第２２卷第ｌ１期 ２００９年１１月 传感技术学报 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ ｖ０１．２２ Ｎｏ．１１ ＮＯＶ．２００９ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｗｅａｒａｂｌｅ Ｐｕｌｓｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｍｏｄｕｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｚｉｇｂｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＹＡＮＧ Ｙｉｈｕａ，ＷＵ Ｘｉａｏｍｉｎｇ ，ＣＥＮＲＰ ｉｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｎｅｗ ｗｅａｒａｂｌｅ ｐｕｌｓｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ Ｚｉｇｂｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｕｌｓｅ ｓｉｇｎ￣ ．ｗａｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅｎ ｐｒｅｐｍｃｅｓｓｅｄ ａｎｄ ｓｅｎｔ ｔｏ ＣＣ２４３０ ｆｏｒ ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｊｕｄｇｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ＰＣ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ Ｚｉｇｂｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｄ，ｄｉｓｐｌａｙｅｄ，ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｃａｒｅ－ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｗｉｒｅ— ｌｅｓｓ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｒ ｆｐｕｌｓｅ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｆａｍｉｌｙ ｃａｒｅ．． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｚｉｇｂｅｅ；ＣＣ２４３０；ｗｅａｒａｂｌｅ；ｐｕｌｓｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ． ＥＥＡＣＣ：７２３０Ｊ 基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的穿戴式脉搏波检测模块的研制＊ 杨易华，吴效明 ，岑人经 （华南理工大学生物医学工程系，广州５１０００６） 摘 要：介绍了一种新型的基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的穿戴式脉搏波检测模块。利用压力传感器提取出脉搏波信号，经过预处理后， 送至ＣＣ２４３０进行模数转换，对数据进行判断和处理，再利用Ｚｉｇｂｅｅ技术组成的无线传感器网络把数据打包发送到ＰＣ机，然 后由监护软件对数据进行处理、分析和显示。该模块实现了脉搏波的无线实时检测，具有微型化、低功耗等特点，适用于家庭 的便携式移动监护。 关键词：Ｚｉｇｂｅｅ；ＣＣ２４３Ｏ；穿戴式；脉搏波检测 中图分类号：Ｒ３１８ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ０Ｏ４一ｌ６９９（２００９）１１－１５３８－０４ 心血管疾病是威胁人类健康的主要疾病之一， 而人体内部各个生理系统之问是相互耦合的，其病 理状态能在脉搏波波形和波速上表现出来，通过对 脉搏波的无创检测和分析，可以提取出血压信息（如 收缩压、舒张压和平均动脉压）、血流信息（如心搏出 模块（如移动电话、ＰＤＡ或手提电脑等）进行融合， 实现移动实时检测。而在无线通信技术领域，基于 ＩＥＥＥ８０２．１５．１４的Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技术具有低功 耗和低成本以及低延迟和较长的传输距离等特点， 广泛用于医疗行业，符合穿戴式检测布局复杂、阻碍 物较多、电池供电等条件［】 ］。因此本文研制了基于 量或心输出量）、血管信息（如外周阻力）、微循环信 息等，从而能较全面反映人体的健康情况，使得病情 得到及时控制和治疗。 Ｚｉｇｂｅｅ技术的穿戴式脉搏波检测模块，实现了脉搏 波的实时检测和无线传输，取得了比较理想的效果。 随着疾病谱的改变，医疗体系逐渐向以家庭为 中心的模式过渡，人们更加重视对疾病的预防，医疗 监护产品无线化、微型化、智能化、个性化、网络化已 成为趋势。无线穿戴式检测技术克服了传统有线检 测技术的局限，对检测对象的约束性减少，可以正常 １系统设计原理 左心室收缩将血液射入主动脉，可扩张主动脉 壁产生脉搏波，脉搏波在动脉血管中传播时，脉搏波 到达之处血液的压力、速度与血管直径（或血管横截 面）将同时发生脉动变化。通常将血液压力脉动的 行动，随身检测，在完全自然状态检测出生命信息， 令数据可信度大大提高，而且可与现有的个人通信 传播过程称为压力脉搏波。心脏每收缩舒张一次， 项目来源：广东省科技计划项目资助（２００７１３０３１３０２００３）“基于无线穿戴式检测技术的社区数字医疗健康服务系统” 收稿日期：２００９－０６—２３ 修改日期：２００９—０８—１５ 第ｌ１期 杨易华，吴效明等：基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的穿戴式脉搏波检测模块的研制 １５３９ 动脉系统发生压力和血流量的改变，即产生一个周 集信号送人监护ＰＣ终端（主机）上，实现脉搏 期脉搏波，正常生理状况下典型的周期脉搏波信号 波的同步监测。 波形图如图１所示 引。 ２系统体系与硬件设计 穿戴式检测部分如图２（ａ）所示，由三个部分组 成：传感器采集信号单元、信号预处理单元和Ｚｉｇｂｅｅ 模块。穿戴在手腕部位的模块（如图２（ｂ）所示），压 力脉搏传感器部分采集到生理信号并把他们转换为 电信号，从传感器输出的电信号通常很弱，并且可能 图１ 典型一周期脉搏波信号波形图 包含大量的噪声信号，需要经过放大、滤波、隔离等 微型化、低功耗、无线通信、安全性和互操作是 预处理。然后将信号送到Ｚｉｇｂｅｅ模块，实现信号的 医疗可穿戴式监护设备设计的基本要求 引。穿戴式 采集和处理、数据的存储和发送。本设计采用符合 脉搏波检测模块要求采用低功耗器件，以硬件软件 Ｚｉｇｂｅｅ标准的片上系统芯片ＣＣ２＇４３０，构建了基于 化的设计思想，使模块微型化，可采用电池供电。脉 Ｚｉｇｂｅｅ技术的无线传感网络，然后把数据传送到基 搏信号采集转换后，通过Ｚｉｇｂｅｅ无线传输技术将采 站，供医护人员或专业人员查看和处理。 桡动脉 ‘ ．・‘ ． ．・‘ Ｉ（一信号处理单元）ｌ‘ 怔 圆围 ’‘ ‘’・。…。・・・ －・．／ ．．．．…．．．／㈣穿戴示意图 ２．１模块脉搏波采集电路 以实现脉搏波的测量。 目前检测脉搏波的传感器有以下几种：光电容 积脉搏波传感器、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉 搏传感器以及应变式脉搏传感器［引。从低成本、高 性能等角度出发，本设计选用了应变式传感器，一般 图３传感器结构 可以用于检测动脉等体表动脉的搏动波形。该传感 穿戴式检测模块要求微型化、低功耗等特点，在 器具有体积小，感应灵敏度高、稳定性良好、反应时 不影响信号特征的前提下最大化精简模拟电路，提 间快速、线性度好等特点，满足测量要求。其传感器 出以软件代替硬件的设计思想，把那些效果不明显 结构如图３所示，传感器是基于应变电测的原理，设 模拟滤波电路改为用医学信号处理的方法来解决， 计一个悬臂梁式弹性元件，使弹性元件随着人体脉 从而实现微型化、低功耗。考虑到动脉脉搏信号频 搏的跳动而发生微小形变。此时，粘帖在弹性元件 率基本在０．１～２Ｏ Ｈｚ以内，幅值只有几ｍＶ， 上的电阻应变片的电阻值会相应变化，通过全桥电 因此设计前置放大级、一阶高通滤波电路、二阶低通 路将电阻变化转换为相应的电压变化口 ］。从而可 滤波电路、主放大电路组成，如图４所示。 １５４０ 传感技术学报 ２００９生 前置级采用三运放组成的仪表放大器，能有效 Ｚｉｇｂｅｅ技术的星型无线网络。ＣＣ２４３０是一颗真正 地抑制共模信号，放大差模信号。一阶高通滤波滤 除由脉搏波中的静压力产生的直流信号，二阶低通 的系统芯片（Ｓｏｃ）ＣＭＯＳ解决方案，是首款符合 滤波滤除高频干扰信号，设计其截至频率为３０ Ｈｚ。 ２．２ Ｚｉｇｂｅｅ模块 Ｚｉｇｂｅｅ技术的２．４ＧＨｚ射频系统单芯片，适合于各 种Ｚｉｇｂｅｅ无线网络节点，包括协调器、路由器和模 块设备。它结合一个高性能２．４ＧＨｚＤＳＳＳ（直接序 列扩频）射频收发器和一颗工业级增强型 ８０５１ ＭＣＵ，其内部还集成了１２８ ｋｂｉｔ的Ｆｌａｓｈ内 存、８ ｋｂｉｔ的ＲＡＭ、ＡＤＣ、ＤＭＡ、ＡＥＳ１２８协同处理 器、看门狗以及２１个可编程Ｉ／Ｏ引脚［ ＿８］。 Ｚｉｇｂｅｅ模块（如图５所示）是整个脉搏波模块的 核心，要实现与外部网络（基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的无线 传感器网络）之间数据交互以及信号的采集和处理、 数据的存储和发送，通常内含增强型的ＭＣＵ，本设 计采用ＴＩ公司生产的芯片ＣＣ２４３０实现了基于 图５ Ｚｉｇｂｅｅ模块 Ｚｉｇｂｅｅ模块主要功能完成Ａ／Ｄ采样、脉搏数据 ３．１软件流程 的分析处理和与路由节点或协调器进行数据交互。 软件通信流程如图６所示，其主要功能就是模 块节点成功加入网络之后，ＣＣ２４３０等待定时器中 断，然后启动采集数据，并对数据进行判断处理，最 后数据打包通过ＲＦ将数据发送到协调器，协调器 在对数据包进行解析，再进行后续处理。 开始 通过预处理电路后的脉搏波信号直接传人ＣＣ２４３０ 内置的ＡＤＣ接口。该ＡＤＣ可软件编程转换精度， 其精度８～１４ ｂｉｔ，８路模拟输入通道（单极性或 双极性）。ＣＣ２４３０芯片只需少量外围部件配合就 能实现信号的收发功能，如图５所示。数据传输部 分主要利用２．４Ｇ单端天线，信号输出经过一个非 平衡变压器，它有电容Ｃ３４２和电感Ｌ３２１，Ｌ３３１， Ｌ３４１以及一个ＰＣＢ微波传输线组成［６ ］。 ３软件系统功能与设计 系统采用单片机的Ｃ语言编程，主要由三个部 分组成：无线协议栈主程序，Ａ／Ｄ采集程序，定时器 中断程序和数据处理程序。协议栈使用ＴＩ提供的 与协调器 交互数据 工 等待中断 （ａ）节点主程序 （ｂ）定时器中断服务程序 免费精简协议栈，主要完成相关部分初始化处理与 节点相关信息的处理；Ａ／Ｄ采集程序主要是启动 ＣＣ２４３０内部ＡＤＣ模块开始采集数据，等待采集完 成之后，读出结果；定时器中断程序主要是控制采集 数据点的间隔。 图６脉搏波模块软件流程 ３．２脉搏信号的数字处理 脉搏信号非常微弱，经多级放大必然引入外界
