基于WPAN的脈搏血氧飽和度檢測儀設(shè)計方案
[導(dǎo)讀] 脈搏和血氧飽和度反映了人體的重要生理狀態(tài),相關(guān)的測量方法和測量設(shè)備在臨床中已得到廣泛使用,比如脈搏血氧飽和度檢測儀。脈搏血氧飽和度檢測儀目前主要應(yīng)用在手術(shù)室、ICU病房等,用于危重病人的生命體征的監(jiān)護(hù)。雖然
脈搏和血氧飽和度反映了人體的重要生理狀態(tài),相關(guān)的測量方法和測量設(shè)備在臨床中已得到廣泛使用,比如脈搏血氧飽和度檢測儀。脈搏血氧飽和度檢測儀目前主要應(yīng)用在手術(shù)室、ICU病房等,用于危重病人的生命體征的監(jiān)護(hù)。雖然血氧飽和度和心率等指標(biāo)在體育科研、非臥床病人的監(jiān)護(hù)及特殊場合(如軍事領(lǐng)域)也有重要意義,但由于目前該類設(shè)備皆為集中式控制,設(shè)備體積較大、使用不方便、價格昂貴、可管理性差,限制了相關(guān)應(yīng)用。
為解決這些問題,本文介紹了基于無線個域網(wǎng)(WPAN)設(shè)計的脈搏血氧飽和度檢測儀。WPAN是為在小范圍內(nèi)的設(shè)備間建立無線連接而開發(fā)的無線傳輸技術(shù),IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會已為此制定了IEEE802.15.X標(biāo)準(zhǔn)。本文涉及的傳輸技術(shù)符合專門針對低速WPAN制定的IEEE802.15.4(ZigBee)標(biāo)準(zhǔn)。
1 系統(tǒng)的組成及功能
基于WPAN的脈搏血氧飽和度檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
檢測儀移動采集終端的功能:檢測人體的血氧飽和度、脈搏和脈搏強(qiáng)度,并通過WPAN通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給檢測系統(tǒng)主站。檢測儀移動采集終端分為檢測探頭、血氧飽和度監(jiān)測模塊、電源和WPAN通信模塊等部分。檢 測探頭和血氧飽和度檢測模塊為外購的OEM模塊,是美國BCI公司的產(chǎn)品,它利用光電法和比爾定理,從而實現(xiàn)無創(chuàng)檢測。檢測儀移動采集終端還支持一種獨(dú)立工作方式,這種工作方式適合于連續(xù)非實時工作的情況。
檢測儀主站的功能:通過WPAN接口接收并存儲檢測儀移動采集終端發(fā)出的信息;按操作者的指令在顯示屏上顯示移動終端傳來的實時信息或歷史數(shù)據(jù);當(dāng)檢測參數(shù)超出門限值時發(fā)出報警信號;可根據(jù)需要通過快速以太網(wǎng)接口與后臺的支持管理系統(tǒng)通信,以完成更復(fù)雜的管理功能。一個檢測儀主站可連接多個檢測儀移動采集終端,不僅增加了使用的方便性,而且提高了主站的利用率并降低了系統(tǒng)的使用成本。除檢測探頭和血氧飽和度檢測模塊外,系統(tǒng)其余部分全部為自行設(shè)計,下面分別予以介紹。
2 檢測儀移動采集終端的設(shè)計與實現(xiàn)
檢測儀移動采集終端WPAN通信模塊的功能:經(jīng)WPAN通信模塊接收檢測儀主站的命令,對命令解析后通過RS2232接口向血氧飽和度檢測模塊發(fā)出控制命令;接收血氧飽和度監(jiān)測模塊的采集數(shù)據(jù)和反饋控制信息,經(jīng)預(yù)處理和打包后經(jīng)WPAN通信模塊發(fā)送給檢測儀主站。
2.1 檢測儀移動采集終端通信模塊硬件設(shè)計
檢測儀移動采集終端WPAN通信模塊的硬件組成如圖2所示。
(1)MCU部分功能和實現(xiàn)
MCU部分是WPAN通信模塊的核心,完成通信模塊各組成部分的控制、協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)的加工。具體功能:通過RS232接口與血氧飽和度檢測模塊通信,實現(xiàn)對它的控制和配置,并接收檢測數(shù)據(jù);通過SPI接口和狀態(tài)指示接口實現(xiàn)對RF收發(fā)器的配置和檢測,并完成發(fā)射和接收的數(shù)據(jù)交換;通過USART接口與數(shù)據(jù)存儲器連接,完成數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作;通過電源檢測和狀態(tài)指示部分,監(jiān)測電源電壓情況,并能通過狀態(tài)指示產(chǎn)生報警提示。
(2)RF收發(fā)器的功能和實現(xiàn)
RF收發(fā)器的功能是實現(xiàn)要傳輸數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。具體功能包括:通過SPI接口完成與MCU部分的數(shù)據(jù)交換,數(shù)據(jù)內(nèi)容包括要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和來自MCU部分的控制和配置信息;根據(jù)來自MCU的控制和配置信息調(diào)整相關(guān)的RF參數(shù);通過狀態(tài)和指示接口將傳輸狀態(tài)反饋給MCU;通過天線完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收;完成WPAN的物理層功能,實現(xiàn)物理層的協(xié)議處理。該部分采用Chipcon公司CC2420實現(xiàn)。
(3)數(shù)據(jù)存儲器的功能和實現(xiàn)
數(shù)據(jù)存儲器的功能是緩沖血氧飽和度檢測模塊的采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的緩沖主要應(yīng)用在無線連接不可靠的情況。數(shù)據(jù)存儲器在無線連接不通暢、無法完成采集數(shù)據(jù)的及時傳送時緩沖積聚的數(shù)據(jù),以便在數(shù)據(jù)通路恢復(fù)時傳送這些數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)存儲器的另一個功能是在移動采集終端離線使用時存儲采集數(shù)據(jù),這適合對監(jiān)測對象的長期非實時的狀態(tài)跟蹤。
數(shù)據(jù)存儲器采用ATMEL公司的新型FLASH芯片AT45DB041實現(xiàn)。當(dāng)移動采集終端工作在離線狀態(tài)時,采集數(shù)據(jù)存儲在該存儲器中,數(shù)據(jù)存儲可持續(xù)時間大于48h,如采用壓縮技術(shù)存儲數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)存儲持續(xù)時間大于168h。
2.2 檢測儀移動采集終端的軟件實現(xiàn)
檢測儀移動終端的軟件是基于Webit510操作系統(tǒng)開發(fā)的。Webit510具有如下特點(diǎn):面向8/16位低成本微控制器;完全搶占式事件驅(qū)動的固定優(yōu)先級調(diào)度程序;支持256個優(yōu)先級,相同優(yōu)先級任務(wù)遵循FIFO調(diào)度策略;采用信號量機(jī)制實現(xiàn)同步或互斥共享;定時器管理支持一次性和周期性定時;精簡、高效的動態(tài)內(nèi)存管理策略;流設(shè)備管理;支持多級目錄的文件系統(tǒng);內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧;支持運(yùn)行任務(wù)的單步調(diào)試。
檢測儀移動終端的軟件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3 檢測儀主站的設(shè)計與實現(xiàn)
檢測儀主站的主要功能:經(jīng)WPAN接口與移動采集終端通信,實現(xiàn)對移動采集終端的控制,并接受來自移動采集終端的采集數(shù)據(jù);通過顯示器模塊以字符或圖形方式顯示采集的歷史數(shù)據(jù)或?qū)崟r數(shù)據(jù);通過觸摸屏以菜單形式完成控制或查詢命令的輸入;按用戶要求實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的管理和挖掘,存儲采集的歷史數(shù)據(jù)并具備歷史數(shù)據(jù)的自動清除和鎖定功能;具備快速以太網(wǎng)接口,通過該接口可實現(xiàn)與后臺管理系統(tǒng)的連接。
3.1 檢測儀主站的硬件設(shè)計
檢測儀主站的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。下面分別介紹各主要部分的組成及其功能。
(1)CPU部分的功能和實現(xiàn)
CPU部分完成主站各組成部分的控制、協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)的加工。具體功能:通過系統(tǒng)總線與存儲器相連,完成相關(guān)數(shù)據(jù)的加工、處理和存儲;通過LCD接口與彩色液晶顯示器相連,實現(xiàn)信息的顯示,以實現(xiàn)人機(jī)交互;通過觸摸屏接口與觸摸屏相連,實現(xiàn)控制命令的輸入;通過總線接口與以太網(wǎng)控制器相連,可將檢測儀接入后臺支持網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)系統(tǒng)信息的集中化管理和與后臺管理系統(tǒng)的融合;通過SPI接口和狀態(tài)指示接口實現(xiàn)對RF收發(fā)器的配置和檢測,并完成發(fā)射和接收的數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)與檢測儀移動終 端的通信;通過電源和外圍電路,實現(xiàn)對系統(tǒng)的供電。
(2)檢測儀主站存儲器的功能和實現(xiàn)
存儲器的功能是存儲系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序,存儲移動采集終端采集的歷史數(shù)據(jù)并提供程序運(yùn)行的存儲器空間。
(3)快速以太網(wǎng)接口的功能和實現(xiàn)
為實現(xiàn)與后臺管理系統(tǒng)的協(xié)作,檢測儀主站提供一個快速以太網(wǎng)接口。通過該接口,可方便主站與醫(yī)院的病歷管理系統(tǒng)、計費(fèi)系統(tǒng)、或其他應(yīng)用單位的后臺業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)的連接。
(4)人機(jī)交互界面的設(shè)計
一些專家指出:對于用戶,人機(jī)界面就是系統(tǒng)本身。因此人機(jī)界面在系統(tǒng)中占有重要地位。本系統(tǒng)中,人機(jī)界面的硬件部分由彩屏LCD顯示器和觸摸屏組成,觸摸屏用于輸入各種控制/查詢命令和各種初始數(shù)據(jù),LCD顯示器用于返回各種命令的操作結(jié)果和顯示各種監(jiān)測數(shù)據(jù)或監(jiān)測曲線。顯示器采用SHARP公司的LQ035Q7DB02[10]實現(xiàn),該屏為具有配套觸摸屏的彩色LCD。
(5)WPAN接口
WPAN接口實現(xiàn)檢測儀移動終端與檢測儀主站的通信,與檢測儀移動終端的RF收發(fā)器部分基本相同。
3.2 檢測儀主站的軟件實現(xiàn)
檢測儀主站的軟件是基于ARMLinux開發(fā)的。自20世紀(jì)80年代末以來,陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng),但其高昂的價格令人望而卻步,且源代碼的封閉性也大大限制了開發(fā)者的積極性。因此,結(jié)合國內(nèi)外具體情況,選擇了ARMLinux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺。檢測儀主站的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
ARMLinux內(nèi)核主要由5個子系統(tǒng)組成:進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口和進(jìn)程間通信。進(jìn)程調(diào)度控制進(jìn)程對CPU的訪問;內(nèi)存管理允許多個進(jìn)程安全共享主內(nèi)存區(qū)域;虛擬文件系統(tǒng)隱藏了各種硬件的具體細(xì)節(jié),為所有的設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口;網(wǎng)絡(luò)接口提供了對各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持;進(jìn)程間通訊(IPC)支持進(jìn)程間各種通信機(jī)制。
顯示處理模塊和觸摸屏處理模塊共同完成人機(jī)交互。顯示處理模塊完成采集數(shù)據(jù)的圖形或字符顯示,并根據(jù)用戶操作顯示各級菜單;觸摸屏處理模塊與顯示處理模塊配合完成各種控制或命令信息的輸入。
嵌入式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的管理、查詢和維護(hù)等操作。
4 實現(xiàn)結(jié)果
基于WPAN的血氧飽和度檢測儀的原型機(jī)已開發(fā)成功并通過測試。
測試結(jié)果如下:各參數(shù)的測量精度與所選擇的血氧飽和度監(jiān)測模塊完全相同;一個檢測儀主站最多可同時與64個檢測儀移動采集終端通信,并保證傳輸和顯示的正確性和實時性;無線傳輸速率為250kb/s;無線傳輸距離可達(dá)75m(根據(jù)使用條件的變化會有所改變)。
測試結(jié)果表明,檢測儀完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo),具有廣闊的市場前景。
5 結(jié)論
基于WPAN的血氧飽和度檢測儀的研制,大大擴(kuò)展了設(shè)備的適用范圍,在設(shè)備的實用性、方便性、可管理性及適用范圍等方面有了極大提高;由于一個主站可連接多個移動采集終端,大大降低了使用成本。
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