基于GSM的远程心电自动监测方法及实现
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单片机开发与应用
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基于GSM的远程心电自动监测方法及实现
ResearchforremoteelectrocardiogramsignalmonitorbasedGSMshortinformation
(重庆工学院)
涂巧玲
TUQiao-ling
摘要:研究一种监测人体心电异常信号、自动通过手机短信传递数据并报警的方法。分析了如何通过心电信号采集电路、单片机、接口电路、手机以及基于GSM的AT指令程序实现系统;采用局部极大极小值和斜率相结合的方法设计心率异常判断程序;选用内部资源丰富的MSP430F449单片机,以满足系统低功耗、体积小、使用方便的要求;提出的手动按键消除误报
警模型,使系统可靠性、
实用性更好;借助广泛使用的手机作为无线模块,使监护仪成本大幅度下降,使远程心电监护更易于推广应用。通过与常规心电图仪对照实验,结果表明心率计算的准确率达到病房监护的实用要求;没有出现报警错误。实验证明该方法可行。
关键词:心电监测;远程心电报警;GSM短信息中图分类号:TP274文献标识码:A
Abstract:Researchingamethodtomonitortheelectrocardiogramsignalabnormityandgiveanalarmautomaticallythoughshortinforma-tionofGSMmobiletelephone.Thearticleanalyzedhowtomakeupthesystembyelectrocardiogramsignalcircuit,singlechip,mobiletelephone,interfacecircuitandtheGSM-SMS-ATprogram.Thesystemadoptsthecombinativemethodoflocalmaximum,localminimumandslopetojudgecardiogramabnormity;selectsinnerresourcefulMSP430F449singlechiptomeetthesystemdemandforlowpowerconsume,smallvolume,usingconvenient.Themodelofcancelbuttoncanavoidmisinformationalarm.Thus,thesystemreliabilityandpracticabilityisbetter.BydintoftheabroadusingGSMmobiletelephonenotexpertwirelessmodule,thecostofmonitordropsmore.Itisconvenientforhomemonitorofcardiogram.Controlexperimentwithgeneralelectrocardiograph,theresultindicatesthesystemmeetstherequestofsickroomwardshipandnomisinformationalarm.Theexperimentprovesthemethodisdoable.Keywords:electrocardiogrammonitor;remoteelectrocardiogramalarm;GSM-SMS
文章编号:1008-0570(2008)05-2-0107-02
1概述
心脏疾病已经成为人类健康的头号杀手,据报告,约60%的心脏病患者死亡发生在家里,由于发现不及时,延误抢救时机而酿成悲剧的消息时有报道。医学实践表明.对猝发性心律失常患者,如果及早发现心律失常先兆,及时采取抢救措施,其中70%~80%的患者可以避免死亡。对这类患者发病前的心电异常信号进行远程监测报警,是挽救患者生命的重要措施之一。
客户端监护设备以及心电数据如何传回医院是远程心电监护的关键。目前常用的方案多采用MODEM通过电话线或网线传递数据,监护设备体积较大,患者不能活动,使用不方便,成本较高,没有大范围推广应用。目前国内也出现了利用手机进行数据传输和报警的方式,但在价格、功耗、体积、实用性等方面还需进一步研究。本文针对这些问题,研究一种基于GSM的远程监测心电异常信号,自动发送手机求救短信的报警方法及其实现。
2系统原理及构成
系统主要由心电信号采集电路,单片机、单片机与手机的接口电路、手机等组成。系统结构框图如图1所示。
系统工作时,如果信号采集电路采集到心律失常信号,单片机将触发声响报警电路工作,发出引人注意的提示音,并开始记录连续10秒的心电数据;同时在这10秒钟内单片机等待来自按键的中断信号,若没有按键信号,表示用户默认需要救助,于是单片机经GSM手机将这些数据和用户的姓名、住所、年龄、血型、病史、药物过敏史等内容,用求救短信的方式发送给预先指定的救援中心和亲人等。当短信得到正确发送后,救援终端将收到的短信读入计算机,进行短信内容的存储和心电图显示,以便进一步采取救治行动。
心电信号采集电路主要由传感器、信号前置处理电路组成。心电电极采集的信号并不是纯粹的心电信号,其中夹杂着一些直流或低频分量,通常来自于电极极化电压的不平衡、人体的活动等因素。这不仅会引起心电信号的基线漂移,也不利于后续电路的处理。所以设计截止频率为0.3Hz的RC高通滤波器来滤除这些直流和低频分量。
电压放大器由两级组成,前级是同相并联差分放大电路,采用ADI公司的低噪声小体积低功耗仪表放大器AD620芯片(其最大供电电流仅1.3mA),前置放大后得到具有抑制共模干扰和噪声的电信号;后级放大采用同相放大电路。心电信号的最高幅值为4mV,经过200倍放大为0.8V。再由低通滤波器滤除高频干扰信号。前置放大电路如图2所示:
为进一步改善前置级的共模抑制能力,在设计中进一步采取了屏蔽驱动和右腿驱动两项抑制共模干扰的措施。屏蔽驱动是一个同相电压跟随器,对信号进行悬浮隔离,将其输出与屏
涂巧玲:副研究员
基金项目:重庆市教育委员会科研基金项目名称:多通道人体机能信息无线测试技术研究(KJ050607)107
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技
术创新
中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2008年第24卷第5-2期
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《现场总线技术应用200例》
单片机开发与应用
蔽相联,减小导联线与屏蔽线之间的分布电容,限制共模干扰在分布电容中的分流,从而提高共模输入阻抗。右腿驱动是通过电路的共模电压并联负反馈将共模干扰抵消。
图1系统框图图2前置放大电路
选用超低功耗、小体积、容量大的16位单片机MSP430F449,其电源电压为1.8V ̄3.6V,系统能在0.2uA的条件下待机,在几十微安的情况下维持核心运行。在开发工具上,MSP430系列单片机支持先进的JTAG调试,开发调试方便。
考虑到常规A/D转换功耗较大,系统采用MSP430F449单片机内部高速12位ADC,完全能够满足心电监护要求。其输入范围为0 ̄2.5V,设计时选择1.5V为参考电压,放大后的心电信号叠加
参考电压大小为1.5±0.8V,正好落在MSP430F449的ADC模拟输入信号范围。这样就避免了对电平迁移电路的硬件设计。
由于MSP430F449单片机内部具有64KFLASH存储空间,在200Hz采样频率下,可以轻松存储10s数据,避免了外接存储器。充分利用MSP430F449单片机内部资源,可以有效地减少元件数量、体积和功耗。
为了排除心电信号中50Hz工频干扰和基线漂移,利用适合单片机的整系数FIR数字陷波器替代模拟信号陷波器,减少阻容元件,使系统体积减小1/2,功耗也极大降低,并获得高质量的心电信号。
单片机与手机的接口电路,是系统需要解决的重要问题。
MSP430F449单片机具有串行异步通信接口(UART),而不同的手机输出口则各不相同,既不是TTL电平,也不是RS232电平。设计中,利用手机的通用串行总线(USB)数据引出线,选择CP2101芯片对MSP430F449单片机进行UART接口转USB接
口。因此无论什么型号的手机与单片机的连接就成了固定连接。与同类产品相比,CP2101符合USB2.0规范,具有小体积(5mm×5mmMLP封装)、
低功耗、高集成度、外围电路简化,无成本驱动支持,这些特性使得CP2101具有突出优势,可使USB通信接口设计变得较容易。
单片机与手机的接口电路如图3所示。CP2101转换后的信号是标准TTL电平,可以直接为单片机使用。CP2101的
SUSPEND与引脚接到MSP430F449的普通I/O口上。这
两个引脚传送USB挂起和恢复信号,此功能便于CP2101器件以及外部电路的电源管理,以节省电能。为了避免在复
位期间处于高电平,使用10kΩ的下拉电阻。
CP2101的USB功能控制器管理USB和UART间所有的
数据传输,CP2101的UART接口处理所有的RS232信号,包括控制和握手信号。CP2101的VBUS与VREGIN引脚必须始
终连到USB的VBUS信号上。
在VREGIN的输入端加去耦电容(1μF与0.1μF并联)。
由于USB设备驱动程序Cygnal公司已经提供,需要编写的程序为单片机MSP430F449的串行通信程序,即对波特率、
数据位、校验位、有无奇偶校验等通信协议的设计及单片机串行通信功能控制器的设置。
图3单片机与手机的接口电路
3系统软件设计
系统工作时首先要对430F449单片机进行串口、系统时钟及I/O端口的初始化,对各个控制寄存器进行参数设置。
针对单片机的特点,心率计算算法根据局部极大极小值和斜率相结合的方法来判定QRS波,配合数据的采样频率而确定。规定当心率超过120bmp或低于40bmp为心律失常。
大部分手机都支持与GSM短信息相关的AT控制指令
(GSM-SMS-AT指令)。单片机通过AT指令控制手机GSM模
块,如读取短消息(SMS)内容,删除短消息内容,发送一条短信息等。指令的执行过程需要单片机与手机GSM模块交互应答完
成,每一次发送或接受的字节数有严格的规定,必须依据这些规定实现数据交换。
GSM07.05规定的AT指令集是ETSI(欧洲通信技术委员会)发布的,其中包含了对SMS的控制。PDU是常用的基本AT指令格式,一个完整的PDU格式短信息经过十六进制编码后,成为一个二进制的字符串传输,所有的SMS参数都由用户管理,可以发送任何类型的短消息。基本AT指令在文献[4]已有介绍。发送方PDU字符串格式为:
用C语言写入MSP430F449单片机的PDU格式AT指令程序如下。
设发送短信息手机号码为:13800280500,接收手机号码为:13880477997,信息内容为:“
Hello!”则PDU格式串为:0891683108200805F011000D91683188407799F700000006C8329BFD0E01
编码过程如下:设需要发送的短消息内容为“Hi”
,先将字符转换成二进制码(7位),H的ASCII码为072,i的ASCII码为105,则H的二进制表示为:1001000,i的二进制表示为:1101001。然后将后面的字符位调用到前面,补齐前面的差别。显然,H的二进制编码不足八位,将i的最后一位补足到H的前面,变成11001000(C8),剩下的i为六位110100,前面补两个
0,变成00110100(34),即为“C834”
。4实验与结果
采用常规心电图仪与本心电监测报警仪进行对照试验,心电监测报警仪采用三导联,采样频率为200Hz。
(下转第194页)
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技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2008年第24卷第5-2期
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《现场总线技术应用200例》
PLDCPLDFPGA应用
ENDIF;
FPGA芯片控制2片TLC0820模拟/数字转换器的工作,分别实现电压信号和电流信号的采样。模拟/数字转换器复位信号reset_adc同时送到2片TLC0820的控制代码,实现电压信号和电流信号的同步采样。模拟/数字转换过程完成之后,TLC0820产生中断信号int_tlc0820,在这个信号控制下,上面代码产生数据存储器写入时钟clk_ram_in,把模拟/数字转换结果
写入对应的数据存储器。
存储模拟/数字转换结果的数据存储器利用QUARTUSII可编程逻辑器件开发软件提供的可变参数模块LPM_RAM_DP来实现。电压信号和电流信号具有各自的数据存储器。数据存储器具有独立的读写地址线、数据线、使能信号以及时钟信号。
FPGA芯片向微控制器的数据传送通过后者的数据总线实
现。这部分也可以采用有限状态机模型进行编写。
在完成上述各个部分的设计以后,生成它们的符号文件,再利用QUARTUSII可编程逻辑器件开发软件提供的原理图输入方式把所有符号连接起来实现完整的系统。该系统占用EP1C3T144I-7芯片2910个逻辑单元的42个;104个输入/输出管脚的47个;59904位存储空间的32768位。系统实际工作时钟为1MHz,FPGA
芯片在完成本次设计可达到的最高时钟为212MHz。
5结束语
用电设备的技术复杂程度的提高使得仅用有功功率进行计量已经不能表示输送到终端的全部电量。根据一些电力供应商的经验,对无功功率也进行计量是解决问题的一种对策。例如意大利最重要的电力公司已经决定安装2000万只同时具有有功功率和无功功率计量的电能表用于对用户的用电进行计量。
本文作者创新点:利用数字方法实现有功功率和无功功率测量的方法,并利用EP1C3T144I-7这样的FPGA芯片完成对2个TLC0820模拟/数字转换器的工作控制,克服了电压信号和电流信号测量的不同步所引起的测量误差。系统可以实现电网功率,包括有功功率、无功功率以及总功率,的计量。整个系统具有比较满意的各项功率测量精度,并且结构简单,成本低廉。
参考文献
[1]EtienneMoulin.电能表计量无功功率的方法[J].电测与仪表,2004,41(4):46-48.
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[3]王世闻,
吴捷,林炯康,马艺玮.基于DSP的多通道同步DAS及其应用[J].微计算机信息,3-2:167-169.
[4]赫建国,
郑燕,薛延侠.基于ADuC812的供电系统中无功功率的测量[J].微计算机信息,2007,
[5]ALTERA.CycloneDeviceHandbook,Volume1[Z].ALTERA2007.[6]TexasInstruments.TLC0820AC,TLC0820AIAdvancedLinCMOSTMHIGH-SPEED8-BITANALOG-TO-DIGITALCONVERTERSUSINGMODIFIEDFLASHTECHNIQUES[Z].TexasInstruments1994.
作者简介:郑燕(1972.4),女,汉族,讲师,西安邮电学院电子与信息工程系,主要研究方向:数字信号处理;赫建国(1961.6),男,汉
族,硕士,高级工程师,西安邮电学院电子与信息工程系,主要研究方向:数字信号处理。
Biography:ZHENGYan(1972.4),female,Hannationality,lecturer,DepartmentofElectronicandInformationEngneering,Xi'anUniversityofPostandTelecommunications,Majorstudy
field:digitalsignalprocessing.
(710121陕西西安西安邮电学院电子与信息工程系)郑燕
赫建国
通讯地址:(710100陕西西安市长安区航天西路茗景园小区10号楼2单元402)郑燕
(收稿日期:2008.3.13)(修稿日期:2008.4.25)
(上接第108页)
在实验现场,观察常规心电图仪显示的心电图出现心律异常时,研制的心电监测系统均能发出报警铃声,按下取消报警的按键,可以中止本次报警,否则在10秒后发送短信。接收端手机通过数据线将短信数据传入PC机,在PC机上绘出心电图。两例心律失常患者的部分心电图如图4所示。
图4左边显示该行波形的起始时间,波形的上方列出前后两个R波之间的RR间期(单位ms)和心率值。
通过现场的常规心电图仪与远程心电监测报警系统的数据进行对照,准确度达到病房监护的实用要求。
图4由报警短信数据绘制的心律失常心电图
5结论
通过对远程心电监护自动监测机制的研究,文章提出由心电信号前置处理电路、MSP430F449单片机、GSM手机、接口电路以及PDU格式的AT指令程序,构成单片机控制手机自动发
送心电数据短信息和求救短信息的系统。通过常规心电图仪与远程心电监测报警系统进行对照实验,结果表明心率准确率达到病房监护的实用要求;没有出现错误报警。证明该方法可行。
该系统的创新之处在于:第一,选用超低功耗、开发方便、内部资源丰富的MSP430F449单片机,满足系统低功耗、体积小、使用方便的要求。第二,建立的远程心电监测自动报警模型,采用手动按键消除误报警,可以防止导联脱落或其他原因引起的误报警,提高报警的准确性,使系统实用性更好。第三,借助广泛使用的手机而不是专用无线模块,使监护仪成本大幅度下降,便于进入家庭进行监护,使远程心电监护更易于推广应用。
这种心电信号监测、自动通过手机短信报警的方法,也可以进行功能扩展,比如和定位系统联用,救护人员可以及时了解使用者的具体位置,进行施救。
项目可创造直接经济效益人民币80万元。
参考文献
[1]涂巧玲,
徐霞.移动式人体生理体征监测关键技术研究[J].微计算机信息.2006,2-1:89-91
[2]胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机.北京:北京航空航天大学出版社,2000.
作者简介:涂巧玲,女,1965-,汉,副研究员,研究方向:自动控制
与检测技术。
Biography:TUQiao-lingisasub-researcher.Thedirectionofre-searchisautocontrolanddetect.
(400050重庆重庆工学院电子学院)涂巧玲
通讯地址:(400050重庆杨家坪重庆工学院电子学院)涂巧玲
(收稿日期:2008.3.13)(修稿日期:2008.4.25)
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