基于低功耗蓝牙网络的家用胎儿监护系统设计

1、嵌入式技术EmbeddedTechnology基于低功耗蓝牙网络的家用胎儿监护系统设计*甘广辉1，童蕾2，陈超敏1(1.南方医科大学生物医学工程学院，广东广州510515；2.广东机电职业技术学院，广东广州510515)摘要：提出了一种基于低功耗无线蓝牙网络的家用胎儿监护系统方案。系统通过低功耗蓝牙4.0（BLE4.0）技术组建无线蓝牙传感器网络，实现对胎心率、宫缩压和胎动生理信号的采集与传输，并针对生理信号的特点进行算法优化，提高了使用的便捷性和监测的准确度。通过手机与无线传感器的连接对数据进行显示和存储，实现胎儿的实时监护。关键词：移动健康；低功耗蓝牙4.0英文引用格式：GanGuangh

2、ui，TongLei，ChenChaomin.DesignofhouseholdfetalmonitoringsystemwithwirelessnetbasedonBluetoothlowpowerconsumptionJ.ApplicationofElectronicTechnique，2015，41(8)：34-36，46.DesignofhouseholdfetalmonitoringsystemwithwirelessnetbasedonBluetoothlowpowerconsumptionGanGuanghui1，TongLei2，ChenChaomin1(1.SchoolofB

3、iomedicalEngineering，SouthernMedicalUniversity，Guangzhou510515，China；2.GuangdongVocationalCollegeofMechanicalandElectricalTechnology，Guangzhou510515，China)Abstract：AschemeofhouseholdfetalmonitoringsystembasedonthenetofBluetoothlowenergyisdiscussedinthisarticle.Thesystemcollectsandtransmitsfetalheart

4、rate,uterinecontractionandfetalmovementwiththenetofwirelesssensorbasedonBLE4.0andprocessesthemonitordatawithalgorithmoptimizationaccordingtothefeaturesofphysiologicalsignal，whichimprovesthesystemsconveniencetouseandaccuracyofdeviceapplication.TheAndroidsmartdeviceconnectswithwirelesssensortodis-play

5、,monitorandstoragethedifferentfetalphysiologicalparameterrealtime.Keywords：mobilehealthy;Bluetoothlowenergy4.00引言母胎监护是保障围产期孕妇和胎儿安全、实现优生优育的重要手段，医生通过对胎心率、宫缩压、胎动等参数进行评估来诊断胎儿在宫内的健康情况，从而确定最佳的分娩时机，降低胎儿的死亡率1。传统的胎儿监护仪一般存在以下一些问题：(1)孕产妇身上捆绑多个传感器，有太多电缆缠绕；(2)基层医院因为技术门槛高而无法展开电子监护；(3)监护仪局限于医院使用，不能应用于家庭使用。针对以上问题，本

6、文利用无线蓝牙技术与智能手机的结合，提出了一种家用胎儿监护系统的整体设计方案，孕妇只需佩戴内置蓝牙模块的无线传感器，就可以随时随地获取胎儿监护数据,智能手机接收无线传感器数据，并对数据进行处理实现胎儿的移动监护。集模块、蓝牙通信模块以及智能设备监护模块等。系统的结构如图1所示，其中系统的从节点包括胎心率传感器、宫缩压力传感器和胎动传感器；主节点为智能设备，本系统采用手机作为蓝牙智能监护设备，因为手机应用比较广泛，价格便宜，并且只要编写相应的应用程序（APP）即可轻易地与蓝牙从节点进行数据传输以及通过Internet将监护数据发送至医院。1系统结构本文所设计的家用胎儿监护系统主要包括信号采期嵌入

7、式技术EmbeddedTechnology求，本无线蓝牙模块采用美国德州仪器开发的蓝牙低功耗(BLE4.0)单模式芯片CC2540。CC2540在6mm×6mm的封装中集成了控制器、主机与应用，可缩小PCB板的物理尺寸，降低开发成本。该模块采用BluetoothSpecificationV4.0BLE协议，并且集成了2.4GHz的射频收发器。该芯片工作频率可达32MHz，具有8通道分辨率可编程的ADC(模/数转换)，并且一个CC2540主节点最多可以与8个CC2540从节点连接，满足本系统的设计要求2图2宫缩压力信号采集电路图。BLE4.0是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速

8、率无线通信所需要的一系列通信协议，是传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙三种技术的合而为一，最大数据传输速率可达250kb/s，传输距离可达30m，并且具有极低的运行和待机功耗。表1为CC2540的低功耗参数。缩压力信号的频率为0.58Hz。通过定义CC2540的Timer3定时器中断处理函数，实现对宫缩压力的采集，采集的频率为20Hz。1.4胎动信号采集模块胎动(FetalMovement,FM)是指胎儿在子宫内的活动，是胎儿安危的重要指标1。本设计所采用的胎动压力传感器是GH-2型子宫收缩传感器，该传感器能够检测出子宫收缩次数，量程为0g150g，输出电压大于50mV。表1CC2540低功耗参数

9、项目接收模式/mA发送模式（6dBm）/mA其他模式1（3s唤醒）/A其他模式2（睡眠定时器运行）/A其他模式3（外部中断）/A宽电源电压范围/V参数输出电压经滤波放大等调理电路后，再经DSP对胎动信号进行AD采样和胎动信号识别，CC2540通过UART(串口)方式接收识别的胎动信号。其传输格式与传输胎心率的格式相同。2系统软件设计2.1系统工作主流程低功耗无线蓝牙胎儿监护系统的主程序流程图如图3所示。系统的主要工作流程图包括以下几个部分：1.2胎心率信号采集模块本系统采用超声多普勒方式采集胎心率信号。超声多普勒的测量方式根据声源在时域的状态可分为连续波多普勒和脉冲波多普勒。脉冲多普勒采用单晶

10、片、深度范围可控的换能器，在同等发射功率下，脉冲多普勒方式超声功率密度更小，可小于1.5mW/cm3，低于国际的规定的安全密度(10mW/cm3)，对胎儿更为安全3。胎心率信号采集模块经脉冲时序产生电路驱动换能器，换能器将回波信号经过滤波放大和DSP处理得到胎心率，胎心率的传输频率为13Hz。CC2540通过UART(串口)方式传输数字胎心率信号，其波特率为9600b/s、8bit数据位、无校检、无停止位,工作模式为从机模式,数据包通过异或校检方式，数据的传输格式为:包头+包长度+胎心率数据+校检位+包尾。等。(1)系统的各个蓝牙模块的初始化配置，包括ADC、UART、广播、连接间隔等。(2)

11、胎心率、宫缩压、胎动信号的采集、分析、计算等。(3)手机应用软件的初始化配置，包括扫描时间、连接个数、图形显示(4)蓝牙模块与手机设备连接通信，蓝牙模块接收来自蓝牙设备的控显示和存储。图3主程序流程图制命令，手机接收和解析来自各蓝牙模块的有效数据并1.3宫缩信号采集模块宫缩是指孕妇子宫有规律的收缩，宫缩压是孕妇产检的一项重要指标，它能对孕妇的早产和流产起到预警作用4。宫缩压力的量程为0200g，且是微压力，因此测量的非线性度应小于2%，本设计选择体积小、适用于要求高精度触力测量场合的霍尼韦尔FSL05N2C触力传感器。FSL05N2C触力传感器的量程为0500g，灵敏度为2.2手机监护端手机监

12、护端必须支持蓝牙4.0和网络功能，如PDA、手机等。本系统选择魅族公司生产的魅族4（MX4）手机作为监护端应用软件的开发设备，其硬件配置为：8核CPU、2G内存、5.3英寸的显示屏、蓝牙4.0、移动4G网络等，安卓软件开发工具为Android4.4版本。手机监护端与胎心率、宫缩压、胎动3个无线蓝牙传感器连接，并实时传输监护数据。其数据的传输格式为:包ID+包长度+数据+校检位，通过包ID识别胎心、宫缩、胎动数据。本系统的手机监护端结构如图4所示。其功能包括：实时监护、病历报告、监护数据存储以及界面交互等。手0.12mV/g，支持电压为5V，输出量程为0mV60mV。如图2所示为宫缩压力信号采集

13、的硬件部分，主要包括触力传感器电桥、信号放大、低通滤波等。当电桥受外力失去平衡，电桥的IN+和IN-产生电位差，电位差输入到高输入阻抗和共模抑制比的差模仪表放大器中放大。宫电子技术应用2015年第41卷第8期35嵌入式技术EmbeddedTechnology牙模块根据输出电压与宫缩压力表达式将采样值换算成压力值，并发送到手机监护端进行显示和存储。图6所示是正常采集的宫缩压力曲线图。图4应用程序结构机监护端以数字和曲线的形式显示胎心率、宫缩压、胎动，并对监护数据存储，其存储的文件为二进制文件，存储格式为胎心率+宫缩压+胎动（0或1）+空位（0）。宫缩压幅值/mmHg时间/s图6宫缩压力曲线3胎儿

14、生理信号的处理与分析3.1胎心率分析自相关算法是超声多普勒测量胎儿心率中最常用的方法5。利用自相关函数的周期与信号周期一致的特点找出自相关函数的周期，即可得到胎儿心率的值6。其算法的过程为：读取多普勒胎心率原始回波信号x(n)，对回波信号进行预处理并进行自相关算法。假设数据的长度为N，为控制因子，则自相关算法的表达式：R(m)=N-m-13.3胎动信号分析胎动信号是非平稳信号，从母腹部提取的胎动信号成分比较复杂，如宫缩压信号、呼吸咳嗽等混合的信号，信噪比很低。因此需对信号进行滤波等处理。FIR数字滤波器对滤波有很好的性能，通过对设计的滤波系数进行量化移植到DSP芯片，实现对胎动信号的滤波处理。

15、胎动信号是以二值信号在蓝牙中传输，即0代表无胎动，1代表有胎动，在监护的过程中，手机监护设备对胎动值判断，实现对胎动的计数以及存储。1n=0x(n)x(n+m)。通过自适应控制实时调整控制因子使自相关函数随时延的衰减程度在不同的胎心率值下不同，始终保证自相关函数最大周期峰值在第一周期处,得到自相关函数R(m)的曲线，求出第一周期处峰值处的序列号Rf。若采样率为f(s)，则胎心率S(r)的值与自相关函数的序列号Rf和采样率f(s)的关系为：S(r)=(f(s)×60)×4结果与讨论本文介绍了一种基于低功耗无线蓝牙网络的家用胎儿监护系统的设计，经测试，在不漏包的情况下，无线连接

16、的距离范围为015m，满足家用监护的距离。为了验证本系统的可行性和优越性，利用设计的胎儿监护系统与某医疗器械公司生产的基于RF(无线射频)的无线胎儿监护仪(B5)进行数据仿真实验。在连接距离为12m的空旷房间内，测试时间为24h，将正常的胎心率、宫缩压和胎动数据分别传输到两个监护系统中。将本系统存储的胎儿监护数据和B5监护仪的监护数据与仿真数据进行比较，通过实验对比，在传输距离为12m的条件下，本系统具有以下优点：(1)功能全面，界面友好，成本比较低，连接时间更快；(2)通过手机进行监护，应用性更加广泛；(3)功耗低，在相同电量的电池下，本系统的续航时间更长。对比结果如表2所示，在距离12m的

17、空旷条件下传输，各个监护参数的传输正确率达到100%，未出现漏包的情况。远程无线胎儿电子监护已成为围产医学领域中家庭监护及社区监护的一项重要内容，有着非常广泛的应用意义和发展前景8-9。将互联网与云计算技术应用到本系统中，将胎儿数据上传到医院服务器，医生对数据进行分析、备份、管理等，可以提前预测和解决胎儿疾病。本系统的设计为国内外智能化医疗与移动健康事业的发展提供了参考，具有很高的应用价值和广阔的前景。(下转第46页)Rf。如图5所示是采集的正常胎心率信号。胎心率/bpm时间/s图5胎心率信号3.2宫缩压分析根据FSL05N2C触力传感器的原理，其IN+和IN-产生的电压差Vo与宫缩压力的关系

18、表达式为：Vo=0.12(mv/g)×UC(g)7。Vo经过放大滤波电路最终输出的电压表达式为：Vout=(1+Rf)Vo，其电压输出范围为03V。10本系统通过CC2540以20Hz的频率、14位分辨率、3.3V参考电压对Vout进行AD采样，模拟输入电压Vout与数字AD值N(ADC)的关系为：N(ADC)=Vout×16389/3.3(V)。蓝36期MicroelectronicTechnologyMechatronics，1994，4(1)：37-53.7陈伟娜，赖乙宗，李松，等.数控系统线性加减速算法分析与实现J.科学技术与工程，2012(3)：546-550.2

19、朱明，游有鹏，何均.S形加减速算法前瞻处理研究J.小型微型计算机系统，2011(10)：2140-2144.3陈晓兵，廖文和.基于分段刀轨S曲线加减速控制的进给速度优化研究J.组合机床与自动化加工技术，20128王昕，王均伟，饶志，等.基于NURBS曲线轨迹规划与速度规划的研究J.系统仿真学报，2008(15)：3973-3980.(10)：44-47.4刘筱，吴文江，郑飂默.柔性S型加减速控制算法研究J.组合机床与自动化加工技术，2014(3)：66-68.(收稿日期：2015-01-30)作者简介：程文雅（1989-），女，硕士研究生，主要研究方向：运动控制器，数控机床多轴运动控制。高敏（

20、1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：数控系统、运动控制器开发。李盛培(1986-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子技术及电机驱动控制技术。5CHENCS，LEEAC.DesignofaccelerationdecelerationprofilesinmotioncontrolbasedondigitalFHRfiltersJ.JournalofMachineTools&Manufacture，2001，38：799-825.6KIMDI，JEONJW，KIMS.Softwareacceleration/decelera-tionmethodsforindustrialr

21、obotsandcncmachingtoolsJ.!(上接第36页)表2对比结果系统名称本设计传输距离/m胎心正确率/%宫缩正确率/%胎动正确率/%功耗(24h)/mAh连接速度网络模型星型拓扑星型拓扑监护终端手机专用设备1212100100100100100100100876810ms/次12s/次B5参考文献1程志厚，宋树良.胎儿电子监护学M.北京：人民卫生出版社，2001.7赵爽，田谦益.FSL05N2C触力传感器原理及在分娩监护仪中的应用J.现代电子技术，2004，27(22)：1-2.8王幼萍，陆尧胜.远程胎儿监护系统及其临床意义的研究J.临床医学工程，2010，17(1)：11-1

22、3.3谢渊，陆尧胜.基于RF技术的无线胎心监护探头的设计与实现J.临床医学工程，2012，19(4)：500-502.9赵泽，崔莉.一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统J.信息与控制，2006，35(2)：265-269.(收稿日期：2015-03-26)作者简介：甘广辉（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：生物医学工程与仪器、虚拟仪器设计。童蕾（1966-），女，硕士，主要研究方向：空调制冷节能环保技术。陈超敏（1966-），男，博士，教授，主要研究方向：精确放射治疗技术、医用机器人。4胡娅莉，罗月娥.宫缩曲线及胎心在监护中的意义J.实用妇产科杂志，1999(3)：6-7.5BOLEYD，GINIM，GROSSR.PartitioningbasedclusteringforwebdocumentcategorizationJ.DecisionSupportSystems，1999，27(3)：329-341.6杨晓峰，张大龙.一种用于检测胎儿心率的改进自相关算法J.西安交通大学学报，2007，41(4)：407-411.(上接第39页)!(收稿日期：2015-02-13)电网与清洁能源，2009，25(6)：18-22.作者简