一种基于GPRS的心电无线监护仪

心脏病是威胁人类生命与健康的最大顽疾， 其具有突发性、难预测、死亡率高等特点，因此对 患者的心电信号进行实时监测显得尤为重要? 。 大部分患者需要能随时提供心电监护的仪器，并 且使其工作和生活不会受到影响。基于这种转 变，无线心电监护系统的研究在近年来引起了国 内外的高度重视。例如李享元 等人研制的基于 GPRS的远程移动心电监护系统，Rune Fensli 等 人研制的无线便携式心电监护系统，Salvador 等 人研制了一种对于出院患者进行心电跟踪监护的 系统。

　　由于大多数心电监护仪成本较高，操作复杂，不 宜在家庭中普及，因此，作者研制一种能够实时采 集、分析及报警的家庭心电监护仪，患者可以通过佩 戴一个便携式的仪器，对心电信号进行实时监测、分 析，并对心率失常情况给予诊断及报警，当患者在规 定时间(10s左右)无法解除此报警时，表明患者确 实突发心脏病，监护仪可以通过GPRS无线模块以发送短消息的方式通知其家属，并通过拨打电话进 行语音报警；此监护仪还可作为紧急医疗救助报警， 即当患者感觉不适，可按下求助键，自动拨通求助电 话，为患者争取宝贵的救治时间。系统操作简便，非 常适合患者在家中使用。

　　1 系统硬件结构及原理

　　系统的硬件结构如图1所示。

　通过电极从人体上取得的心电信号，经过模 拟放大电路的放大、滤波处理之后进入MSP430单 片机，利用单片机内部的ADC12转换模块对模拟信号进行模数转换，采样频率为200Hz，并且将采 集到的波形送到液晶显示器上显示。待波形稳定 后，每隔3 s进行一次ECG检波分析，得出实时心 率并显示，从而判断心率是否失常，如果产生心电 异常立即报警，当患者在一定时间内无法自己解 除报警时，启动无线报警模块以发送短消息的方 式通知其家属，并通过拨打电话进行语音报警。

　　1．1 核心控制单片机

　　该系统的微控制器采用的是TI公司最近推出 的超低功耗16位单片机MSP430F44X，适合手持设 备的应用，主要特点包括：1．8～3．6V的低电压工作 范围；有五种节电模式，从等待模式唤醒的时间不超 过6 s；16位的精简结构指令，高效的寻址方式，指 令时间周期仅为125as，大部分指令可在一个指令 周期内完成；器件片内有JTAG调试接口，无需仿真 器和编程器，方便设计者开发调试。其系统结构主 要包括：16位的CPU、程序存储器(ROM)、数据存 储器(RAM)、FLL+时钟系统(片内DC0)、看门狗 定时器(watchDog)、ADC12(12位A／D)、比较器A [精确的模拟比较器，常用于斜边(S10pe)A／D转 换]、复位电压控制／电源电压管理、基本定时器 (Basic Timer1)、定时器(Timer—A和Timer．B)、LCD 控制器／比较器(多达160段)、硬件乘法器、6个I／ 0端口和2个串行口[5 3。系列中各种具体的型号稍 有差别。在本次设计中，选用MSP430F449作为系 统的控制器。

　　1．2 心电采集模块

　　心电采集模块主要包括心电信号的采集、放大 滤波及电平提升电路，如图2所示。心电信号的采 集是通过电极从人体上取得心电信号，体表ECG一 般只有0．05—5mV，频谱范围在0．5～lOOHz，具有 微弱和易受干扰等特点。因此放大滤波电路采用高 输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路进行前置 放大，可以抑制零点漂移，增大输入阻抗，减少共模 信号干扰。带通滤波电路主要由高通滤波器和低通 滤波器组成，通频带为1～100Hz，滤除心电频率范围以外的干扰信号。主放大器将ECG信号进一步 放大到合适范围(1000倍左右)后，经过50Hz陷波 处理滤除工频干扰，进行电平提升后送人核心控制 模块MSP430F449。

　1．3 液晶显示及键盘接口电路

　　本系统的人机交互功能是通过液晶显示器 (LCD)和键盘来实现，通过功能按键来选择菜单条 目，执行对应的功能。键盘的设计可分为独立按键 式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘使用按键与单片 机的I／O端口线直接连接，一般用于少量按键的情 况下，而矩阵式键盘适用于按键较多，I／O 口线相当 紧缺的场合。采用矩阵式键盘，如图3所示，键盘使 用P1．1～P1．7共7根口线12个按键，键盘为3×4 格局，P1．1、P1．2、P1．3为行线，P1．4、P1．5、P1．6、 P1．7为列线。列线分别由上拉电阻上拉到VCC，在 行线与列线的每个交界处有一个按键，按键的两端 分别接在行线和列线上。目前只用到4个按键，分 别为功能键、选择键、取消键及确认键，其余为今后 功能扩展所预留。

　　系统选用ZJMI2864点阵液晶显示器来显示采 集到的心电波形，并将计算出的实时心率和ECG检 测结果显示到液晶屏上。液晶显示器ZJM12864是 一个128×64的点阵液晶显示模块，STN黄绿模式， 可显示图形和文字。该液晶显示器通过控制器 KS0108B与MSP430F449单片机直接相连，接收 MCU的指令，完成显示功能。液晶显示器具有8位 标准数据总线，6位控制线以及电源线，其与单片机 的连接电路如图4所示。液晶显示控制模块中使用 RS，R／W，E，CS1，CS2作为与MSP430数据总线接 口的控制信号。RS是数据／指令控制信号，它控制存取的方式，可实现读写指令或接受数据。R／W 是 读写控制信号，高电平时液晶显示器工作在读模式， 低电平时工作在写模式。CS1、CS2是片选信号，高 电平有效，控制液晶的左右半屏显示。

　　1．4 无线通讯模块及串行接口

　　在本系统中，无线通讯模块采用的是西门子公 司的GSM／GPRS无线模块MC55，它是当今市场上 尺寸最小的三频模块，其紧凑型设计特别适用于便 携式设备。该模块体积小(5．5g)，功耗低(峰值电 流450mA)，控制简单，内置AT指令集、TCP／IP协 议。在单片机的控制下，利用现有的GSM 网络进行 信号的处理和传输，从而实现远程无线监护的目的。 MC55模块可以快速可靠地实现数据和语音传输、 短消息以及传真服务等无线通讯功能。它提供一个 50管脚的零插入(ZIF)连接器，该连接器中包括了 电源接口、串行接口、音频接口、SIM卡接口等几个 子接口，可以通过这些接口分别与SIM 卡座、天线 及主控制器相连。 实际使用过程中，通过相应的外围接口电路，可 将其做成一个相当于配备有SIM卡的短消息收发 器。

　　数据传输常用串行接口，MSP430F449内部含 有串行同步／异步通信模块，通过对寄存器的设置之 后，由硬件自动实现数据的移进和移出，完成串行通 信的功能，同时还能实现两种通信协议，即UART异 步通信协议和SPI同步通信协议。MSP430不同于 一般内置有串行通信模块的单片机，它可以通过对 寄存器的设置来调整波特率的小数部分，以便于产 生更精确的波特率。设计中采用UART协议，通过 一个RS232接口芯片SP3222E与MC55模块进行串 口通信，单片机通过发送AT指令来完成控制及两 者之间的通讯。当运行系统后，MSP430F449单片 机是首先通过对MC55模块进行编程，即对其进行初始化设置，系统通讯串El两端采用9600bps的通 讯速率，8位数据位，无奇偶校验，1位停止位的帧格 式。

　　2 系统软件设计

　　该系统的软件开发环境使用的是IAR公司为 MSP430单片机所设计的交叉编译器IAR Embedded Workbench，编译器能够产生可重入的代码。系统软 件采用C语言进行编写，采用模块化结构，便于今 后进一步扩展系统的功能。。 程序流程如图5所示。

　　2．1 心电信号采样转换子程序

　　MSP430单片机具有多种形式的A／D操作模 式，内部ADC12模块能够实现12位精度的模数转 换，具有高速和通用的特点。在使用上通过相应的 寄存器来选择系统电压AV 、AV 作为参考电压 源，设置采样保持寄存器来控制采样时间，采用单通 道多次转换模式，每次转换完成，转换结果存放在相 应的ADC12MEM0 中，由相应的中断标志位 ADC12IFG．0置位来标志转换结束。在主程序中首 先开启中断，当中断标志位置位时，将产生中断服务 请求，进入中断服务子程序。执行完中断服务子程 序后，中断标志位自动复位，系统返回中断前的状 态。

　　2．2 液晶显示子程序

　　液晶显示子程序主要实现液晶显示控制器的初 始化设置、显示菜单以及心电波形等功能。 初始化包括清屏和初始化参数。由于本控制器 不带汉字库，所以液晶屏上显示的任何字符、汉字等 用户都必须自己建立点阵字模库，然后按图形的方 式进行显示。对需要显示的字符进行纵向和逆向取 模、编码和显示。

　　本系统采用16×16大小的点阵， 液晶屏上最多可以显示4行8列共32个汉字。当 显示菜单时，由程序将所要显示的汉字字模逐字节 地写入液晶显示区相应单元内，在液晶显示屏上显 示出相应的汉字。 波形的显示与汉字的显示方法有所不同，采用 描点的方法。LCD上横坐标表示时间，即为时间 轴，纵坐标为所要显示心电数据的幅值，心电波形的 显示采用每列画一个采样点的幅值，相邻两点间画 直线的方法实现。程序中将A／D转换存储器中的 数值按比例变换到液晶屏上的相应位置，然后向显 示RAM中写入字节数据，在液晶屏的指定位置显 示点，即显示出心电波形的幅值。

　　2．3 对无线通讯模块控制的子程序

　　单片机通过串口发送AT指令来实现与无线模 块MC55的通讯。AT指令最初由Hayes公司推出， 主要用于对调制解调器的控制，现在已经演化成为 一种标准，所有移动模块都支持AT指令。单片机 发出的AT指令用来建立通信链路，GSM 07．05规 范指令集提供的AT命令主要是实现短信息的发 送、删除、存储等操作 。其中AT为前导符，表示 命令的开始；命令字符及相关设置参数表示将进行 何种操作。如：AT+CMGR=表示读取存储区 号为n的短消息内容。AT指令的返回代码分别以 字符或开始和结束。如果指令的语 法不正确，则返回“ERROR”字符；如果指令成功执 行则会返回“OK”提示符或者其他所需信息。

　　单片机首先要对MC55进行初始参数的设置， 主要包括如下几类参数：

　　ATE1 关闭MC55的回显。

　　AT+IPR= 此命令为设置MC55无线模块的波特率值为“n”，其默认值为9600Hz。

　　AT+CSCA= 此命令是设置SIM卡的短信息中心号，北京地区为“13800100500”。

　　AT+CMGF=0 该命令用来设置短消息的格式为“TEXT”格式。短消息收发格式一共有三种方 式来发送和接收SMS信息Block Mode、Text Mode和 PDU Mode。Block Mode已是昔日黄花，目前很少用 了。

　　Text Mode是纯文本方式，可使用不同的字符 集，从技术上说也可用于发送中文短消息，但国内手 机基本上不支持，主要用于欧美地区。PDU Mode 被所有手机支持，可以使用任何字符集。由于Text Mode格式比较简单，所以采用此种方式，即发送短 消息为英文文本方式。

　　以上即为单片机对MC55模块做的初始化设 置，当患者心电信号发生异常，需要通过发送短消息 的方式通知其家属的时侯，立即启动MC55模块，发 送短消息。发送短消息的AT指令如下： AT+CMGS=[， ]Text can be entered．／；“da”为患者 家属的手机号码，输入完毕后回车，然后发送短消息 内容，以结束，如果短消息发送成功， 会返回“OK”，否则返回“ERROR”。

　　3 实验测试

　　为了检测心电无线监护仪的性能，进行如下测 试。用心电信号发生器产生各种心电信号(包括正 常、异常)送入监护仪，心电信号采集及分析结果如 图6和图7所示。

　　图6为正常心电信号时的界面，监测结果显示 正常；图7为异常心电信号时的界面，监测结果显示 心电异常，此时监护仪进行报警，通过GPRS以发送 短消息的方式通知其家属，图8为患者家属手机接 收到的报警短消息。 测试结果表明：本心电监护仪操作简单，工作稳 定，能够监测出异常心电信号，并进行报警。

　　4 结论

　　本文设计的心电无线监护仪，采用新型16位超 低功耗单片机作为控制芯片，含有丰富的外围模块，大大简化了硬件电路的设计；选用基于GPRS／GSM 技术的无线模块MC55作为短消息无线发送模块， 提高了系统的可靠性。该监护仪体积小、功耗低、便 于携带和操作，适用于家庭医疗保健。