesssensortodis-play

5、,monitorandstoragethedifferentfetalphysiologicalparameterrealtime.Keywords：mobilehealthy;Bluetoothlowenergy4.00引言母胎監(jiān)護(hù)是保障圍產(chǎn)期孕婦和胎兒安全、實(shí)現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育的重要手段，醫(yī)生通過對(duì)胎心率、宮縮壓、胎動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估來診斷胎兒在宮內(nèi)的健康情況，從而確定最佳的分娩時(shí)機(jī)，降低胎兒的死亡率1。傳統(tǒng)的胎兒監(jiān)護(hù)儀一般存在以下一些問題：(1)孕產(chǎn)婦身上捆綁多個(gè)傳感器，有太多電纜纏繞；(2)基層醫(yī)院因?yàn)榧夹g(shù)門檻高而無法展開電子監(jiān)護(hù)；(3)監(jiān)護(hù)儀局限于醫(yī)院使用，不能應(yīng)用于家庭使用。針對(duì)以上問題，本

6、文利用無線藍(lán)牙技術(shù)與智能手機(jī)的結(jié)合，提出了一種家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，孕婦只需佩戴內(nèi)置藍(lán)牙模塊的無線傳感器，就可以隨時(shí)隨地獲取胎兒監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù),智能手機(jī)接收無線傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)胎兒的移動(dòng)監(jiān)護(hù)。集模塊、藍(lán)牙通信模塊以及智能設(shè)備監(jiān)護(hù)模塊等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中系統(tǒng)的從節(jié)點(diǎn)包括胎心率傳感器、宮縮壓力傳感器和胎動(dòng)傳感器；主節(jié)點(diǎn)為智能設(shè)備，本系統(tǒng)采用手機(jī)作為藍(lán)牙智能監(jiān)護(hù)設(shè)備，因?yàn)槭謾C(jī)應(yīng)用比較廣泛，價(jià)格便宜，并且只要編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序（APP）即可輕易地與藍(lán)牙從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及通過Internet將監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送至醫(yī)院。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計(jì)的家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括信號(hào)采期嵌入

7、式技術(shù)EmbeddedTechnology求，本無線藍(lán)牙模塊采用美國德州儀器開發(fā)的藍(lán)牙低功耗(BLE4.0)單模式芯片CC2540。CC2540在6mm×6mm的封裝中集成了控制器、主機(jī)與應(yīng)用，可縮小PCB板的物理尺寸，降低開發(fā)成本。該模塊采用BluetoothSpecificationV4.0BLE協(xié)議，并且集成了2.4GHz的射頻收發(fā)器。該芯片工作頻率可達(dá)32MHz，具有8通道分辨率可編程的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)，并且一個(gè)CC2540主節(jié)點(diǎn)最多可以與8個(gè)CC2540從節(jié)點(diǎn)連接，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求2圖2宮縮壓力信號(hào)采集電路圖。BLE4.0是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速

8、率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議，是傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和高速藍(lán)牙三種技術(shù)的合而為一，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)250kb/s，傳輸距離可達(dá)30m，并且具有極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗。表1為CC2540的低功耗參數(shù)?？s壓力信號(hào)的頻率為0.58Hz。通過定義CC2540的Timer3定時(shí)器中斷處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宮縮壓力的采集，采集的頻率為20Hz。1.4胎動(dòng)信號(hào)采集模塊胎動(dòng)(FetalMovement,FM)是指胎兒在子宮內(nèi)的活動(dòng)，是胎兒安危的重要指標(biāo)1。本設(shè)計(jì)所采用的胎動(dòng)壓力傳感器是GH-2型子宮收縮傳感器，該傳感器能夠檢測(cè)出子宮收縮次數(shù)，量程為0g150g，輸出電壓大于50mV。表1CC2540低功耗參數(shù)

9、項(xiàng)目接收模式/mA發(fā)送模式（6dBm）/mA其他模式1（3s喚醒）/A其他模式2（睡眠定時(shí)器運(yùn)行）/A其他模式3（外部中斷）/A寬電源電壓范圍/V參數(shù)輸出電壓經(jīng)濾波放大等調(diào)理電路后，再經(jīng)DSP對(duì)胎動(dòng)信號(hào)進(jìn)行AD采樣和胎動(dòng)信號(hào)識(shí)別，CC2540通過UART(串口)方式接收識(shí)別的胎動(dòng)信號(hào)。其傳輸格式與傳輸胎心率的格式相同。2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)工作主流程低功耗無線藍(lán)牙胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)的主要工作流程圖包括以下幾個(gè)部分：1.2胎心率信號(hào)采集模塊本系統(tǒng)采用超聲多普勒方式采集胎心率信號(hào)。超聲多普勒的測(cè)量方式根據(jù)聲源在時(shí)域的狀態(tài)可分為連續(xù)波多普勒和脈沖波多普勒。脈沖多普勒采用單晶

10、片、深度范圍可控的換能器，在同等發(fā)射功率下，脈沖多普勒方式超聲功率密度更小，可小于1.5mW/cm3，低于國際的規(guī)定的安全密度(10mW/cm3)，對(duì)胎兒更為安全3。胎心率信號(hào)采集模塊經(jīng)脈沖時(shí)序產(chǎn)生電路驅(qū)動(dòng)換能器，換能器將回波信號(hào)經(jīng)過濾波放大和DSP處理得到胎心率，胎心率的傳輸頻率為13Hz。CC2540通過UART(串口)方式傳輸數(shù)字胎心率信號(hào)，其波特率為9600b/s、8bit數(shù)據(jù)位、無校檢、無停止位,工作模式為從機(jī)模式,數(shù)據(jù)包通過異或校檢方式，數(shù)據(jù)的傳輸格式為:包頭+包長度+胎心率數(shù)據(jù)+校檢位+包尾。等。(1)系統(tǒng)的各個(gè)藍(lán)牙模塊的初始化配置，包括ADC、UART、廣播、連接間隔等。(2)

11、胎心率、宮縮壓、胎動(dòng)信號(hào)的采集、分析、計(jì)算等。(3)手機(jī)應(yīng)用軟件的初始化配置，包括掃描時(shí)間、連接個(gè)數(shù)、圖形顯示(4)藍(lán)牙模塊與手機(jī)設(shè)備連接通信，藍(lán)牙模塊接收來自藍(lán)牙設(shè)備的控顯示和存儲(chǔ)。圖3主程序流程圖制命令，手機(jī)接收和解析來自各藍(lán)牙模塊的有效數(shù)據(jù)并1.3宮縮信號(hào)采集模塊宮縮是指孕婦子宮有規(guī)律的收縮，宮縮壓是孕婦產(chǎn)檢的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它能對(duì)孕婦的早產(chǎn)和流產(chǎn)起到預(yù)警作用4。宮縮壓力的量程為0200g，且是微壓力，因此測(cè)量的非線性度應(yīng)小于2%，本設(shè)計(jì)選擇體積小、適用于要求高精度觸力測(cè)量場(chǎng)合的霍尼韋爾FSL05N2C觸力傳感器。FSL05N2C觸力傳感器的量程為0500g，靈敏度為2.2手機(jī)監(jiān)護(hù)端手機(jī)監(jiān)

12、護(hù)端必須支持藍(lán)牙4.0和網(wǎng)絡(luò)功能，如PDA、手機(jī)等。本系統(tǒng)選擇魅族公司生產(chǎn)的魅族4（MX4）手機(jī)作為監(jiān)護(hù)端應(yīng)用軟件的開發(fā)設(shè)備，其硬件配置為：8核CPU、2G內(nèi)存、5.3英寸的顯示屏、藍(lán)牙4.0、移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)等，安卓軟件開發(fā)工具為Android4.4版本。手機(jī)監(jiān)護(hù)端與胎心率、宮縮壓、胎動(dòng)3個(gè)無線藍(lán)牙傳感器連接，并實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式為:包ID+包長度+數(shù)據(jù)+校檢位，通過包ID識(shí)別胎心、宮縮、胎動(dòng)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的手機(jī)監(jiān)護(hù)端結(jié)構(gòu)如圖4所示。其功能包括：實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、病歷報(bào)告、監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及界面交互等。手0.12mV/g，支持電壓為5V，輸出量程為0mV60mV。如圖2所示為宮縮壓力信號(hào)采集

13、的硬件部分，主要包括觸力傳感器電橋、信號(hào)放大、低通濾波等。當(dāng)電橋受外力失去平衡，電橋的IN+和IN-產(chǎn)生電位差，電位差輸入到高輸入阻抗和共模抑制比的差模儀表放大器中放大。宮電子技術(shù)應(yīng)用2015年第41卷第8期35嵌入式技術(shù)EmbeddedTechnology牙模塊根據(jù)輸出電壓與宮縮壓力表達(dá)式將采樣值換算成壓力值，并發(fā)送到手機(jī)監(jiān)護(hù)端進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。圖6所示是正常采集的宮縮壓力曲線圖。圖4應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)機(jī)監(jiān)護(hù)端以數(shù)字和曲線的形式顯示胎心率、宮縮壓、胎動(dòng)，并對(duì)監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)的文件為二進(jìn)制文件，存儲(chǔ)格式為胎心率+宮縮壓+胎動(dòng)（0或1）+空位（0）。宮縮壓幅值/mmHg時(shí)間/s圖6宮縮壓力曲線3胎兒

14、生理信號(hào)的處理與分析3.1胎心率分析自相關(guān)算法是超聲多普勒測(cè)量胎兒心率中最常用的方法5。利用自相關(guān)函數(shù)的周期與信號(hào)周期一致的特點(diǎn)找出自相關(guān)函數(shù)的周期，即可得到胎兒心率的值6。其算法的過程為：讀取多普勒胎心率原始回波信號(hào)x(n)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并進(jìn)行自相關(guān)算法。假設(shè)數(shù)據(jù)的長度為N，為控制因子，則自相關(guān)算法的表達(dá)式：R(m)=N-m-13.3胎動(dòng)信號(hào)分析胎動(dòng)信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，從母腹部提取的胎動(dòng)信號(hào)成分比較復(fù)雜，如宮縮壓信號(hào)、呼吸咳嗽等混合的信號(hào)，信噪比很低。因此需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波等處理。FIR數(shù)字濾波器對(duì)濾波有很好的性能，通過對(duì)設(shè)計(jì)的濾波系數(shù)進(jìn)行量化移植到DSP芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)胎動(dòng)信號(hào)的濾波處理。

15、胎動(dòng)信號(hào)是以二值信號(hào)在藍(lán)牙中傳輸，即0代表無胎動(dòng)，1代表有胎動(dòng)，在監(jiān)護(hù)的過程中，手機(jī)監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)胎動(dòng)值判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)胎動(dòng)的計(jì)數(shù)以及存儲(chǔ)。1n=0x(n)x(n+m)。通過自適應(yīng)控制實(shí)時(shí)調(diào)整控制因子使自相關(guān)函數(shù)隨時(shí)延的衰減程度在不同的胎心率值下不同，始終保證自相關(guān)函數(shù)最大周期峰值在第一周期處,得到自相關(guān)函數(shù)R(m)的曲線，求出第一周期處峰值處的序列號(hào)Rf。若采樣率為f(s)，則胎心率S(r)的值與自相關(guān)函數(shù)的序列號(hào)Rf和采樣率f(s)的關(guān)系為：S(r)=(f(s)×60)×4結(jié)果與討論本文介紹了一種基于低功耗無線藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試，在不漏包的情況下，無線連接

16、的距離范圍為015m，滿足家用監(jiān)護(hù)的距離。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性，利用設(shè)計(jì)的胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與某醫(yī)療器械公司生產(chǎn)的基于RF(無線射頻)的無線胎兒監(jiān)護(hù)儀(B5)進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)。在連接距離為12m的空曠房間內(nèi)，測(cè)試時(shí)間為24h，將正常的胎心率、宮縮壓和胎動(dòng)數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)絻蓚€(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中。將本系統(tǒng)存儲(chǔ)的胎兒監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)和B5監(jiān)護(hù)儀的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在傳輸距離為12m的條件下，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)功能全面，界面友好，成本比較低，連接時(shí)間更快；(2)通過手機(jī)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，應(yīng)用性更加廣泛；(3)功耗低，在相同電量的電池下，本系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間更長。對(duì)比結(jié)果如表2所示，在距離12m的

17、空曠條件下傳輸，各個(gè)監(jiān)護(hù)參數(shù)的傳輸正確率達(dá)到100%，未出現(xiàn)漏包的情況。遠(yuǎn)程無線胎兒電子監(jiān)護(hù)已成為圍產(chǎn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中家庭監(jiān)護(hù)及社區(qū)監(jiān)護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，有著非常廣泛的應(yīng)用意義和發(fā)展前景8-9。將互聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，將胎兒數(shù)據(jù)上傳到醫(yī)院服務(wù)器，醫(yī)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、備份、管理等，可以提前預(yù)測(cè)和解決胎兒疾病。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為國內(nèi)外智能化醫(yī)療與移動(dòng)健康事業(yè)的發(fā)展提供了參考，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。(下轉(zhuǎn)第46頁)Rf。如圖5所示是采集的正常胎心率信號(hào)。胎心率/bpm時(shí)間/s圖5胎心率信號(hào)3.2宮縮壓分析根據(jù)FSL05N2C觸力傳感器的原理，其IN+和IN-產(chǎn)生的電壓差Vo與宮縮壓力的關(guān)系

18、表達(dá)式為：Vo=0.12(mv/g)×UC(g)7。Vo經(jīng)過放大濾波電路最終輸出的電壓表達(dá)式為：Vout=(1+Rf)Vo，其電壓輸出范圍為03V。10本系統(tǒng)通過CC2540以20Hz的頻率、14位分辨率、3.3V參考電壓對(duì)Vout進(jìn)行AD采樣，模擬輸入電壓Vout與數(shù)字AD值N(ADC)的關(guān)系為：N(ADC)=Vout×16389/3.3(V)。藍(lán)36期MicroelectronicTechnologyMechatronics，1994，4(1)：37-53.7陳偉娜，賴乙宗，李松，等.數(shù)控系統(tǒng)線性加減速算法分析與實(shí)現(xiàn)J.科學(xué)技術(shù)與工程，2012(3)：546-550.2

19、朱明，游有鵬，何均.S形加減速算法前瞻處理研究J.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2011(10)：2140-2144.3陳曉兵，廖文和.基于分段刀軌S曲線加減速控制的進(jìn)給速度優(yōu)化研究J.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，20128王昕，王均偉，饒志，等.基于NURBS曲線軌跡規(guī)劃與速度規(guī)劃的研究J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008(15)：3973-3980.(10)：44-47.4劉筱，吳文江，鄭飂默.柔性S型加減速控制算法研究J.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014(3)：66-68.(收稿日期：2015-01-30)作者簡介：程文雅（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：運(yùn)動(dòng)控制器，數(shù)控機(jī)床多軸運(yùn)動(dòng)控制。高敏（

20、1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)。李盛培(1986-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術(shù)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。5CHENCS，LEEAC.DesignofaccelerationdecelerationprofilesinmotioncontrolbasedondigitalFHRfiltersJ.JournalofMachineTools&Manufacture，2001，38：799-825.6KIMDI，JEONJW，KIMS.Softwareacceleration/decelera-tionmethodsforindustrialr

21、obotsandcncmachingtoolsJ.!(上接第36頁)表2對(duì)比結(jié)果系統(tǒng)名稱本設(shè)計(jì)傳輸距離/m胎心正確率/%宮縮正確率/%胎動(dòng)正確率/%功耗(24h)/mAh連接速度網(wǎng)絡(luò)模型星型拓?fù)湫切屯負(fù)浔O(jiān)護(hù)終端手機(jī)專用設(shè)備1212100100100100100100100876810ms/次12s/次B5參考文獻(xiàn)1程志厚，宋樹良.胎兒電子監(jiān)護(hù)學(xué)M.北京：人民衛(wèi)生出版社，2001.7趙爽，田謙益.FSL05N2C觸力傳感器原理及在分娩監(jiān)護(hù)儀中的應(yīng)用J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(22)：1-2.8王幼萍，陸堯勝.遠(yuǎn)程胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及其臨床意義的研究J.臨床醫(yī)學(xué)工程，2010，17(1)：11-1

22、3.3謝淵，陸堯勝.基于RF技術(shù)的無線胎心監(jiān)護(hù)探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.臨床醫(yī)學(xué)工程，2012，19(4)：500-502.9趙澤，崔莉.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)J.信息與控制，2006，35(2)：265-269.(收稿日期：2015-03-26)作者簡介：甘廣輝（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程與儀器、虛擬儀器設(shè)計(jì)。童蕾（1966-），女，碩士，主要研究方向：空調(diào)制冷節(jié)能環(huán)保技術(shù)。陳超敏（1966-），男，博士，教授，主要研究方向：精確放射治療技術(shù)、醫(yī)用機(jī)器人。4胡婭莉，羅月娥.宮縮曲線及胎心在監(jiān)護(hù)中的意義J.實(shí)用婦產(chǎn)科雜志，1999(3)：6-7.5BOLEYD，GINIM，GROSSR.PartitioningbasedclusteringforwebdocumentcategorizationJ.DecisionSupportSystems，1999，27(3)：329-341.6楊曉峰，張大龍.一種用于檢測(cè)胎兒心率的改進(jìn)自相關(guān)算法J.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41(4)：407-411.(上接第39頁)!(收稿日期：2015-02-13)電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(6)：18-22.作者簡