基于无线传感器网络的心电监护系统设计

基于无线传感器网络的心电监护系统设计

摘要：针对当前远程心电监护系统的局限性以及无线传感器网络在医疗领域应用中的广泛前景和优越性，设计了一种基于无线传感器网络的远程心电监护系统。以超低功耗微处理器MSP430为核心的心电监护节点和基于S3C2440的监护基站设备构成一个微型传感器网络，节点监测到的心电信息初步处理后通过无线多跳的方式传输到基站设备，并在基站的LCD上显示。同时，基站利用一个10M/100M自适应以太网接口接入因特网，实现远程监控。该系统的应用还可以扩展到其他疾病的监护，在医院和养老院有着广泛的应用前景。关键字：无线传感器网络，心电监护，MSP430，S3C2440

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域。

心电监护是医疗监护的一项重要内容[1]。目前，国外的许多公司，例如松下、索尼、惠普、西门子等都在研制相应的远程心电监护系统。国内一些单位也正积极致力于这方面研究工作，国内厂家基本上以OEM方式引入国外模块开发各种监护产品。但是分析当前研究，它们存在可移动性差、设备复杂、成本较高以及智能型不强等缺陷。

而在20世纪90年代末掀起了无线传感器网络[2]（WSN）的研究热潮，WSN是传感技术，通信技术，微机电技术，嵌入式技术，分布式计算技术等多门学科交叉的技术[3]，具有网络自组织性、动态拓扑性、多跳路由、低功耗、节点成本低等特点。无线传感器网络的

这些特点使得无线传感器网络在远程医疗护理领域有着广泛的应用前景[4]。基于上述背景，我们提出了基于无线传感器网络的远程心电监护仪的设计与开发，解决了长期以来心电监护仪成本高、功耗高、可移动性不强、网络无法动态变化等瓶颈，为远程心电监护提供了更加方便、快捷的技术实现手段。

2.系统的基本架构

基金项目：浙江省科技创新人才专项新苗人才计划

作者简介：董齐芬（1985—），女，浙江富阳，控制理论与控制工程2007级；孙友统（1985—），男，浙江温州，控制理论与控制工程2007级；王微（1983—），女，浙江上虞，控制理论与控制工程2006级；姚忠孝（1984—），男，浙江临安，计算机2007级；

图1 基于无线传感器网络的远程心电监测示意图

整个系统的基本构架如图1所示，待监测区的每个用户身上佩戴具有心电信息采集功能的低成本、低功耗的微传感器节点，监护基站设备和用户身上的无线心电监测传感器节点构成一个微型无线传感器自组织分布式网络。各节点获得的心电数据通过无线多跳的通信方式将数据传输到监测基站，基站设备对收到的传感器数据信息进行初步处理和分析，并将数据在该设备的LCD液晶显示屏显示。同时基站通过以太网的方式接入远程网络，传送到远程端的信息将由远程端的监护中心或者医院管理中心的专业医疗人员进行统计与分析，并及时对被监护者进行信息反馈、提出忠告和建议等。

3.心电监护系统设计

远程心电监护网络整个系统主要由三部分组成:以MSP430F133为核心的心电监测节点；以S3C2440为核心的嵌入式监护基站；以NRF2401为核心的无线收发模块。

心电监测节点研究

节点硬件设计

电池供电的心电监测节点的处理器采用TI公司的超低功耗微处理器MSP430F149[5]。人体心电信号首先经过导联电极由低噪声、高输入阻抗、高增益、高共模抑制比的生物信号前置放大器进行放大和滤波，由单片机自带的A/D转换器将模拟心电信号转换成数字信号，根据信号的幅值可以调整放大器的增益，通过无线模块发送到基站设备。心电监测节点的功能框图如图2所示，

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它可以分为电源管理模块、心电信号采集的模拟电路部分和数字电路部分。下面分别一一介绍。

图2 心电监测节点功能框图

1、电源电路：这里的电源电路主要有两片芯片：MAX1759，MAX1697。MAX1759是稳压电源芯片，输入为+—+,输出。可以提供100mA 的电流。适合于单颗锂电

池或2—3节碱性电池供电的手持式便携设备。MAX1697是负电源芯片，输入为+—+,输出为输入值的负值，可以提供60mA 的电流。节点采用两节的碱性电池供电，利用稳压电源芯片MAX1759输出VCC=的电压供节点的各个模块使用。同时，VCC 连接到MAX1697的输入引脚和使能引脚，MAX1697产生VEE=的负电源供需要正负双电源供电的仪表放大器AD620使用。

当节点正常工作时，电池电压与MSP430F133单片机的ADC 模块的引脚直接相连，当单片机监测到电池电压低于时，发出警报，提醒用户更换电池。

2、心电信号的检测与采集：心电信号幅值在～4mV ，频率在～100Hz 。而检测中存在的主要干扰信号有电极

板与人之间的极化电压、50Hz 工频干扰、仪器内部噪声和仪器周围电场磁场电磁场的干扰等等[6]

。则心电信号采集可采用如图3所示的硬件结构。

MSP430的ADC 模

块

图3 心电采集电路框图

前置放大电路主要由ANALOG DEVICES 公司生产的仪表放大器AD620构成。AD620是一种低价格,高精度仪表放大器, 很适宜于医疗仪器，它仅需要一只外接电阻便可设置增益为1至1000。为了

能承受一定的极化电压，第一级的放大倍数不能太大（太大会导致放大器饱和），这里使用的电阻为Ω，所以第一级的放大倍数约为14。因为人体处在工频电场之中，人体上有很大的共模电压，这也是仪器的最大干扰之一，为了消除这个干扰，仪器必

须接一个参考电极在人体上，并且这个参考电极必须要以低阻抗回路接地。这里使用了右腿驱动电路。其工作原理是将电路中的共模电压提取出来，再通过负反馈的形式加载到人体，从而抑制整个系统中的共模干扰。

图4是二级放大和带通滤波电路，主要由运算放大器LMC6464组成。C6和R17构成了一个高通滤波器，R12和C7构成了一个低通滤波器。该电路中,C6＝1uF ，R17＝330K ，C6＝10000Pf ，R11＝100K ，则由截至频率的计算公式：

f=1/(2 RC) 可求得fL=，fH=159Hz ，故能够比较理 想的滤除心电信号中的噪声（心电信号的频率范围～100 Hz ）。

因为心电信号是双极性的（存在负电压），而MSP430片上集成的A/D 转换模块的参考电压为0－，所以在A/D 转换前必须把心电信号的基线抬高。LM385－是一个精密的基准电源，可在15uA 到20mA 范围内产生电压，为了增强它的驱动能力，后面接了一个电压跟随电路。

3、数字部分电路设计：这部分电路主要芯片是MSP430F149。它是由TI 设计的一块系统级MCU ，拥有丰富的口资源和外设资源，自带A/D,内部有60K 的Flash ，2K 的ram ，具有超低的功耗，并且带