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用RF如何設(shè)計穿戴式醫(yī)療儀器呢?

發(fā)布時間:2015-01-19 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】本文講解的是基于RF技術(shù)的穿戴式醫(yī)療儀器的設(shè)計思路,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)進行了加密處理,以保護用戶的健康隱私。
 
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??梢詼p少病人的生理和心理負擔(dān),達到更好的檢測效果。因此,它的發(fā)展越來越受到關(guān)注。
  
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??梢詼p少病人的生理和心理負擔(dān),達到更好的檢測效果。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(xiàn)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(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)進行了加密處理,以保護用戶的健康隱私。
  
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)進行加密處理后,再通過射頻發(fā)給用戶主機;主機將接收到的數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。前端和后端之間可以通過射頻進行相互的通訊。
總體設(shè)計框圖
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)相當成熟,本文對這些電路的具體設(shè)計就不再作詳細說明。
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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100kbs。
  
2.3.1硬件連接
  
設(shè)計中,前端采用C8051F330單片機(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:
信號收發(fā)電路結(jié)構(gòu)框圖
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(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??;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
 nRF905工作
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2.3.2軟件設(shè)計
  
本設(shè)計前端采用C8051F330單片機來實的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)需要進行配置。初始化完畢后,MCU查詢后端是否請求送數(shù)。當后端有請求送數(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進行初始化,然nRF905向前端發(fā)送送數(shù)請求,接著進行數(shù)據(jù)接收,將接收到的數(shù)據(jù)進行解密,最后將解密后的數(shù)據(jù)再進一步作后續(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。
軟件設(shè)計
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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機進行顯示,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:
實驗結(jié)果
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等遠程傳輸硬件,實現(xiàn)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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