基于射頻技術的穿戴式醫療儀器的設計

2015-03-24 來源:互聯網 我要評論(0) 字號:

1、引言

穿戴式醫療儀器可實現對人體非介入式、無創的醫療監測,具備可移動操作、使用簡便、長時間持續工作等特點。可以減少病人的生理和心理負擔,達到更好的 檢測效果。因此,它的發展越來越受到關注。目前,穿戴式醫療儀器在實現從人體上的監護儀器到用戶端上位機的無線傳輸手段包括藍牙、射頻、紅外等。從現有文獻看,以藍牙的使用最為廣泛。但藍牙的成本高,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,使得它的使用也越來越受青睞。本文設計了一種基于nRF905射頻芯片,來實現生理信號的無線傳輸。同時,相對于其它類似的設計,本設計還充分考慮了用戶生理信息的安全性,在數據無線傳輸前對數據進行了加密處理,以保護用戶的健康隱私。

2、系統結構的設計

本設計的總體結構由生理信號采集電路、數據加密、射頻發射、接收及用戶主機幾個模塊組成,如圖1所示。首先由采集電路獲取所要監測的生理數據;然后將獲取的數據進行加密處理后,再通過射頻發給用戶主機;主機將接收到的數據進行后續處理。前端和后端之間可以通過射頻進行相互的通訊。

基于射頻技術的穿戴式醫療儀器的設計

圖1、總體設計框圖

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轉換等組成。

(1)傳感器電路:傳感器是將所要監測的生理信號轉化為電信號,監測不同的生理信號需要采用不同的傳感器。在本設計中,主要對心電和脈搏波進行監測,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聯方式。

(2)放大濾波電路:經傳感器轉換后得到的生電信號一般幅值較低,且帶有很大的噪聲干擾,必須進行放大濾波處理。放大電路的放大倍數需綜合考慮傳感器 獲取的生理信號的幅值大小以及A/D轉換器的動態范圍。本設計中,心電和脈搏波的放大倍數都采用1000倍。濾波處理包括帶通濾波和50波。設計中,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。本設計采用的是非對稱阻容網絡陷波器,其優點 在于可根據干擾源頻率和干擾強度進行陷波頻率和Q值的調節。

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

2.2、數據加密、解密

本設計采用nRF905射頻芯片實現數據的無射和接收,任何相同的芯片,只要內部寄存器配置一致,它們之間就能實現數據的通訊。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據在無線傳輸時的安全性,必須對數據進行加密處理,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行相應次的輪變換,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行相同次數的逆變換,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比特三種密設計采用的是128位密鑰長度。

2.3、射頻發射、接收

本設計采用nRF905射頻芯片實現數據的無傳輸。nRF905是挪威Nordic公司推出發射器芯片,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(循環冗余碼校驗)的工作,可由片內硬件自動 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的輸出功率發射時電流只有11m收模式時電流為12.5mA。nRF905不僅戴式醫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。經實際測量,在室內有墻壁阻隔,無劇烈運動的情況下,傳 輸距離達到30m以上,因而被監測者可以在室內自由活動。無線傳輸丟包率在1/10 000內,能保證傳輸數據不丟失。最大輸速率可達100kbs。

2.3.1、硬件連接

設計中,前端采用C8051F330單片機(MC現對nRF905的控制,而后端采用s3C2440(ARM9)來控制。其結構框圖如圖2所示:

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圖2、信號收發電路結構框圖

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

表1、nRF905工作

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2.3.2、軟件設計

本設計前端采用C8051F330單片機來實的A/D轉換以及對nRF905的控制。C80部自帶10位的A/D轉換器、支持SPI通訊、體積功耗低 且運行快,因而有很廣泛的應用。本設計的前端軟件設計流程圖3所示:首先是對MCU進行初始化,包括A/D轉換器以及SPI通訊方式所對應的寄器的設置。 接著MCU通過SPI總線對nRF9的五個積存器根據需要進行配置。初始化完畢后,MCU查詢后端是否請求送數。當后端有請求送數時(通過nRF905向 前端發送特定的命令字),MCU啟動A/D轉換,然后將轉換后得到的數進行加密,再通過nRF905發送給后端。后端的軟件設計流程跟前端點類似,先對ARM9和nRF905進行初始化,然nRF905向前端發送送數請求,接著進行數據接收,將接收到的數據進行解密,最后將解密后的數據再進一步作后續處 理。特別要注意的是,在配置前后端的nRF905發送地址時,要注意發送端的發送地址應接收端設備的接收地址相同,在實際工作中nRF90可以自動濾除地 址不相同的數據,只有地址匹配且校驗正確的數據才會被接受,并存儲在接收數據寄存器中。

基于射頻技術的穿戴式醫療儀器的設計

圖3、軟件設計流程

3、實驗結果

實驗中,為了避免AES加密的時間需求同A/D采樣率發生時問上的沖突,首先對128位的AES加密C8051F330上的執行效率進行了計算,發現 完成一密所需時間約3.8ms。這同設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行了監測,并將后端接收到的數據通過串口發送的PC機進行顯示,顯示程序 采用的是VC6.0編寫,顯示結果如圖4和圖5所示:

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圖4、接收到的心電信號

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圖5、接收到的脈搏信號

4、總結

本設計采用nRD05射頻芯片來實現穿戴式醫器中人體到用戶主機的生理信號無線傳輸。同時,本設計充分考慮了數據傳輸的安全性,對數據進行了128的 AES加密處理。由實驗結果可以看出,本設計可以證生理信號的實時、安全、準確無線傳輸。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,如果要監測頻率范圍更高的生理信號(如心音:3Hz—S00H2)或者同時監測多個生理參數,用更高處理速度的芯片,如DSP。此外,設計的后 端采的是ARM9,它的處理速度、協調性能都特別強,可以過添加一些硬件設備,如LCD,將后端作成一個手持備,或者添加一些如GPRS等遠程傳輸硬件, 實現信號遠程傳輸,從而更大地提高該儀器的功能。這些也是我們以后將進一步著手的工作。

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