1 引 言

　　穿戴式醫(yī)療儀器可實現對人體非介入式,、無創(chuàng)的醫(yī)療監(jiān)測,，具備可移動操作,、使用簡便,、長時間持續(xù)工作等特點,?？梢詼p少病人的生理和心理負擔,，達到更好的 檢測效果,。因此,，它的發(fā)展越來越受到關注,。目前，穿戴式醫(yī)療儀器在實現從人體上的監(jiān)護儀器到用戶端上位機的無線傳輸手段包括藍牙,、射頻,、紅外等。從現有文 獻看,，以藍牙的使用最為廣泛,。但藍牙的成本高，這對于儀器未來的普及是個很大的障礙,。紅外的傳輸距離短,、抗干擾差，現在已基本不使用,。射頻具有價格低,、傳 輸距離長等特性，特別是高性價比射頻芯片的不斷出現，使得它的使用也越來越受青睞,。本文設計了一種基于nRF905射頻芯片,，來實現生理信號的無線傳輸。 同時,，相對于其它類似的設計,，本設計還充分考慮了用戶生理信息的安全性，在數據無線傳輸前對數據進行了加密處理,，以保護用戶的健康隱私,。

　　2 系統結構的設計

　　本設計的總體結構由生理信號采集電路、數據加密,、射頻發(fā)射、接收及用戶主機幾個模塊組成,，如圖1所示,。首先由采集電路獲取所要監(jiān)測的生理數據;然后將 獲取的數據進行加密處理后，再通過射頻發(fā)給用戶主機;主機將接收到的數據進行后續(xù)處理,。前端和后端之間可以通過射頻進行相互的通訊,。

　　圖1總體設計框圖

　　2.1采集電路

　　采集電路主要是由傳感器電路、放大濾波電路及A/D轉換等組成,。

　　(1)傳感器電路：傳感器是將所要監(jiān)測的生理信號轉化為電信號,，監(jiān)測不同的生理信號需要采用不同的傳感器。在本設計中,，主要對心電和脈搏波進行監(jiān)測,，采用的傳感器是貼片電極和紅外光電傳感器，心電檢測采用的是三導聯方式,。

　　(2)放大濾波電路：經傳感器轉換后得到的生電信號一般幅值較低,，且?guī)в泻艽蟮脑肼暩蓴_，必須進行放大濾波處理,。放大電路的放大倍數需綜合考慮傳感器 獲取的生理信號的幅值大小以及A/D轉換器的動態(tài)范圍,。本設計中，心電和脈搏波的放大倍數都采用1000倍,。濾波處理包括帶通濾波和50波,。設計中，帶通 濾波采用的是二階有源帶通濾波電路,，心電和脈搏波對應的帶寬分別為0.1Hz一1和0.1 Hz～30Hz,。50Hz工頻干擾是生理信的噪聲來源，50Hz干擾消除的效果直接決定了最獲取信號的好壞,。本設計采用的是非對稱阻容網絡陷波器,，其優(yōu)點 在于可根據干擾源頻率和干擾強度進行陷波頻率和Q值的調節(jié)。

　　(3)A/D轉換：設計中采用的是10位的A換器，其動態(tài)范圍為-2.7V一2.7V,，心電的采樣為200Hz,，而脈搏波的采樣頻率為60Hz。由于上述電路的設計目前已經相當成熟,，本文對這些電路的具體設計就不再作詳細說明,。

　　2.2數據加密、解密

　　本設計采用nRF905射頻芯片實現數據的無射和接收,，任何相同的芯片,，只要內部寄存器配置一致，它們之間就能實現數據的通訊,。由于用戶的生理信號涉 及到用戶的隱私問題怛J,，因而為了保證用戶數據在無線傳輸時的安全性，必須對數據進行加密處理,，而這一步驟在類似的研究中常常被忽略掉【3,。J。在本設計 中,，采用了AES∞o(Advanced EncrypStandard)軟件加密算法來完成這一過程,。常用的硬件加密，一方面提高儀器的輕便性,，另一方面又可以降低儀器的成本,。AES算法是分組 加密的方法，分為加密和解密兩個部分,。它將一定長度的明文分組進行相應次的輪變換,，每一次的密鑰都是由一定長度的初始密鑰變換而來，最后得到加密好的密文分組,，長度和明文分組相同,。解密時將密文分組進行相同次數的逆變換，逆變換就是輪變換的逆過程,，從而得到原始的明文分組,。

　　AES支持128、192或256比特三種密設計采用的是128位密鑰長度,。

　　2.3射頻發(fā)射,、接收

　　本設計采用nRF905射頻芯片實現數據的無傳輸。nRF905是挪威Nordic公司推出發(fā)射器芯片,，32引腳QFN封裝(5×5mm)壓為 1.9V一3.6V,，工作于433/868/ISM頻道(可以免費使用)。nRF905可以處理字頭和CRT(循環(huán)冗余碼校驗)的工作,，可由片內硬件自動 完成曼徹斯特編碼/解碼,，使用SPI接口與微控制器通信,，配置非常方便，其功耗非常低,，以一10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11m收模式時電流為 12.5mA,。nRF905不僅戴式醫(yī)療儀器低功耗的要求，并且能同時保證傳輸速率以及傳輸距離,。經實際測量,，在室內有墻壁阻隔，無劇烈運動的情況下,，傳 輸距離達到30m以上,，因而被監(jiān)測者可以在室內自由活動。無線傳輸丟包率在1/10 000內,，能保證傳輸數據不丟失,。最大輸速率可達100kbs。

　　2.3.1硬件連接

　　設計中,，前端采用C8051F330單片機(MC現對nRF905的控制,，而后端采用s3C2440(ARM9)來控制。其結構框圖如圖2所示：

　　圖2信號收發(fā)電路結構框圖

　　MCU和ARM9通過SPI總線來對nRF9部寄存器進行配置,，主要是對五類寄存器進行配置：一是射頻配置寄存器共10個字節(jié),，包括中心頻點,、無線發(fā) 送功率配置,、接收靈敏度、收發(fā)數據的有效字節(jié)數,、接收地址配置等重要信息;二是發(fā)送數據寄存器,，共32字節(jié)，MCU要向外發(fā)的數據就需要寫在這里;三是發(fā) 送地址,，共4個字節(jié),，一對收發(fā)設備要正常通信，就需要發(fā)送端的發(fā)送地址與接收端的接收地址配置相同;四是接收數據寄存器,，共32字節(jié),，nRF905接收到 的有效數據就存儲在這些寄存器中，MCU可以在需要時到這里讀取;五是狀態(tài)寄存器,，1個字節(jié),，含有地址匹配和數據就緒的信息，一般不用,?？刂瓶偩€主要用來 選取nRF905不同的工作模式(4種模式，如表1所示);查詢nRF905當前的狀態(tài)(數據發(fā)送或接收是否完成);使能nRF905的SPI等,。

　　表1 nRF905工作

　　2.3.2軟件設計

　　本設計前端采用C8051F330單片機來實的A/D轉換以及對nRF905的控制,。C80部自帶10位的A/D轉換器,、支持SPI通訊、體積功耗低 且運行快,，因而有很廣泛的應用,。本設計的前端軟件設計流程圖3所示：首先是對MCU進行初始化，包括A/D轉換器以及SPI通訊方式所對應的寄器的設置,。 接著MCU通過SPI總線對nRF9的五個積存器根據需要進行配置,。初始化完畢后，MCU查詢后端是否請求送數,。當后端有請求送數時(通過nRF905向 前端發(fā)送特定的命令字),，MCU啟動A/D轉換，然后將轉換后得到的數進行加密,，再通過nRF905發(fā)送給后端,。后端的軟件設計流程跟前端點類似，先對 ARM9和nRF905進行初始化,，然nRF905向前端發(fā)送送數請求,，接著進行數據接收，將接收到的數據進行解密,，最后將解密后的數據再進一步作后續(xù)處 理,。特別要注意的是，在配置前后端的nRF905發(fā)送地址時,，要注意發(fā)送端的發(fā)送地址應接收端設備的接收地址相同,，在實際工作中nRF90可以自動濾除地 址不相同的數據，只有地址匹配且校驗正確的數據才會被接受,，并存儲在接收數據寄存器中,。

　　圖3軟件設計流程

　　3 實驗結果

　　實驗中，為了避免AES加密的時間需求同A/D采樣率發(fā)生時問上的沖突,，首先對128位的AES加密C8051F330上的執(zhí)行效率進行了計算,，發(fā)現 完成一密所需時間約3.8ms。這同設計中心電和脈搏波的采樣率(分別為5ms和16.7鵬)剛好無時間沖突,。后端采用的是S3C2440,，它的執(zhí)行速度 要比C80高出許多，因而時間上肯定能保證無沖突,。實驗最后分別對心電和脈搏波進行了監(jiān)測,，并將后端接收到的數據通過串口發(fā)送的PC機進行顯示，顯示程序 采用的是VC6.0編寫,，顯示結果如圖4和圖5所示：

　　圖4 接收到的心電信號

　　圖5 接收到的脈搏信號

　　4 總結

　　本設計采用nRD05射頻芯片來實現穿戴式醫(yī)器中人體到用戶主機的生理信號無線傳輸,。同時，本設計充分考慮了數據傳輸的安全性,，對數據進行了128的 AES加密處理,。由實驗結果可以看出,，本設計可以證生理信號的實時、安全,、準確無線傳輸,。同時，可以看出,，由于前端的控制芯片采用的是MCU,，其處理速度 限。因而,，如果要監(jiān)測頻率范圍更高的生理信號(如心音：3Hz—S00H2)或者同時監(jiān)測多個生理參數,，用更高處理速度的芯片，如DSP,。此外,，設計的后 端采的是ARM9，它的處理速度,、協調性能都特別強,，可以過添加一些硬件設備，如LCD,，將后端作成一個手持備,，或者添加一些如GPRS等遠程傳輸硬件， 實現信號遠程傳輸,，從而更大地提高該儀器的功能,。這些也是我們以后將進一步著手的工作。

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