基于射頻技術(shù)的穿戴式醫療儀器的設計

　　1 引 言

　　穿戴式醫療儀器可實(shí)現對人體非介入式、無(wú)創(chuàng )的醫療監測，具備可移動(dòng)操作、使用簡(jiǎn)便、長(cháng)時(shí)間持續工作等特點(diǎn)?？梢詼p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(fā)展越來(lái)越受到關(guān)注。目前，穿戴式醫療儀器在實(shí)現從人體上的監護儀器到用戶(hù)端上位機的無(wú)線(xiàn)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(lái)的普及是個(gè)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(jià)格低、傳 輸距離長(cháng)等特性，特別是高性?xún)r(jià)比射頻芯片的不斷出現，使得它的使用也越來(lái)越受青睞。本文設計了一種基于nRF905射頻芯片，來(lái)實(shí)現生理信號的無(wú)線(xiàn)傳輸。 同時(shí)，相對于其它類(lèi)似的設計，本設計還充分考慮了用戶(hù)生理信息的安全性，在數據無(wú)線(xiàn)傳輸前對數據進(jìn)行了加密處理，以保護用戶(hù)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(fā)射、接收及用戶(hù)主機幾個(gè)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(jìn)行加密處理后，再通過(guò)射頻發(fā)給用戶(hù)主機;主機將接收到的數據進(jìn)行后續處理。前端和后端之間可以通過(guò)射頻進(jìn)行相互的通訊。

　　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(jìn)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(lián)方式。

　　(2)放大濾波電路：經(jīng)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(jìn)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(dòng)態(tài)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(lái)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(chēng)阻容網(wǎng)絡(luò )陷波器，其優(yōu)點(diǎn) 在于可根據干擾源頻率和干擾強度進(jìn)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(dòng)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。由于上述電路的設計目前已經(jīng)相當成熟，本文對這些電路的具體設計就不再作詳細說(shuō)明。

　　2.2數據加密、解密

　　本設計采用nRF905射頻芯片實(shí)現數據的無(wú)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(shí)現數據的通訊。由于用戶(hù)的生理信號涉 及到用戶(hù)的隱私問(wèn)題怛J，因而為了保證用戶(hù)數據在無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)的安全性，必須對數據進(jìn)行加密處理，而這一步驟在類(lèi)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(lái)完成這一過(guò)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(gè)部分。它將一定長(cháng)度的明文分組進(jìn)行相應次的輪變換，每一次的密鑰都是由一定長(cháng)度的初始密鑰變換而來(lái)，最后得到加密好的密文分組，長(cháng)度和明文分組相同。解密時(shí)將密文分組進(jìn)行相同次數的逆變換，逆變換就是輪變換的逆過(guò)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(cháng)度。

　　2.3射頻發(fā)射、接收

　　本設計采用nRF905射頻芯片實(shí)現數據的無(wú)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，可由片內硬件自動(dòng) 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(shí)電流只有11m收模式時(shí)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(shí)保證傳輸速率以及傳輸距離。經(jīng)實(shí)際測量，在室內有墻壁阻隔，無(wú)劇烈運動(dòng)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(dòng)。無(wú)線(xiàn)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(lái)控制。其結構框圖如圖2所示：

　　圖2信號收發(fā)電路結構框圖

　　MCU和ARM9通過(guò)SPI總線(xiàn)來(lái)對nRF9部寄存器進(jìn)行配置，主要是對五類(lèi)寄存器進(jìn)行配置：一是射頻配置寄存器共10個(gè)字節，包括中心頻點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)發(fā) 送功率配置、接收靈敏度、收發(fā)數據的有效字節數、接收地址配置等重要信息;二是發(fā)送數據寄存器，共32字節，MCU要向外發(fā)的數據就需要寫(xiě)在這里;三是發(fā) 送地址，共4個(gè)字節，一對收發(fā)設備要正常通信，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(shí)到這里讀取;五是狀態(tài)寄存器，1個(gè)字節，含有地址匹配和數據就緒的信息，一般不用?？刂瓶偩€(xiàn)主要用來(lái) 選取nRF905不同的工作模式(4種模式，如表1所示);查詢(xún)nRF905當前的狀態(tài)(數據發(fā)送或接收是否完成);使能nRF905的SPI等。

　　表1 nRF905工作

　　2.3.2軟件設計

　　本設計前端采用C8051F330單片機來(lái)實(shí)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(jìn)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(zhù)MCU通過(guò)SPI總線(xiàn)對nRF9的五個(gè)積存器根據需要進(jìn)行配置。初始化完畢后，MCU查詢(xún)后端是否請求送數。當后端有請求送數時(shí)(通過(guò)nRF905向 前端發(fā)送特定的命令字)，MCU啟動(dòng)A/D轉換，然后將轉換后得到的數進(jìn)行加密，再通過(guò)nRF905發(fā)送給后端。后端的軟件設計流程跟前端點(diǎn)類(lèi)似，先對 ARM9和nRF905進(jìn)行初始化，然nRF905向前端發(fā)送送數請求，接著(zhù)進(jìn)行數據接收，將接收到的數據進(jìn)行解密，最后將解密后的數據再進(jìn)一步作后續處 理。特別要注意的是，在配置前后端的nRF905發(fā)送地址時(shí)，要注意發(fā)送端的發(fā)送地址應接收端設備的接收地址相同，在實(shí)際工作中nRF90可以自動(dòng)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(huì )被接受，并存儲在接收數據寄存器中。

　　圖3軟件設計流程

　　3 實(shí)驗結果

　　實(shí)驗中，為了避免AES加密的時(shí)間需求同A/D采樣率發(fā)生時(shí)問(wèn)上的沖突，首先對128位的AES加密C8051F330上的執行效率進(jìn)行了計算，發(fā)現 完成一密所需時(shí)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(wú)時(shí)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(shí)間上肯定能保證無(wú)沖突。實(shí)驗最后分別對心電和脈搏波進(jìn)行了監測，并將后端接收到的數據通過(guò)串口發(fā)送的PC機進(jìn)行顯示，顯示程序 采用的是VC6.0編寫(xiě)，顯示結果如圖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

　　本設計采用nRD05射頻芯片來(lái)實(shí)現穿戴式醫器中人體到用戶(hù)主機的生理信號無(wú)線(xiàn)傳輸。同時(shí)，本設計充分考慮了數據傳輸的安全性，對數據進(jìn)行了128的 AES加密處理。由實(shí)驗結果可以看出，本設計可以證生理信號的實(shí)時(shí)、安全、準確無(wú)線(xiàn)傳輸。同時(shí)，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(shí)監測多個(gè)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(xié)調性能都特別強，可以過(guò)添加一些硬件設備，如LCD，將后端作成一個(gè)手持備，或者添加一些如GPRS等遠程傳輸硬件， 實(shí)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(jìn)一步著(zhù)手的工作。