基于nRF2401 的脈率監測系統設計

施紀紅

(蘇州健雄職業技術學院,江蘇 太倉 215400)

0 引言

脈搏是動脈的搏動;脈率是每分鐘脈搏的次數。脈率檢查是血管是否正常的一項輔助檢查方法。 在安靜、清醒的情況下,正常成人的脈率為60～100 次/分。超過100 次/分,稱為心動過速;低于60 次/分,稱為心動過緩。 很多疾病都會導致脈率的變化,所以監測脈率可以輔助這些疾病的診療。

脈率監測目前主要有兩種方式:一是通過大型的心電監護儀記錄病人的生命體征的變化;這種方式數據詳細,但成本高、不能推廣到全部病床。 二是護士每天手工測量病人的血壓和脈搏;這種方法成本小,但工作量大,并且數據不連貫,為后續治療提供的幫助少,也不能在病人脈率發生異常時及時報警。

在物聯網大數據時代,針對以上需求,本文設計了一套便攜低成本的脈率監測系統。 該系統可以實時獨立監測每個病人的脈率,通過nRF2401 無線通信技術在每個病房的OLED 屏上實時滾動顯示每個床位的脈率信息。 同時也將每個病房的脈率信息上傳并記錄在護士站電腦中;護士可以遠程監控全部病人的脈率信息,對脈率數據進行統計與分析,并有報警設置,能對突發情況進行報警。

1 系統整體設計

本系統檢測終端數據量少且采用遠程存儲,所以檢測端的MCU 選擇性價比高的STC89C52 單片機。 在病房顯示端和護士站考慮到后續的功能擴展和數據的臨時存儲,選擇了STM32F103ZET6 芯片。 本系統設計了兩層無線傳輸體系,均使用nRF2401 傳輸芯片。 第一層是病床采集端的52 單片機和病房數據顯示端的STM32 單片機之間的無線數據傳輸。 第二層是病房數據顯示端的STM32 單片機和護士站SMT32 單片機之間的無線數據傳輸。 最后通過USB-RS232 轉接芯片將護士站收集的全部信息上傳到PC 機中進行存儲。通過上位機軟件對數據信息分析[1]。 系統整體設計,如圖1 所示。

圖1 系統整體設計

2 系統硬件設計

2.1 脈率監測模塊

基于單光束反射式光電傳感器CT188 設計了脈率采集電路,如圖2 所示。 當手指放在ST188 上,紅外發光二極管發出的紅外光照射到手指的脈搏血管,由于心臟跳動引起的手指內血管節奏性的充盈變化,使得反射的紅外光強度隨之變化,由光電三極管接收放大轉換為不同的電壓信號。 其中R2 的電阻值選擇影響三極管感應紅外光的靈敏度,此處選擇470 歐姆。 轉換后的電壓經C1 隔直耦合到R5。 R3、C2 組成低通濾波器濾除高頻干擾,C3、R4 進一步濾除殘留的干擾。截止頻率由C3、R4 決定。 信號經低通濾波后,送至由LM358 運放2IN(5 腳)。 運放LM358 將信號放大,放大倍數由R6 和R7 的比值決定。 經過LM358 放大后輸出到LM358 的1IN-(2 腳)構成的比較器。 放大后的脈搏信號與電阻R8、R10 分壓建立基準電壓(1IN+3腳)比較后輸出方波脈沖。 IOUT 最終送給單片機的中斷引腳INT0。

圖2 脈率采集電路

2.2 nRF2401 無線模塊

射頻nRF2401 功耗小、速率快,特別適用于數據量少,傳感器布局相對集中,總體傳輸距離較近的場景。根據病區中每個病床的分布,本系統選擇了nRF2401技術進行無線傳輸。 nRF2401 與單片機之間的連接如圖3 所示。 NRF2401 的收發模式有Enhanced(增強型)ShockBurstTM 收發模式、ShockBurstTM 收發模式和直接收發模式3 種。 本系統采用第一種收發模式。

圖3 NRF2401 與單片機連線

2.2.1 脈率采集端發送模式

脈率采集端是一個發送端,向病房顯示端發送采集到的脈率數據。 具體步驟是,采集端51 單片機先把自己的地址和要發送的數據按時序送入NRF24L01(此時NRF24L01 會自動加上字頭和CRC 校驗碼);MCU配置CONFIG 寄存器,使NRF24L01 進入發送模式;MCU 將CE 置為高(至少10us),使之能發送;發射時先給射頻前端供電,然后射頻數據打包,高速發射數據包(這些均由NRF24L01 自動完成)。

2.2.2 病房顯示端收發模式

病房顯示端先是接受本病房脈率采集端發送來的脈率信息,并且本地顯示出來。 接受工作流程是,病房顯示端單片機先配置要接收的地址和要接收的數據包大小,進入接收模式;配置CONFIG 寄存器,使之進入接收模式;MCU 使CE 置高;200 us 后,NRF24L01 進入監視狀態,等待數據包的到來;確認收到數據后,記錄地址(接收地址與發送地址應該相同),接收端通過該地址發送ACK 應答信號。 在發送端,通道0 用作接收應答信號,一定要注意兩端地址需相同,才能接收到正確的ACK 信號。 當接收到正確的數據包后,NRF24L01自動移去字頭、地址和CRC 校驗位;NRF24L01 通過把STATUS 寄存器的RX_DR 置位(STATUS 一般引起MCU 中斷)通知MUC;MCU 把數據從FIFO 讀出(0x61指令);所有數據讀取完畢后,可清除STATUS 寄存器。

病房顯示端同時也需要將收集到的本病房的脈率數據無線發射給護士站的STM32 單片機。 該過程與脈率采集端發送模式相似,不再贅述。

2.2.3 護士站接受模式

護士站STM32 單片機接受本樓層各個病房顯示端單片機收集到的脈率數據,并對數據初步處理,對異常數據進行報警。 STM32 單片機和51 單片機在使用nRF24L01 時的區別主要是端口、時鐘、中斷的設置及初始化。 但是使用CubeMAX 大大簡化了對STM32 芯片的配置工作,讓工作重點放在了程序的編寫上。

2.3 病房本地顯示模塊

顯示模塊選擇的是UG-2864HSWEG01 進行仿真,其驅動芯片為SSD1306,使用IIC 工作模式。 該模式將BS0 與BS2 拉低, BS1 拉高。 D[0…7]是數據總線,按引腳描述,IIC 接口下D2 為SDAout,D1 為SDAin,D0為SCL 線。 D2 與D1 可直接相連,而且必須接上上拉電阻。 仿真效果如圖4 所示。

圖4 病房脈率顯示仿真效果

2.4 USB-RS232 轉接芯片的選擇

USB 轉串口芯片主要包括CH340 系列,CP2102/CP2103,FT232R,PL2303HX 等。 其中FT232 系列芯片穩定性是最好的,但是價格也最貴。 國產芯片CH340價格和穩定性上都不錯。 本文選擇了性價比最高CH340 芯片。 電路設計中CH340R 必須使用12MHz 的晶振,否則無法正常工作。

3 系統監控軟件設計思路

3.1 脈率監測模塊主程序

該模塊主要做3 件事:(1)各種初始化(單片機/脈率采集器/無線模塊初始化);(2)定時采集脈率信息;(3)接收到病房顯示模塊發送的中斷請求后,將本模塊ID 和測得的脈率數據無線發送給本病房顯示模塊。

3.2 病房本地顯示模塊主程序

該模塊主要做4 件事:(1)預存本病房監測模塊的ID 編號;(2)定時接收來自監測模塊的脈率信息;(3)判斷接收信息的正確性并顯示;(4)上傳接收到的脈率數據信息。 設計流程如下:單片機啟動-＞系統時鐘/DPIO 引腳初始化-＞顯示功能模塊初始化-＞無線模塊初始化(預存本病房各個監測模塊ID)-＞定時ID編號接收(包含了脈率信息)-＞判斷接收數據是否正確-＞正確則在顯示,不正確則再次接收-＞接收到護士站發送的中斷請求后,將本模塊ID 和收集的本病房的數據無線發送給護士站[2]。

3.3 護士站模塊主程序

該模塊主要做4 件事:(1)預存各個病房顯示模塊的ID 編號;(2)定時接收來自病房模塊匯總的脈率信息;(3)判斷接收信息的正確性,實時報警;(4)定時通過串口向上位機傳輸全部的脈率數據信息。

其中,STM32 串口通信編程思路:(1)配置RCC 寄存器組,使用PLL 輸出72 MHz 時鐘并作為主時鐘源;(2)配置GPIOA 端口,設置GPIOA.9 為第2 功能推挽輸出模式,GPIOA. 10 為浮空輸入模式;(3) 配置USART 設備,主要參數為:使用9 600 bps 波特率、8 位數據長度、1 個停止位且無校驗位、全雙工模式。 使用時一定要把PLL 輸出設為72 MHz,并且作為主時鐘使用,否則波特率需要重新計算。

3.4 上位機功能設計

脈率不斷地通過串口上傳到PC 電腦端。 上位機主要是對每個病床采集的脈率數據進行存儲。 上位機設計了相應的數據庫,保存一定時間范圍內的脈率數據,護士可以通過上位機軟件對保存的數據進行查詢。數據通過波形顯示,為疾病的診斷提供數據支持[3]。本系統的脈率顯示波形如圖5 所示。

圖5 脈率顯示波形

4 系統功能測試說明

本文選擇CT188 設計的脈率檢測系統,通過對軟硬件的設計與調試,單個脈率檢測與標準化設備測量的數據進行比較,相對誤差小于2%。 但連續檢測中,由于手指位置不對、監測時晃蕩造成的粗大誤差較大。系統如果要真實投入工作,需要對整個監測部件進行機械結構上的進一步設計。

5 結語

本文設計的脈率無線監測硬件系統結構簡單、成本低、組網方便,減少了護士脈率檢測工作量,提高了工作效率。 設計的上位機脈率管理系統,能夠有效地存儲脈率數據,提供折線圖顯示方式有助于脈率的分析。 但該系統目前只能檢測脈搏,后續可以通過增加體溫、血氧等傳感器檢測更多的生命體征。