1、嵌入式技術EmbeddedTechnology基于低功耗藍牙網絡的家用胎兒監護系統設計*甘廣輝1，童蕾2，陳超敏1(1.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣東廣州510515；2.廣東機電職業技術學院，廣東廣州510515)摘要：提出了一種基于低功耗無線藍牙網絡的家用胎兒監護系統方案。系統通過低功耗藍牙4.0（BLE4.0）技術組建無線藍牙傳感器網絡，實現對胎心率、宮縮壓和胎動生理信號的采集與傳輸，并針對生理信號的特點進行算法優化，提高了使用的便捷性和監測的準確度。通過手機與無線傳感器的連接對數據進行顯示和存儲，實現胎兒的實時監護。關鍵詞：移動健康；低功耗藍牙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引言母胎監護是保障圍產期孕婦和胎兒安全、實現優生優育的重要手段，醫生通過對胎心率、宮縮壓、胎動等參數進行評估來診斷胎兒在宮內的健康情況，從而確定最佳的分娩時機，降低胎兒的死亡率1。傳統的胎兒監護儀一般存在以下一些問題：(1)孕產婦身上捆綁多個傳感器，有太多電纜纏繞；(2)基層醫院因為技術門檻高而無法展開電子監護；(3)監護儀局限于醫院使用，不能應用于家庭使用。針對以上問題，本

6、文利用無線藍牙技術與智能手機的結合，提出了一種家用胎兒監護系統的整體設計方案，孕婦只需佩戴內置藍牙模塊的無線傳感器，就可以隨時隨地獲取胎兒監護數據,智能手機接收無線傳感器數據，并對數據進行處理實現胎兒的移動監護。集模塊、藍牙通信模塊以及智能設備監護模塊等。系統的結構如圖1所示，其中系統的從節點包括胎心率傳感器、宮縮壓力傳感器和胎動傳感器；主節點為智能設備，本系統采用手機作為藍牙智能監護設備，因為手機應用比較廣泛，價格便宜，并且只要編寫相應的應用程序（APP）即可輕易地與藍牙從節點進行數據傳輸以及通過Internet將監護數據發送至醫院。1系統結構本文所設計的家用胎兒監護系統主要包括信號采期嵌入

7、式技術EmbeddedTechnology求，本無線藍牙模塊采用美國德州儀器開發的藍牙低功耗(BLE4.0)單模式芯片CC2540。CC2540在6mm×6mm的封裝中集成了控制器、主機與應用，可縮小PCB板的物理尺寸，降低開發成本。該模塊采用BluetoothSpecificationV4.0BLE協議，并且集成了2.4GHz的射頻收發器。該芯片工作頻率可達32MHz，具有8通道分辨率可編程的ADC(模/數轉換)，并且一個CC2540主節點最多可以與8個CC2540從節點連接，滿足本系統的設計要求2圖2宮縮壓力信號采集電路圖。BLE4.0是一種標準，該標準定義了短距離、低數據傳輸速

8、率無線通信所需要的一系列通信協議，是傳統藍牙、低功耗藍牙和高速藍牙三種技術的合而為一，最大數據傳輸速率可達250kb/s，傳輸距離可達30m，并且具有極低的運行和待機功耗。表1為CC2540的低功耗參數。縮壓力信號的頻率為0.58Hz。通過定義CC2540的Timer3定時器中斷處理函數，實現對宮縮壓力的采集，采集的頻率為20Hz。1.4胎動信號采集模塊胎動(FetalMovement,FM)是指胎兒在子宮內的活動，是胎兒安危的重要指標1。本設計所采用的胎動壓力傳感器是GH-2型子宮收縮傳感器，該傳感器能夠檢測出子宮收縮次數，量程為0g150g，輸出電壓大于50mV。表1CC2540低功耗參數

9、項目接收模式/mA發送模式（6dBm）/mA其他模式1（3s喚醒）/A其他模式2（睡眠定時器運行）/A其他模式3（外部中斷）/A寬電源電壓范圍/V參數輸出電壓經濾波放大等調理電路后，再經DSP對胎動信號進行AD采樣和胎動信號識別，CC2540通過UART(串口)方式接收識別的胎動信號。其傳輸格式與傳輸胎心率的格式相同。2系統軟件設計2.1系統工作主流程低功耗無線藍牙胎兒監護系統的主程序流程圖如圖3所示。系統的主要工作流程圖包括以下幾個部分：1.2胎心率信號采集模塊本系統采用超聲多普勒方式采集胎心率信號。超聲多普勒的測量方式根據聲源在時域的狀態可分為連續波多普勒和脈沖波多普勒。脈沖多普勒采用單晶

10、片、深度范圍可控的換能器，在同等發射功率下，脈沖多普勒方式超聲功率密度更小，可小于1.5mW/cm3，低于國際的規定的安全密度(10mW/cm3)，對胎兒更為安全3。胎心率信號采集模塊經脈沖時序產生電路驅動換能器，換能器將回波信號經過濾波放大和DSP處理得到胎心率，胎心率的傳輸頻率為13Hz。CC2540通過UART(串口)方式傳輸數字胎心率信號，其波特率為9600b/s、8bit數據位、無校檢、無停止位,工作模式為從機模式,數據包通過異或校檢方式，數據的傳輸格式為:包頭+包長度+胎心率數據+校檢位+包尾。等。(1)系統的各個藍牙模塊的初始化配置，包括ADC、UART、廣播、連接間隔等。(2)

11、胎心率、宮縮壓、胎動信號的采集、分析、計算等。(3)手機應用軟件的初始化配置，包括掃描時間、連接個數、圖形顯示(4)藍牙模塊與手機設備連接通信，藍牙模塊接收來自藍牙設備的控顯示和存儲。圖3主程序流程圖制命令，手機接收和解析來自各藍牙模塊的有效數據并1.3宮縮信號采集模塊宮縮是指孕婦子宮有規律的收縮，宮縮壓是孕婦產檢的一項重要指標，它能對孕婦的早產和流產起到預警作用4。宮縮壓力的量程為0200g，且是微壓力，因此測量的非線性度應小于2%，本設計選擇體積小、適用于要求高精度觸力測量場合的霍尼韋爾FSL05N2C觸力傳感器。FSL05N2C觸力傳感器的量程為0500g，靈敏度為2.2手機監護端手機監

12、護端必須支持藍牙4.0和網絡功能，如PDA、手機等。本系統選擇魅族公司生產的魅族4（MX4）手機作為監護端應用軟件的開發設備，其硬件配置為：8核CPU、2G內存、5.3英寸的顯示屏、藍牙4.0、移動4G網絡等，安卓軟件開發工具為Android4.4版本。手機監護端與胎心率、宮縮壓、胎動3個無線藍牙傳感器連接，并實時傳輸監護數據。其數據的傳輸格式為:包ID+包長度+數據+校檢位，通過包ID識別胎心、宮縮、胎動數據。本系統的手機監護端結構如圖4所示。其功能包括：實時監護、病歷報告、監護數據存儲以及界面交互等。手0.12mV/g，支持電壓為5V，輸出量程為0mV60mV。如圖2所示為宮縮壓力信號采集

13、的硬件部分，主要包括觸力傳感器電橋、信號放大、低通濾波等。當電橋受外力失去平衡，電橋的IN+和IN-產生電位差，電位差輸入到高輸入阻抗和共模抑制比的差模儀表放大器中放大。宮電子技術應用2015年第41卷第8期35嵌入式技術EmbeddedTechnology牙模塊根據輸出電壓與宮縮壓力表達式將采樣值換算成壓力值，并發送到手機監護端進行顯示和存儲。圖6所示是正常采集的宮縮壓力曲線圖。圖4應用程序結構機監護端以數字和曲線的形式顯示胎心率、宮縮壓、胎動，并對監護數據存儲，其存儲的文件為二進制文件，存儲格式為胎心率+宮縮壓+胎動（0或1）+空位（0）。宮縮壓幅值/mmHg時間/s圖6宮縮壓力曲線3胎兒

14、生理信號的處理與分析3.1胎心率分析自相關算法是超聲多普勒測量胎兒心率中最常用的方法5。利用自相關函數的周期與信號周期一致的特點找出自相關函數的周期，即可得到胎兒心率的值6。其算法的過程為：讀取多普勒胎心率原始回波信號x(n)，對回波信號進行預處理并進行自相關算法。假設數據的長度為N，為控制因子，則自相關算法的表達式：R(m)=N-m-13.3胎動信號分析胎動信號是非平穩信號，從母腹部提取的胎動信號成分比較復雜，如宮縮壓信號、呼吸咳嗽等混合的信號，信噪比很低。因此需對信號進行濾波等處理。FIR數字濾波器對濾波有很好的性能，通過對設計的濾波系數進行量化移植到DSP芯片，實現對胎動信號的濾波處理。

15、胎動信號是以二值信號在藍牙中傳輸，即0代表無胎動，1代表有胎動，在監護的過程中，手機監護設備對胎動值判斷，實現對胎動的計數以及存儲。1n=0x(n)x(n+m)。通過自適應控制實時調整控制因子使自相關函數隨時延的衰減程度在不同的胎心率值下不同，始終保證自相關函數最大周期峰值在第一周期處,得到自相關函數R(m)的曲線，求出第一周期處峰值處的序列號Rf。若采樣率為f(s)，則胎心率S(r)的值與自相關函數的序列號Rf和采樣率f(s)的關系為：S(r)=(f(s)×60)×4結果與討論本文介紹了一種基于低功耗無線藍牙網絡的家用胎兒監護系統的設計，經測試，在不漏包的情況下，無線連接

16、的距離范圍為015m，滿足家用監護的距離。為了驗證本系統的可行性和優越性，利用設計的胎兒監護系統與某醫療器械公司生產的基于RF(無線射頻)的無線胎兒監護儀(B5)進行數據仿真實驗。在連接距離為12m的空曠房間內，測試時間為24h，將正常的胎心率、宮縮壓和胎動數據分別傳輸到兩個監護系統中。將本系統存儲的胎兒監護數據和B5監護儀的監護數據與仿真數據進行比較，通過實驗對比，在傳輸距離為12m的條件下，本系統具有以下優點：(1)功能全面，界面友好，成本比較低，連接時間更快；(2)通過手機進行監護，應用性更加廣泛；(3)功耗低，在相同電量的電池下，本系統的續航時間更長。對比結果如表2所示，在距離12m的

17、空曠條件下傳輸，各個監護參數的傳輸正確率達到100%，未出現漏包的情況。遠程無線胎兒電子監護已成為圍產醫學領域中家庭監護及社區監護的一項重要內容，有著非常廣泛的應用意義和發展前景8-9。將互聯網與云計算技術應用到本系統中，將胎兒數據上傳到醫院服務器，醫生對數據進行分析、備份、管理等，可以提前預測和解決胎兒疾病。本系統的設計為國內外智能化醫療與移動健康事業的發展提供了參考，具有很高的應用價值和廣闊的前景。(下轉第46頁)Rf。如圖5所示是采集的正常胎心率信號。胎心率/bpm時間/s圖5胎心率信號3.2宮縮壓分析根據FSL05N2C觸力傳感器的原理，其IN+和IN-產生的電壓差Vo與宮縮壓力的關系

18、表達式為：Vo=0.12(mv/g)×UC(g)7。Vo經過放大濾波電路最終輸出的電壓表達式為：Vout=(1+Rf)Vo，其電壓輸出范圍為03V。10本系統通過CC2540以20Hz的頻率、14位分辨率、3.3V參考電壓對Vout進行AD采樣，模擬輸入電壓Vout與數字AD值N(ADC)的關系為：N(ADC)=Vout×16389/3.3(V)。藍36期MicroelectronicTechnologyMechatronics，1994，4(1)：37-53.7陳偉娜，賴乙宗，李松，等.數控系統線性加減速算法分析與實現J.科學技術與工程，2012(3)：546-550.2

19、朱明，游有鵬，何均.S形加減速算法前瞻處理研究J.小型微型計算機系統，2011(10)：2140-2144.3陳曉兵，廖文和.基于分段刀軌S曲線加減速控制的進給速度優化研究J.組合機床與自動化加工技術，20128王昕，王均偉，饒志，等.基于NURBS曲線軌跡規劃與速度規劃的研究J.系統仿真學報，2008(15)：3973-3980.(10)：44-47.4劉筱，吳文江，鄭飂默.柔性S型加減速控制算法研究J.組合機床與自動化加工技術，2014(3)：66-68.(收稿日期：2015-01-30)作者簡介：程文雅（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：運動控制器，數控機床多軸運動控制。高敏（

20、1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：數控系統、運動控制器開發。李盛培(1986-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術及電機驅動控制技術。5CHENCS，LEEAC.DesignofaccelerationdecelerationprofilesinmotioncontrolbasedondigitalFHRfiltersJ.JournalofMachineTools&Manufacture，2001，38：799-825.6KIMDI，JEONJW，KIMS.Softwareacceleration/decelera-tionmethodsforindustrialr

21、obotsandcncmachingtoolsJ.!(上接第36頁)表2對比結果系統名稱本設計傳輸距離/m胎心正確率/%宮縮正確率/%胎動正確率/%功耗(24h)/mAh連接速度網絡模型星型拓撲星型拓撲監護終端手機專用設備1212100100100100100100100876810ms/次12s/次B5參考文獻1程志厚，宋樹良.胎兒電子監護學M.北京：人民衛生出版社，2001.7趙爽，田謙益.FSL05N2C觸力傳感器原理及在分娩監護儀中的應用J.現代電子技術，2004，27(22)：1-2.8王幼萍，陸堯勝.遠程胎兒監護系統及其臨床意義的研究J.臨床醫學工程，2010，17(1)：11-1

22、3.3謝淵，陸堯勝.基于RF技術的無線胎心監護探頭的設計與實現J.臨床醫學工程，2012，19(4)：500-502.9趙澤，崔莉.一種基于無線傳感器網絡的遠程醫療監護系統J.信息與控制，2006，35(2)：265-269.(收稿日期：2015-03-26)作者簡介：甘廣輝（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：生物醫學工程與儀器、虛擬儀器設計。童蕾（1966-），女，碩士，主要研究方向：空調制冷節能環保技術。陳超敏（1966-），男，博士，教授，主要研究方向：精確放射治療技術、醫用機器人。4胡婭莉，羅月娥.宮縮曲線及胎心在監護中的意義J.實用婦產科雜志，1999(3)：6-7.5BOLEYD，GINIM，GROSSR.PartitioningbasedclusteringforwebdocumentcategorizationJ.DecisionSupportSystems，1999，27(3)：329-341.6楊曉峰，張大龍.一種用于檢測胎兒心率的改進自相關算法J.西安交通大學學報，2007，41(4)：407-411.(上接第39頁)!(收稿日期：2015-02-13)電網與清潔能源，2009，25(6)：18-22.作者簡