为解决社区医疗和家庭健康监护设备功能单一的问题，提高心电和血氧健康监护设备的可靠性和便携性，在实验室自主研发生理参数采集设备的基础上，提出了一种基于蓝牙低功耗传输协议的手机无线心电和血氧健康监护系统.结合移动医疗思想，设计了蓝牙模块硬件、蓝牙低功耗协议栈、手机应用和文件服务器，实现人体心电和血氧参数的实时监控、显示和存储的功能.实验测试结果表明，该系统传输性能良好，体积小，便携性好，能满足日常健康监护的需求.
To solve the problem of single function on the community health care and domestic medical equipment, and improve both the reliability and the portability of the health care equipment of electrocardiogram and blood oxygen parameters, a mobile wireless healthy monitoring system was proposed based on the Bluetooth low energy protocol and utilization of the acquisition equipment of physiological parameters depending on existing researches. A system was designed by combining the thought of the mobile health, which includes the hardware of Bluetooth module, the protocol stack of Bluetooth low energy, mobile phone application, and file server etc. It realizes the real time monitoring, displaying and storing of the electrocardiogram and blood oxygen parameters. Experiments show that the system has good performances on transmission and portability owing to small size, and it can meet the requirements of daily health care.
心电和血氧监护对于患有心脏疾病的病人尤为重要，市面上监测设备普遍功能单一，功能多的设备操作困难，病人去医院监测流程复杂，以及病人看病难，医院就诊压力大，这些问题亟待解决.
为了更有效率地调配医疗资源，国外早已普及以家庭为单位的健康监护服务，国内近几年移动医疗发展迅猛，以“春雨医生”等主打“轻问诊”服务的平台逐渐被人们接受，人们普遍支持家庭健康监护和社区医疗. Ho等[1]提出了一种多人体参数监测系统，功能强大但操作复杂，不方便携带.
笔者基于实验室自主研发的生理参数采集终端，提出并实现了一款手机无线心电和血氧健康监护系统.为了实现便携无线监护，为监测终端设计蓝牙通信模块，并对模块的电磁兼容性进行研究和设计.系统中的蓝牙低功耗(BLE，Bluetooth low energy)协议将采集到的数据传输到手机端显示，实现实时显示和数据管理功能，实验结果表明所设计的无线心电和血氧监护系统传输性能良好，体积小，方便携带.
1 系统方案设计以实现不间断的健康监护为目标.生理参数(心电、血氧等)采集装置将采集到的数据通过通用异步收发传输器(UART，universal asynchronous receiver/transmitter)串口传输到蓝牙模块，按照BLE协议发送到手机端，系统方案设计如图 1所示.手机处理收到的数据，以易读的图片方式显示出来，并实现数据、图片存储和上传等功能.设计文件服务器，手机软件通过移动通信网络或WiFi无线网络将原始数据发送到服务器端保存起来，方便用户管理数据和保障数据安全.
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图 1 系统方案设计 |
为了实现便携无线监护，需要改进生理参数采集终端的无线通信功能，设计了BLE通信模块.模块电路由主芯片CC2541、电源电路、射频系统电路、时钟晶振电路和复位电路组成.时钟晶振电路包括32 MHz和32.768 kHz两种频率的晶振，32 MHz的晶振为BLE射频通信提供时钟，32.768 kHz晶振用于唤醒BLE的睡眠模式.射频系统电路由芯片的射频差分端口(RF_N和RF_P)、巴伦匹配电路和天线组成.芯片射频引脚为高阻差分式，内部具有控制发送和接收的开关，开关切换状态大约需要150 ms.天线采用单极天线，使用巴伦匹配电路作为不平衡转换器，同时提供50 Ω的匹配阻抗.巴伦匹配电路将单极天线接收到的信号变为差分信号形式，保证天线的辐射效率.
蓝牙模块工作在2.4 GHz的射频频段，采用多点接地方式保证印制电路板(PCB，printed circuit board)电源网络接地阻抗最小，从而最小化系统阻抗，使电磁波反射最小，达到减小电磁泄漏的目的.设计PCB时避免形成环路，封闭环路在外界电磁场影响下会产生感应电动势，从而产生电流，电流在地线阻抗上有电压降，容易导致共模阻抗干扰.巴伦匹配电路的设计对蓝牙射频信号质量有重要影响，与匹配电路相关的元器件紧密对称摆放，电路周围和对应的底层面板区域不走信号线，保证有大面积的地网络.通过这些减少电磁干扰的方法优化PCB的设计，使蓝牙模块有更好的传输性能.基于功能性和电磁兼容性所设计的蓝牙模块PCB如图 2(a)所示，蓝牙模块实物样品如图 2(b)所示，与一元硬币大小相近，体积小，便携性好，进而提高了系统整体便携性.
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图 2 蓝牙模块硬件 |
为了实现高可靠性数据传输和显示功能，进一步提高系统便携性，将智能手机与实验室的生理数据采集设备结合，设计了蓝牙模块与手机通信的BLE协议栈和手机软件.为了提高数据的安全性，设计了文件服务器存储数据.系统软件流程如图 3所示，监测终端BLE协议栈初始化，手机选择连接监测终端的蓝牙模块，连接成功后，监测终端通过蓝牙向手机发送数据，手机应用开启后台线程接收数据，手机主进程开始画图，开启另外一个后台线程计算心率值或血氧数值，每隔1 s刷新手机界面的数值.监测完毕后，用户可以选择是否将数据上传到服务器保存，如果不上传，则将数据保存到本地.
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图 3 系统软件流程 |
BLE协议栈是为BLE设备通信制定的一系列通信标准.通信双方需要共同按照这一标准设计通信的形式，协议栈的实现方式采用分层的思想. TI公司已经将这些协议层代码化，方便开发者根据需求配置工程里面的文件，从而设计BLE协议栈[2].为了实现蓝牙模块传输数据到手机的功能，设计手机作为主机角色接收数据，生理参数监测终端作为从机设备发送数据.配置应用层和操作系统层(OSAL，operating system abstraction layer)文件，实现BLE主从设备连接、串口通信和OSAL事件处理等功能.
为验证蓝牙模块与手机通信的可靠性，设计蓝牙模块串口通信功能，监测设备上的蓝牙模块将数据发送出去，接收端蓝牙模块与计算机串口相连，在串口调试工具上实时显示传输的数据.将数据保存为文本格式，通过Matlab软件将数据画成易于观察的生理参数图形. 图 4(a)为Matlab画出的心电波形图，图中心电波形的QRS波群特征明显，易于观察和区分；图 4(b)为Matlab画出的血氧波形图，图中光电容积脉搏波波形明显，说明蓝牙模块之间的传输可靠性良好.
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图 4 Matlab绘制生理参数波形 |
为了实现心电和血氧数据连续发送的功能，需要修改BLE协议栈文件，设计OSAL的功能. OSAL是TI公司为方便蓝牙开发人员设计的一个内嵌式操作系统，OSAL与真正意义上的操作系统不同，其本质是一个无限循环，执行若干任务函数.初始化OSAL系统后，进入一个判断事件是否发生的循环.当遇到一个事件发生时，调用事件处理函数，对事件进行处理，完成后，又回到队列中，再次轮询是否有下一个事件发生. OSAL任务处理函数加入了发送心电、血氧数据和发送脉搏数、血氧数值的函数方法.
3.2 手机客户端设计采用iOS操作系统的手机作为终端并设计了手机软件.为实现手机端蓝牙与蓝牙模块通信、存储数据和画图显示的功能，使用APPLE官方的CoreBluetooth框架设计手机软件，实现蓝牙无线通信.框架规定了严格的蓝牙通信方法，选择心电或血氧采集设备，经过检测设备、连接设备、连接服务、找到特征值这些步骤，然后建立通信[3]. 2种设备上的蓝牙模块被写入不同的通用唯一识别码来区分各自的蓝牙通信连接，实现传输数据和绘图的功能.
蓝牙模块与iOS设备通信需要规定数据格式，设计为十六进制数据传输方式，生理数据采集端是十六进制数据，传到iOS设备上为NSData格式的数据包，通过手机软件进行解包处理，得到原始数据，手机软件通过大中枢派发多线程开发机制初始化2个线程[4]，一个线程将原始数据存储到文件中；另一个线程将数据绘制成图显示出来.绘图功能由iOS的绘图函数库Quartz 2D完成，Quartz 2D将正在绘制的视图或者图像视为一个虚拟画布，绘图时遵循绘画者模式. 图 5(a)为手机端绘制心电波形图，图 5(b)为手机端绘制血氧波形图.与用Matlab画的图 4(a)和图 4(b)分别进行比较，2种方式所画的图相似度高，心电波形QRS波群明显，血氧波形更加平滑，说明该系统设计的蓝牙模块与手机通信的可靠性良好.
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图 5 手机应用绘制生理参数波形 |
为实现数据存储和数据安全问题，设计文件服务器存储数据.手机应用将得到的数据以文件的形式发送到服务器保存.通过配置Apache服务器软件将计算机作为文件服务器使用，修改Apache的配置文件httpd.conf将端口号设置为8181，域名修改为计算机的IP地址.配置下载目录download及上传目录upload，其中上传目录配置成webdav便于手机软件用PUT方式上传文件.手机端软件利用AFNetworking网络通信框架中的PUT方法将保存有数据的文件或图像上传到服务器，使用框架中的GET方法下载服务器的文件.服务器将数据保存起来，用户不小心删除了手机上的数据，通过网络可以随时下载以前的文件，保护用户数据安全.
4 实验测试将蓝牙模块与生理参数监测设备组合，测量人体的心电参数和血氧参数.通过实验测试，在无障碍物的环境下，蓝牙模块的信号传输距离为10 m，手机端软件可清楚显示被测者心电和血氧波形图，系统可以满足日常监测需求. 图 6(a)所示为心电监测实验测试，图 6(b)所示为血氧监测实验测试，图 6中iOS系统手机旁的设备分别是心电和血氧监测终端.终端上有蓝牙模块，手机通过蓝牙接收数据显示心电和血氧波形，一元硬币用来对比系统大小.
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图 6 系统实验测试 |
在实验室自主研发的心电和血氧监测终端基础上，设计了蓝牙无线通信和手机端显示的健康监护系统.设计了蓝牙模块、BLE协议栈、手机软件和文件服务器.系统整合实验室监测心电和血氧参数的设备，通过蓝牙模块与手机无线连接，实现在手机上实时显示、存储和上传数据的功能.该系统可应用在病人术后康复、居家养老和心血管疾病日常监测等方面，结合移动医疗的思想，将智能手机与生理参数监测终端结合起来，实现社区医疗、居家医疗的信息化和可视化，在减轻医院的就诊压力和缓解人们看病难的问题上起到了积极的作用.
| [1] | Ho Q D, Dang A T, Le-Ngoc T. A ubiquitous multiple-radio patient vital sign capture platform[C]//2015 IEEE International Conference on Communication Workshop (ICCW). London:IEEE, 2015:253-258. |
| [2] | Liu Guocheng, Yu Hongyang. Design and implementation of a Bluetooth 4.0-based heart rate monitor system on iOS platform[C]//2013 International Conference on Communications, Circuits and Systems (ICCCS). Chengdu:IEEE, 2013:112-115. |
| [3] | Ho Q D, Le-Ngoc T. iVS:An intelligent end-to-end vital sign capture platform using smartphones[C]//2014 IEEE 11th Consumer Communications and Networking Conference (CCNC). Las Vegas:IEEE, 2014:153-158. |
| [4] | Yu Bin, Xu Lisheng, Li Yongxu. Bluetooth low energy (BLE) based mobile electrocardiogram monitoring system[C]//2012 International Conference on Information and Automation (ICIA). Shenyang:IEEE, 2012:763-767. |