基于MSP430单片机和移动通信的血糖监护系统设计

1  血糖监护系统概述

糖尿病是危害人类健康的四大主要疾病之一，目前没有根治的办法，只能通过血糖监测对糖尿病加以控制。血糖仪的出现，大大方便了糖尿病患者自行监测血糖。为了能更好地利用无线网络资源，方便用户随时随地的测量，开发了一种基于移动通信的血糖监护系统。

基于移动通信的血糖监护系统由两大部分组成：手机血糖仪与糖尿病监护中心。工作模式如图1所示。糖尿病患者利用随身携带的手机血糖仪可随时监测血糖，监护中心通过GSM网络接收患者的血糖值，并反馈适当的诊断结论。

手机使用MotorolA388c，血糖仪是吉林大学仪器学院自主开发的以MSP430单片机与酶电极传感器等为主的血糖测试仪，通过串口连接手机，利用手机的键盘和液晶屏控制显示血糖测试结果。即，手机血糖仪是在保留手机原有各项功能的基础上，增加了血糖测试功能。

糖尿病监护中心硬件由一台服务器通过串口连接一个MC35无线通信模块构成，软件系统主要负责完成控制MC35接收短信以及患者信息管理及维护。

2  手机血糖仪的设计

2.1  系统硬件设计

基于MSP430单片机的血糖测试仪主要由酶电极传感器、信号处理、单片机数据采集处理以及单片机与手机的串行通讯几部分组成，如图2所示。酶电极传感器

图1  系统工作模式

采用三电极系统，分为参比电极、对极和工作电极。 前置信号处理采用模拟开关对电极接入电路情况进行控制，从而为系统提供不同的工作状态，信号处理采用放大器和低通滤波，将传感器的电流信号转换放大滤去高频干扰，为后续电路的数据采集提供质量较高的信号，血糖浓度的数据采集处理和串口数据通讯，采用TI公司的MSP430系列单片机为主控单元完成。另外，系统具有温度补偿功能，能补偿环境温度对系统测试结果的误差，提高测试结果的精度。血糖测试模块体积为3cm*1cm，这样可以放在手机壳里，做到血糖测试仪和手机融为一体，方便了用户的携带与检测。

图2  手机血糖仪系统框图

2.2血糖浓度测量原理

血糖浓度值的测定通过生物酶电极传感器，当血液滴入，在葡萄糖酶的催化作用下，传输电子物质在碳电极表面被强制性氧化，其氧化还原反应过程中形成的氧化电流跟葡萄糖浓度成线性关系，通过测定氧化电流的强度计算血糖浓度值[1]。

在电极上加0.4V的恒定工作电压, 当被测血样滴在电极的测试区后，电极上固定的葡萄糖氧化酶与血样中的葡萄糖发生化学反应。经过一定的滞后期，酶电极的响应电流将与被测血样中葡萄糖浓度呈线性关系，如图3所示。

图3  酶电极电流变化曲线

对应于2.2- 27.8mmol/L 的血糖浓度，酶电极的响应电流约为3—50μA。血糖仪就是通过这一对应关系来计算显示血样葡萄糖浓度值的。根据曲线可知酶电极上的反应电流在11s左右出现峰值，因此系统设定前11s为酶电极的反应时间，后5.3s为酶电极的采集时间。对5.3s的电流面积积分，得到电量Q，再根据已知的血糖的浓度C0可以由公式求出标准系数K：

Q =∫I(t)dt = K C0     

K = Q/ C0

从而求出所测试的血糖浓度： 

Cx = Q/K

温度是影响酶的活性及酶催化反应速度的重要因素之一[2]。因此要保证测量的精度，必须进行温度补偿。经系统测试及相关的结果分析得到温度补偿公式如下：

Kt = 0.0133t + 0.067

考虑到温度补偿，因此，血糖浓度计算公式如下：

Cx = Q/（K ×Kt）
2.3通信软件设计

Java手机操作系统都支持标准的J2ME MIDP1.0 Java标准。J2ME是SUN公司推出的针对嵌入式消费类电子产品的开发平台。Motorola公司生产的Motorola388，A388C等手机不仅支持标准的J2ME MIDP1.0 Java标准，还推出了Motorola SDK for J2ME，实现了一些CLDC/MIDP提供的接口功能[3]。

手机与血糖仪通过串口连接，所以使用手机正确、实时地接收血糖仪发送的数据是关键。经过多次实验，采用多线程的开发模式可以准确、快速地读取血糖仪发送至手机的数据。

在编写串行通信程序时，要用到javax.microedition.io包中的Connector类和StreamConnection、InputStream和OutputStream 接口。在J2ME中所有的连接都是使用Connector类的open(String connect)方法建立的，不同的连接可以通过传递不同的参数connect实现[4,5,6,7,8]。

2.4在MotorolaA388上运行

基本按以下五个步骤：

(1)打包：编译通过后，使用JBuilder Wizard菜单中的Archive Builder项，选择Archive type为MIDlet，随提示即可完成打包。

(2)在PC机上运行：运行MIDlet，更新打包文件：.jar与.jad文件。

(3)下载：用手机提供的数据线把手机和PC机串口相连，选择手机上“通过数据线下载”菜单选项，再通过摩托罗拉388免费提供的一个名为pcjal.exe的下载工具，可很容易地将MIDlet下载到手机上。

(4)安装：一般手机下载完一个J2ME程序后，就会自动进行安装。将程序存储在手机的指定位置里。

(5)在MotorolaA388C上运行：程序安装完后，手机就会在程序菜单中显示该应用程序，用户选择该菜单项后就可以运行程序。界面如图4所示。

图4  运行界面