基于射频技术的穿戴式医疗仪器的设计

1、引言

穿戴式医疗仪器可实现对人体非介入式、无创的医疗监测，具备可移动操作、使用简便、长时间持续工作等特点。可以减少病人的生理和心理负担，达到更好的 检测效果。因此，它的发展越来越受到关注。目前，穿戴式医疗仪器在实现从人体上的监护仪器到用户端上位机的无线传输手段包括蓝牙、射频、红外等。从现有文献看，以蓝牙的使用最为广泛。但蓝牙的成本高，这对于仪器未来的普及是个很大的障碍。红外的传输距离短、抗干扰差，现在已基本不使用。射频具有价格低、传输距离长等特性，特别是高性价比射频芯片的不断出现，使得它的使用也越来越受青睐。本文设计了一种基于nRF905射频芯片，来实现生理信号的无线传输。同时，相对于其它类似的设计，本设计还充分考虑了用户生理信息的安全性，在数据无线传输前对数据进行了加密处理，以保护用户的健康隐私。

2、系统结构的设计

本设计的总体结构由生理信号采集电路、数据加密、射频发射、接收及用户主机几个模块组成，如图1所示。首先由采集电路获取所要监测的生理数据；然后将获取的数据进行加密处理后，再通过射频发给用户主机；主机将接收到的数据进行后续处理。前端和后端之间可以通过射频进行相互的通讯。

图1、总体设计框图

2．1、采集电路

采集电路主要是由传感器电路、放大滤波电路及A/D转换等组成。

（1）传感器电路：传感器是将所要监测的生理信号转化为电信号，监测不同的生理信号需要采用不同的传感器。在本设计中，主要对心电和脉搏波进行监测，采用的传感器是贴片电极和红外光电传感器，心电检测采用的是三导联方式。

（2）放大滤波电路：经传感器转换后得到的生电信号一般幅值较低，且带有很大的噪声干扰，必须进行放大滤波处理。放大电路的放大倍数需综合考虑传感器 获取的生理信号的幅值大小以及A/D转换器的动态范围。本设计中，心电和脉搏波的放大倍数都采用1000倍。滤波处理包括带通滤波和50波。设计中，带通 滤波采用的是二阶有源带通滤波电路，心电和脉搏波对应的带宽分别为0．1Hz一1和0．1 Hz～30Hz。50Hz工频干扰是生理信的噪声来源，50Hz干扰消除的效果直接决定了最获取信号的好坏。本设计采用的是非对称阻容网络陷波器，其优点 在于可根据干扰源频率和干扰强度进行陷波频率和Q值的调节。

（3）A/D转换：设计中采用的是10位的A换器，其动态范围为-2．7V一2．7V，心电的采样为200Hz，而脉搏波的采样频率为60Hz。由于上述电路的设计目前已经相当成熟，本文对这些电路的具体设计就不再作详细说明。

2．2、数据加密、解密

本设计采用nRF905射频芯片实现数据的无射和接收，任何相同的芯片，只要内部寄存器配置一致，它们之间就能实现数据的通讯。由于用户的生理信号涉及到用户的隐私问题怛J，因而为了保证用户数据在无线传输时的安全性，必须对数据进行加密处理，而这一步骤在类似的研究中常常被忽略掉【3。J。在本设计中，采用了AES∞o（Advanced EncrypStandard）软件加密算法来完成这一过程。常用的硬件加密，一方面提高仪器的轻便性，另一方面又可以降低仪器的成本。AES算法是分组加密的方法，分为加密和解密两个部分。它将一定长度的明文分组进行相应次的轮变换，每一次的密钥都是由一定长度的初始密钥变换而来，最后得到加密好的密文分组，长度和明文分组相同。解密时将密文分组进行相同次数的逆变换，逆变换就是轮变换的逆过程，从而得到原始的明文分组。

AES支持128、192或256比特三种密设计采用的是128位密钥长度。

2．3、射频发射、接收

本设计采用nRF905射频芯片实现数据的无传输。nRF905是挪威Nordic公司推出发射器芯片，32引脚QFN封装（5×5mm）压为1．9V一3．6V，工作于433／868／ISM频道（可以免费使用）。nRF905可以处理字头和CRT（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动 完成曼彻斯特编码／解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以一10dBm的输出功率发射时电流只有11m收模式时电流为12．5mA。nRF905不仅戴式医疗仪器低功耗的要求，并且能同时保证传输速率以及传输距离。经实际测量，在室内有墙壁阻隔，无剧烈运动的情况下，传 输距离达到30m以上，因而被监测者可以在室内自由活动。无线传输丢包率在1／10 000内，能保证传输数据不丢失。最大输速率可达100kbs。

2．3．1、硬件连接

设计中，前端采用C8051F330单片机（MC现对nRF905的控制，而后端采用s3C2440（ARM9）来控制。其结构框图如图2所示：

图2、信号收发电路结构框图

MCU和ARM9通过SPI总线来对nRF9部寄存器进行配置，主要是对五类寄存器进行配置：一是射频配置寄存器共10个字节，包括中心频点、无线发 送功率配置、接收灵敏度、收发数据的有效字节数、接收地址配置等重要信息；二是发送数据寄存器，共32字节，MCU要向外发的数据就需要写在这里；三是发 送地址，共4个字节，一对收发设备要正常通信，就需要发送端的发送地址与接收端的接收地址配置相同；四是接收数据寄存器，共32字节，nRF905接收到 的有效数据就存储在这些寄存器中，MCU可以在需要时到这里读取；五是状态寄存器，1个字节，含有地址匹配和数据就绪的信息，一般不用。控制总线主要用来 选取nRF905不同的工作模式（4种模式，如表1所示）；查询nRF905当前的状态（数据发送或接收是否完成）；使能nRF905的SPI等。

表1、nRF905工作

2．3．2、软件设计

本设计前端采用C8051F330单片机来实的A／D转换以及对nRF905的控制。C80部自带10位的A／D转换器、支持SPI通讯、体积功耗低 且运行快，因而有很广泛的应用。本设计的前端软件设计流程图3所示：首先是对MCU进行初始化，包括A／D转换器以及SPI通讯方式所对应的寄器的设置。 接着MCU通过SPI总线对nRF9的五个积存器根据需要进行配置。初始化完毕后，MCU查询后端是否请求送数。当后端有请求送数时（通过nRF905向 前端发送特定的命令字），MCU启动A／D转换，然后将转换后得到的数进行加密，再通过nRF905发送给后端。后端的软件设计流程跟前端点类似，先对ARM9和nRF905进行初始化，然nRF905向前端发送送数请求，接着进行数据接收，将接收到的数据进行解密，最后将解密后的数据再进一步作后续处 理。特别要注意的是，在配置前后端的nRF905发送地址时，要注意发送端的发送地址应接收端设备的接收地址相同，在实际工作中nRF90可以自动滤除地 址不相同的数据，只有地址匹配且校验正确的数据才会被接受，并存储在接收数据寄存器中。

图3、软件设计流程

3、实验结果

实验中，为了避免AES加密的时间需求同A／D采样率发生时问上的冲突，首先对128位的AES加密C8051F330上的执行效率进行了计算，发现 完成一密所需时间约3．8ms。这同设计中心电和脉搏波的采样率（分别为5ms和16．7鹏）刚好无时间冲突。后端采用的是S3C2440，它的执行速度 要比C80高出许多，因而时间上肯定能保证无冲突。实验最后分别对心电和脉搏波进行了监测，并将后端接收到的数据通过串口发送的PC机进行显示，显示程序 采用的是VC6．0编写，显示结果如图4和图5所示：

图4、接收到的心电信号

图5、接收到的脉搏信号

4、总结

本设计采用nRD05射频芯片来实现穿戴式医器中人体到用户主机的生理信号无线传输。同时，本设计充分考虑了数据传输的安全性，对数据进行了128的 AES加密处理。由实验结果可以看出，本设计可以证生理信号的实时、安全、准确无线传输。同时，可以看出，由于前端的控制芯片采用的是MCU，其处理速度 限。因而，如果要监测频率范围更高的生理信号（如心音：3Hz—S00H2）或者同时监测多个生理参数，用更高处理速度的芯片，如DSP。此外，设计的后 端采的是ARM9，它的处理速度、协调性能都特别强，可以过添加一些硬件设备，如LCD，将后端作成一个手持备，或者添加一些如GPRS等远程传输硬件， 实现信号远程传输，从而更大地提高该仪器的功能。这些也是我们以后将进一步着手的工作。