基于射頻技術(shù)的穿戴式醫(yī)療儀器的設(shè)計

1 引 言

穿戴式醫(yī)療儀器可實現(xiàn)對人體非介入式、無創(chuàng)的醫(yī)療監(jiān)測，具備可移動操作、使用簡便、長時間持續(xù)工作等特點。可以減少病人的生理和心理負(fù)擔(dān)，達(dá)到更好的 檢測效果。因此，它的發(fā)展越來越受到關(guān)注。目前，穿戴式醫(yī)療儀器在實現(xiàn)從人體上的監(jiān)護(hù)儀器到用戶端上位機(jī)的無線傳輸手段包括藍(lán)牙、射頻、紅外等。從現(xiàn)有文 獻(xiàn)看，以藍(lán)牙的使用最為廣泛。但藍(lán)牙的成本高，這對于儀器未來的普及是個很大的障礙。紅外的傳輸距離短、抗干擾差，現(xiàn)在已基本不使用。射頻具有價格低、傳 輸距離長等特性，特別是高性價比射頻芯片的不斷出現(xiàn)，使得它的使用也越來越受青睞。本文設(shè)計了一種基于nRF905射頻芯片，來實現(xiàn)生理信號的無線傳輸。 同時，相對于其它類似的設(shè)計，本設(shè)計還充分考慮了用戶生理信息的安全性，在數(shù)據(jù)無線傳輸前對數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密處理，以保護(hù)用戶的健康隱私。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)由生理信號采集電路、數(shù)據(jù)加密、射頻發(fā)射、接收及用戶主機(jī)幾個模塊組成，如圖1所示。首先由采集電路獲取所要監(jiān)測的生理數(shù)據(jù);然后將 獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理后，再通過射頻發(fā)給用戶主機(jī);主機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。前端和后端之間可以通過射頻進(jìn)行相互的通訊。

圖1總體設(shè)計框圖

2.1采集電路

采集電路主要是由傳感器電路、放大濾波電路及A/D轉(zhuǎn)換等組成。

(1)傳感器電路：傳感器是將所要監(jiān)測的生理信號轉(zhuǎn)化為電信號，監(jiān)測不同的生理信號需要采用不同的傳感器。在本設(shè)計中，主要對心電和脈搏波進(jìn)行監(jiān)測，采用的傳感器是貼片電極和紅外光電傳感器，心電檢測采用的是三導(dǎo)聯(lián)方式。

(2)放大濾波電路：經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后得到的生電信號一般幅值較低，且?guī)в泻艽蟮脑肼暩蓴_，必須進(jìn)行放大濾波處理。放大電路的放大倍數(shù)需綜合考慮傳感器 獲取的生理信號的幅值大小以及A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍。本設(shè)計中，心電和脈搏波的放大倍數(shù)都采用1000倍。濾波處理包括帶通濾波和50波。設(shè)計中，帶通 濾波采用的是二階有源帶通濾波電路，心電和脈搏波對應(yīng)的帶寬分別為0.1Hz一1和0.1 Hz～30Hz。50Hz工頻干擾是生理信的噪聲來源，50Hz干擾消除的效果直接決定了最獲取信號的好壞。本設(shè)計采用的是非對稱阻容網(wǎng)絡(luò)陷波器，其優(yōu)點 在于可根據(jù)干擾源頻率和干擾強度進(jìn)行陷波頻率和Q值的調(diào)節(jié)。

(3)A/D轉(zhuǎn)換：設(shè)計中采用的是10位的A換器，其動態(tài)范圍為-2.7V一2.7V，心電的采樣為200Hz，而脈搏波的采樣頻率為60Hz。由于上述電路的設(shè)計目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，本文對這些電路的具體設(shè)計就不再作詳細(xì)說明。

2.2數(shù)據(jù)加密、解密

本設(shè)計采用nRF905射頻芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無射和接收，任何相同的芯片，只要內(nèi)部寄存器配置一致，它們之間就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊。由于用戶的生理信號涉 及到用戶的隱私問題怛J，因而為了保證用戶數(shù)據(jù)在無線傳輸時的安全性，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，而這一步驟在類似的研究中常常被忽略掉【3。J。在本設(shè)計 中，采用了AES∞o(Advanced EncrypStandard)軟件加密算法來完成這一過程。常用的硬件加密，一方面提高儀器的輕便性，另一方面又可以降低儀器的成本。AES算法是分組 加密的方法，分為加密和解密兩個部分。它將一定長度的明文分組進(jìn)行相應(yīng)次的輪變換，每一次的密鑰都是由一定長度的初始密鑰變換而來，最后得到加密好的密文分組，長度和明文分組相同。解密時將密文分組進(jìn)行相同次數(shù)的逆變換，逆變換就是輪變換的逆過程，從而得到原始的明文分組。

AES支持128、192或256比特三種密設(shè)計采用的是128位密鑰長度。

2.3射頻發(fā)射、接收

本設(shè)計采用nRF905射頻芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無傳輸。nRF905是挪威Nordic公司推出發(fā)射器芯片，32引腳QFN封裝(5×5mm)壓為 1.9V一3.6V，工作于433/868/ISM頻道(可以免費使用)。nRF905可以處理字頭和CRT(循環(huán)冗余碼校驗)的工作，可由片內(nèi)硬件自動 完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以一10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11m收模式時電流為 12.5mA。nRF905不僅戴式醫(yī)療儀器低功耗的要求，并且能同時保證傳輸速率以及傳輸距離。經(jīng)實際測量，在室內(nèi)有墻壁阻隔，無劇烈運動的情況下，傳 輸距離達(dá)到30m以上，因而被監(jiān)測者可以在室內(nèi)自由活動。無線傳輸丟包率在1/10 000內(nèi)，能保證傳輸數(shù)據(jù)不丟失。最大輸速率可達(dá)100kbs。

2.3.1硬件連接

設(shè)計中，前端采用C8051F330單片機(jī)(MC現(xiàn)對nRF905的控制，而后端采用s3C2440(ARM9)來控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2信號收發(fā)電路結(jié)構(gòu)框圖

MCU和ARM9通過SPI總線來對nRF9部寄存器進(jìn)行配置，主要是對五類寄存器進(jìn)行配置：一是射頻配置寄存器共10個字節(jié)，包括中心頻點、無線發(fā) 送功率配置、接收靈敏度、收發(fā)數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)、接收地址配置等重要信息;二是發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，共32字節(jié)，MCU要向外發(fā)的數(shù)據(jù)就需要寫在這里;三是發(fā) 送地址，共4個字節(jié)，一對收發(fā)設(shè)備要正常通信，就需要發(fā)送端的發(fā)送地址與接收端的接收地址配置相同;四是接收數(shù)據(jù)寄存器，共32字節(jié)，nRF905接收到 的有效數(shù)據(jù)就存儲在這些寄存器中，MCU可以在需要時到這里讀取;五是狀態(tài)寄存器，1個字節(jié)，含有地址匹配和數(shù)據(jù)就緒的信息，一般不用?？刂瓶偩€主要用來 選取nRF905不同的工作模式(4種模式，如表1所示);查詢nRF905當(dāng)前的狀態(tài)(數(shù)據(jù)發(fā)送或接收是否完成);使能nRF905的SPI等。

表1 nRF905工作

2.3.2軟件設(shè)計

本設(shè)計前端采用C8051F330單片機(jī)來實的A/D轉(zhuǎn)換以及對nRF905的控制。C80部自帶10位的A/D轉(zhuǎn)換器、支持SPI通訊、體積功耗低 且運行快，因而有很廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計的前端軟件設(shè)計流程圖3所示：首先是對MCU進(jìn)行初始化，包括A/D轉(zhuǎn)換器以及SPI通訊方式所對應(yīng)的寄器的設(shè)置。 接著MCU通過SPI總線對nRF9的五個積存器根據(jù)需要進(jìn)行配置。初始化完畢后，MCU查詢后端是否請求送數(shù)。當(dāng)后端有請求送數(shù)時(通過nRF905向 前端發(fā)送特定的命令字)，MCU啟動A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)進(jìn)行加密，再通過nRF905發(fā)送給后端。后端的軟件設(shè)計流程跟前端點類似，先對 ARM9和nRF905進(jìn)行初始化，然nRF905向前端發(fā)送送數(shù)請求，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最后將解密后的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步作后續(xù)處 理。特別要注意的是，在配置前后端的nRF905發(fā)送地址時，要注意發(fā)送端的發(fā)送地址應(yīng)接收端設(shè)備的接收地址相同，在實際工作中nRF90可以自動濾除地 址不相同的數(shù)據(jù)，只有地址匹配且校驗正確的數(shù)據(jù)才會被接受，并存儲在接收數(shù)據(jù)寄存器中。

圖3軟件設(shè)計流程

3 實驗結(jié)果

實驗中，為了避免AES加密的時間需求同A/D采樣率發(fā)生時問上的沖突，首先對128位的AES加密C8051F330上的執(zhí)行效率進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn) 完成一密所需時間約3.8ms。這同設(shè)計中心電和脈搏波的采樣率(分別為5ms和16.7鵬)剛好無時間沖突。后端采用的是S3C2440，它的執(zhí)行速度 要比C80高出許多，因而時間上肯定能保證無沖突。實驗最后分別對心電和脈搏波進(jìn)行了監(jiān)測，并將后端接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送的PC機(jī)進(jìn)行顯示，顯示程序 采用的是VC6.0編寫，顯示結(jié)果如圖4和圖5所示：

圖4 接收到的心電信號

圖5 接收到的脈搏信號

4 總結(jié)

本設(shè)計采用nRD05射頻芯片來實現(xiàn)穿戴式醫(yī)器中人體到用戶主機(jī)的生理信號無線傳輸。同時，本設(shè)計充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，對?shù)據(jù)進(jìn)行了128的 AES加密處理。由實驗結(jié)果可以看出，本設(shè)計可以證生理信號的實時、安全、準(zhǔn)確無線傳輸。同時，可以看出，由于前端的控制芯片采用的是MCU，其處理速度 限。因而，如果要監(jiān)測頻率范圍更高的生理信號(如心音：3Hz—S00H2)或者同時監(jiān)測多個生理參數(shù)，用更高處理速度的芯片，如DSP。此外，設(shè)計的后 端采的是ARM9，它的處理速度、協(xié)調(diào)性能都特別強，可以過添加一些硬件設(shè)備，如LCD，將后端作成一個手持備，或者添加一些如GPRS等遠(yuǎn)程傳輸硬件， 實現(xiàn)信號遠(yuǎn)程傳輸，從而更大地提高該儀器的功能。這些也是我們以后將進(jìn)一步著手的工作。