基于蓝牙的低功耗心电监测研究

高玮（1987—），男，汉族，广西桂林人，硕士，助教，研究方向：计算机网络和软件工程。

韦善于（1998—），男，汉族，广西来宾人，本科，研究方向：电子电路设计。

心电信号(ECG)与人体心血管疾病、心脏功能及其病理息息相关，因此，临床中心电信号常常作为评估病患身体健康状况的重要参考依据。其中，从心电信号提取的心率值是日常生活中频繁使用的一项生理健康指标[1]。目前医院所采用的心电监测设备是传统的医用心电仪，仪器体积庞大不便于携带，只适用于人体静止状态下的定点测量[2-4]，而无法监测患者运动状态下的心电变化，且长期的医院监护环境下患者会有压抑的情绪，影响护理效果。而市面上已有的便携式心电监护仪设计成本较高，价格昂贵，且不能实现长达24h的心电监测。因此，设计一款便携的低功耗心电监护仪，可以用于家庭环境下实时监测患者心电情况尤其重要[5-8]。

针对便携式心电监护仪的续航问题，提出一种基于蓝牙4.0的低功耗心电监测系统，可实现连续监测、便携性和精确度都能满足日常需求。同时，这些数据作为医院诊治的重要参考依据，可以达到对慢性疾病、隐性疾病的及早预防。

论文阐述了基于蓝牙4.0的低功耗心电监测系统的设计，系统硬件设计由心电前端AD8232、主控STM32L151C8T6、蓝牙芯片CC2540等电路组成。其中，主控STM32通过AD8232采集人体的心电数据作初步处理，并由蓝牙模块CC2540传送到Android手机端作实时的分析和展示。研究了蓝牙4.0BLE协议栈结构与OSAL系统休眠机制，由数据吞吐率、连接间隔及传输功耗的关系开发蓝牙应用层程序实现休眠控制，节省不必要的功耗开支，以降低功耗并延长续航时间。系统设计成本低、小巧便携，续航能力强，利于心电监护从医院向家庭的转变。

1 系统设计

1.1 硬件设计

图1 系统的硬件设计框图

图2 软件总体结构图

图3 CC2540 蓝牙连接流程图

系统硬件设计在确保心电信号采集良好的前提下，尽可能满足系统续航能力可长达24h的要求。故系统设计由STM32L151C8T6作为系统的主控芯片，其在低功耗模式下功耗只有0.9μA；由ADI公司的AD8232作为ECG前端芯片，其内部集成仪表放大器、运算放大器、右腿驱动放大器及RFI低通滤波器等，有较高的输入阻抗和共模抑制比；数据传输模块采用TI公司的CC2540蓝牙低功耗芯片，其内部集成增强型8051内核，采用BLE低功耗传输协议作为无线通信协议。该心电监测系统由探测电极探测信号，经过ECG前端芯片AD8232作初步处理后将信号传输至STM32L151C8T6主控模块，并由蓝牙模块[9-14]CC2540传送到Android手机端作实时分析、处理和显示。系统的整体硬件设计框图如图1所示。

1.2 软件设计

系统软件设计分为下位机软件和上位机软件。下位机软件程序主要是系统前端的STM32主控程序与CC2540蓝牙数据传输程序，实现心电数据的采集与传输；上位机软件则是Android手机端的应用程序；实现监测系统前端的心电数据并实时绘制ECG信号。系统软件总体结构图如图2所示。

1.2.1 蓝牙通讯程序设计

当主机向从机发起连接请求，从机回应请求达成握手连接之后，从机才由广播状态切换到连接状态。蓝牙连接流程框图如图3所示。

图4 心电数据传输服务程序流程图

图5 休眠控制程序流程图

图6 ECG展示界面

因OSAL采用的是轮询机制，故CC2540串口传输数据的方式为DMA操作方式，此方式把串口接收到的心电数据保存到指定的数据缓冲区。由程序的设定，OSAL轮询机制会不断查看此数据缓冲区，一旦检测到有心电数据，便会调用串口回调函数通知应用层程序。应用层程序收到串口回调信息便读取心电数据，并调用GATT层的通知类特性值API函数，由指定的心电服务特性值将心电数据传送到主机端。心电数据传输服务程序流程框图如图4所示。

由BLE低功耗协议原理及休眠机制可知，蓝牙功能块在无任务事件处理时会进入定时休眠模式或深度休眠模式。一般有定时任务存在，BLE协议启动定时休眠模式，只有当所有任务事件都清除时，BLE协议才会进入深度休眠模式。AT指令程序实现休眠控制的流程框图如图5所示。

表1 不同工作状态下的系统功耗Bluetooth sleep state 3.2 mA Collect ECG data status 4.5 mA Bluetooth broadcast status 5.0 mA Data transmission status 5.8 mA

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