基于ZigBee无线传感心电图监视仪

概述

　　本文设计了基于ZigBee 无线传感网络的家庭远程医疗监护器，通过基于ARM7核的LPC2478提供的集成LCD支持将图像显示出来 ，同时将信号存储在SD卡上，并通过10/100以太网传输给医院，医院反馈信息并将其显示在LCD上，同时社区诊所的协调器网关把诊断结果无线返回给相应的家庭并在家庭LCD上显示出来，用户可以将结果传输到家庭计算机上进行存储。该设计可以方便地构建健康检测网络，不用复杂的操作便可以得到医生的诊断，十分适合家庭用户的使用。

　　系统实现

　　该系统中的传感器用来检测心电图的微弱信号，再经过放大滤波等调理之后进行编码，然后通过ZigBee无线模块发送到基于ARM和ZigBee协调器模块的网关，通过外围接口发送到上位机进行显示处理，然后通过以太网传送给社区诊所，诊所再将每个人的信息通过ZigBee无线模块返回给各自的家庭，并在LCD上显示医院反馈的处理信息。通过合理选择芯片能够实现低功耗、低成本，检测微弱的心电图波形变化。

　　技术特点

　　1. 利用LPC2478可以实现多种高带宽外设同步操作进行信息处理并实时显示。

　　2. 采用基于CC2430的ZigBee无线传输，低成本、低功耗、自组网能力强、传输可靠、体积小、易携带。

　　3. 社区诊所可以存储整个社区业主的诊断结果，可以针对各业主的诊断结果进行必要的提醒、预防，有效降低发病率。

　　4. 用户可以将诊断结果存储在家庭计算机上，方便备用。

　　硬件平台

　　嵌入式无线传感心电图监视仪硬件部分主要包括主控、电源及复位、LCD显示屏、ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee端点、传感器及放大滤波调理电路、SD卡存储、10/100以太网等9个功能模块。硬件设计框图如图1所示。

　　主控模块

　　该模块采用了基于ARM7TDMI-S内核的LPC2478微控制器，其功能强大、性价比高，含有一个LCD控制器，支持10/100以太网、全速(12Mbps)USB2.0、USB OTG和2个CAN2.0B通道，4个UART，1个SPI接口，2个同步串行接口(SSP)，3个I2C和1个I2S接口，带有片上高速512KB的 Flash、98kB的RAM、一个外部存储器接口、10位A/D和D/A转换器、一个内部RC振荡器和一个SD 存储卡接口，从而消除了通信带宽瓶颈，方便扩展USB接口、JTAG调试接口、触摸屏，外扩芯片少，而且采用超小的LQFP208封装，使得仪器的微型化得到了保证，其强大的功能能够满足嵌入式系统mC/OS—II及人性化的人机界面的要求。LPC2478非常适合便携式电子产品应用。

　　ZigBee模块

　　在CC2430芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，其增强的8051MCU核的性能是工业标准8051微控制器内核性能的8倍;具有32/64/128 kB可编程闪存和8 kB的RAM;还含有8输入通道8～14 bit可选的模/数转换器(ADC)、4个定时器;带有2个强大的支持几组协议的USART;较宽的电压范围(2.0～3.6 V);硬件支持CSMA/CA功能;在休眠模式下仅0.9mA的电流损耗，外部中断或RTC能唤醒系统，在待机模式下电流损耗低于0.6mA，外部中断能唤醒系统;集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机;具有优良的无线电接收灵敏度和强大抗干扰性;集成度高，所需外围器件少;扩展板包含有串口和LCD显示器等，用于数据串行传输和数据显示。

信号采集与调理

　　采用低功耗、高精度的仪表放大器AD620作为前置放大器的核心器件。AD620具有高精度、高输入阻抗、低输入偏置电流、低输入失调电流、低噪声、低功耗、体积小等特点，非常适合应用于医疗仪器系统。低通滤波器电路采用巴特沃斯四阶滤波器TLC04，该器件成本低、易使用，提供精密的四阶低通滤波器功能。缓冲器为一个同相电压跟随器，其作用是为了提高系统输入阻抗和共模抑制比。限波器采用双T带阻滤波器，用来滤除50Hz的工频干扰。主级放大器采用满电源输出幅度四运算放大器TLC2274，它提供优秀的AC性能，且提供比普通CMOS运放更低的噪声、低输入失调电压和低功耗性能。

　　ZigBee路由节点的程序流程图如图2所示。

　　数据处理及显示描述

　　本设计采用差分阈值法检测QRS波，其基本思想是：对滤波后的 ECG 信号进行差分运算，求出差分的阈值以确定 QRS 波形的下降沿，再根据一定的时间窗和幅度阈值来确定QRS 波的特征点。

　　采用扫描式心电描记法，其主要原理是：从左到右画点，依次显示出相应的位置，同时新的点又将原来的点覆盖掉，中间有一段缓冲区刷掉旧点。画到最右端时，又从最左端画下一幅图，并且一直重复下去。上位机显示波形图如图3。