CN101843481B - 超低功耗远距离心电数据无线采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超低功耗远距离心电数据无线采集系统，该系统采用ANT+GPRS异构组网配合心电图采集带，解决了运动中的人体心电数据的采集，让教练员、运动员更深入的了解其训练强度，改进运动效果，还可以满足家庭医疗和健康监护对心率监控的巨大需求；系统包括心电数据采集带和数据无线转发装置：心电数据采集带包括心电采集处理电路和导联电极；数据无线转发装置是由远程通信电路和主控计算机组成的拓扑结构网络，本发明对现有技术的贡献是：实现了对运动人体心电数据的无线采集；采用ANT+GPRS异构组网结构，实现了数据的低功耗远距离传输；本发明心电数据采集带结构轻巧简单，被测人体易于佩戴并且不影响被测人体的运动和日常活动。

Description

超低功耗远距离心电数据无线采集系统
技术领域
本发明属于人体运动和健康监测领域，特别涉及一种超低功耗远距离心电数据无线采集系统，该系统采用ANT+GPRS异构组网配合心电图采集带，解决了运动中的人体心电数据的采集，让教练员、运动员更深入的了解其训练强度，改进运动效果，还可以满足家庭医疗和健康监护对心率监控的巨大需求。
背景技术
随着中国经济的飞速发展，尤其是2008奥运会过后，体育事业得到长足发展，竞技体育的科学化训练水平不断提高，对科学监控的手段工具的需求不断增长；其中，采集人体运动、生理参数是科学监控必需的要求，目前对运动人员的心电图采集还局限于采用有线采集，心电数据采集设备体积大，各部件间都以电缆连接，在训练和健身中的应用很受限制，这样的心电数据采集只能局限在一些固定运动项目。如何在运动项目中利用目前成熟的无线传输技术采集人体运动、生理参数，同时由于采集的过程需要有足够的能量支撑采集的全过程，传统的数据采集、无线传输、处理都是高耗电环节，因此如何实现低功耗远距离可组网式的人体运动、生理参数无线传输是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种低功耗远距离心电数据无线采集系统，该系统采用ANT+GPRS异构组网配合心电数据采集带，解决了运动中的人体心电图数据的无线采集。
本发明的目的是这样实现的，一种低功耗远距离心电数据无线采集系统，包括心电数据采集带和数据无线转发装置：
所述心电数据采集带，包括心电采集处理电路和导联电极，所述心电采集处理电路包括信号放大滤波电路、微处理器和ANT无线收发器，所述信号放大滤波电路接收导联电极的心电信号，并将其送入微处理器，微处理器将处理后的心电数据通过ANT无线收发器发出；
所述数据无线转发装置是由远程通信电路和主控计算机组成的拓扑结构网络，所述远程通信电路包括一个ANT无线收发器、微处理器、GSM/GPRS模块、SIM卡和天线；ANT无线收发器接收所述采集器发出的心电数据，并将其送入微处理器，微处理器处理后将数据送入GSM/GPRS模块，SIM卡和天线连接GSM/GPRS模块，SIM卡为上网SIM卡，GSM/GPRS模块将数据通过天线传输至GPRS无线网络。
所述的心电采集处理电路设置在心电数据采集带中段，所述导联电极由可附着在胸部的贴附基板上的导电橡胶组成，贴附基板设置在采样带中段的两侧，导电橡胶从中段的两侧分别接入心电采集处理电路。
所述导联电极由可附着在胸部的贴附基板上的导电橡胶和一个分离的参考电极组成，所述的心电采集处理电路设置有参考电极输入接口，参考电极的电信号通过接口与心电采集处理电路连接。
所述的拓扑结构网络是星型拓扑结构网络。
所述的拓扑结构网络是环型拓扑结构网络。
所述的拓扑结构网络是树型拓扑结构网络。
所述的拓扑结构网络是网型拓扑结构网络。
本发明对现有技术的贡献是：
1. 实现了对运动人体心电数据的无线采集；
2. 采用ANT+GPRS异构组网结构，实现了数据的低功耗远距离传输；
3. 本发明心电数据采集带结构轻巧简单，被测人体易于佩戴并且不影响被测人体的运动和日常活动。 
下面结合实施例和附图对本发明做一详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明心电采集处理电路示意图；
图3为本发明数据无线转发装置远程通信电路示意图；
图4为本发明心电数据采集带结构分解示意图；
图5为本发明带有参考电极的心电数据采集带结构分解示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种低功耗远距离心电数据无线采集系统实施例，参见图1，该系统包括心电数据采集带1和数据无线转发装置2：
所述心电数据采集带，包括心电采集处理电路101和导联电极102，所述心电采集处理电路包括信号放大滤波电路1011、微处理器1012和ANT无线收发器1013，其中，所述信号放大滤波电路1011顺序连接有前置放大电路10111、多重滤波电路10112、后级放大电路10113；所述导联电极电连接前置放大电路，所述信号放大滤波电路接收导联电极的心电信号后，经后级放大电路与微处理器的电连接将其送入微处理器，微处理器将处理后的心电数据通过ANT无线收发器发出；
本实施例所述信号放大滤波电路是公知的通用电路，所述的微处理器采用的是型号为MSP430F123微处理器，所述ANT无线收发器采用了型号为ANTAP1M5IB芯片或者是ANT11TS33M5IB芯片组成的无线收发器，具体应用可以在Dynastream Innovation INC.的“ANT Use Manual Development Kit”中查得。
所述数据无线转发装置是由远程通信电路201和主控计算机202组成的拓扑结构网络，参见图3，所述远程通信电路包括一个ANT无线收发器2011（与数据采集器中的相同）、微处理器2012、GSM/GPRS模块2013、SIM卡2014和天线2015；GSM/GPRS模块包括GSM/GPRS基代处理器20131和天线接口电路20132，所述ANT无线收发器接收所述采集器发出的心电数据，并将其送入微处理器，微处理器处理后将数据送入GSM/GPRS模块，SIM卡和天线连接GSM/GPRS模块，SIM卡为上网SIM卡，GSM/GPRS模块将数据通过天线传输至GPRS无线网络。
实施例中微处理器采用的是MSP430F123微处理器，GSM/GPRS模块是目前已知的通用模块，SIM卡就是目前公知的手机上网卡。
作为无线传输技术，不但可以用ANT无线收发器技术，还可以用其他的技术，现在比较成熟的除了ANT还有Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth等；
其中：
Wi-Fi 全称Wireless Fidelity，又称802.11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，另外它的有效距离也很长，IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60~70毫瓦。
Bluetooth 即“蓝牙”是当今市场上支持范围最广泛，蓝牙是一种近距离无线通信技术，蓝牙系统采用全向天线，支持点到多点的通信，使得多台蓝牙设备可以分享LAN资源；天线的发射功率按OdBm设计，符合FCC关于ISM波段的要求，最大发射功率可达100毫瓦。
ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，工作模式在ZigBee节点处于休眠模式情况下，耗电量才可以是微瓦级。
ANT是公认的超低功耗的无线网络解决方案，专为2.4 GHz频段而设计，ANT非常适合低数据率传感器在个人区域网络（PANs）的应用和无线传感器网络（WSN）网络拓扑结构；ANT倾向于简化无线网络的设计，优化网络效率。一个纽扣电池的电量就可以满足ANT网络节点工作几年，而其他的技术方案只能工作几个月。ANT具备强大的功能，可以提供可靠的数据通信，支持灵活性和自适应性网络操作，具备串音消除。若采用Wi-Fi 、Bluetooth 、或ZigBee技术方案，使用电池的电量只能工作几个月，本方案是用于人体便携式的仪器，只能靠电池供电，因此电能功耗将直接影响该方案的可使用性，所以，超低功耗也是我们要考虑的主要因素之一，因此本方案采用了ANT+GPRS异构组网的方案。
实施例2：
一种低功耗远距离心电数据无线采集系统应用实施例，参见实施例1和图4，所述心电数据采集带设计成可贴胸放置的长扁状带，所述的心电采集处理电路设置在心电数据采集带中段，心电采集处理电路安装在一块线路板103上，线路板的两端分别设有电极信号引线端子1031，线路板上、下面由上、下护盖104盖住，所述导联电极由可附着在胸部的贴附基板105上的导电橡胶106组成，贴附基板设置在采样带中段的两侧，导电橡胶从中段的两侧分别连接在线路板电极信号引线端子上接入心电采集处理电路；上、下护盖相互扣压夹住两侧的贴附基板，此种结构在采集的过程中将心电数据采集带通过一个连接的锁紧带很方便的紧贴在胸部，保证了数据采样的有效性和准确性，并且做到了对人体运动的影响最小。
导电橡胶通常是指体积电阻在10的9次欧姆厘米以内的橡胶，导电橡胶是将玻璃镀银、铝镀银、银等导电颗粒均匀分布在硅橡胶中，通过压力使导电颗粒接触，达到良好的导电性能；不同材料制作的的导电橡胶具有不同的导电特性，根据监测的需要导联电极可以使用不同的导电橡胶，例如CONSIL-NC导电橡胶（石墨镀镍填硅橡胶）、CONSIL-V导电橡胶（银填充硅橡胶挤出衬垫、 CONSIL-A导电橡胶（铝镀银填硅橡胶）、 CONSIL-N导电橡胶（镍镀银填硅橡胶）、 CONSIL-C导电橡胶（铜镀银填硅橡胶）、 SC-CONSIL导电橡胶（石墨填硅橡胶）、CONSIL-R导电橡胶（纯银填硅橡胶）、 CONSIL-II导电橡胶（银填硅橡胶模制衬垫）等。
实施例3：
一种低功耗远距离心电数据无线采集系统应用实施例，参见实施例1和实施例2；如图5所示，所述导联电极由可附着在胸部的贴附基板105上的导电橡胶106和一个分离的参考电极107组成，所述的心电采集处理电路设置有参考电极输入接口108，参考电极传统心电测试的参考电极；参考电极的电信号通过接口与心电采集处理电路连接，此种结构可以灵活调整参考电极的位置保证心电图数据信号有效的采集。
实施例4：
一种低功耗远距离心电数据无线采集系统应用实施例，参见上述实施例，所述数据无线转发装置是由多个远程通信电路和主控计算机组成的拓扑结构网络。ANT代码支持8个通道可以很好地存储在16K的代码空间；心率监测的ANT代码存储在一个2K的内存中就足够了；ANT设备有不同的串口可供选用，这样最低成本的微控制器都可以使用。另外，ANT也不需要精准的时间同步去建立一个ANT网络，因此，中等的晶振就足够了。ANT支持从基本的和点对点到复杂的网状网络拓扑结构；一个ANT设备可以支持多个（最多8）独立的ANT通道，任何一个给定节点的通道可以作为从节点或主节点；从一个节点到另一个节点的通信成为一件轻而易举的事情。不需要协调员或网络级的Master来完成复杂的拓扑结构。
ANT无线收发器技术组成的是一种短距离无线传输网络，在一个有限的场地例如体育场、训练场等分布数个数据无线转发装置和一个控制主机，数个数据无线转发装置和一个控制主机形成一个拓扑结构网络系统，将远程通信电路采集到的心电数据通过控制主机集中，控制主机对数据进行分析或通过有线连接的网络送至分析中心。
拓扑结构主要有：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑和混合型。
所述多个远程通信电路和主控计算机组成了星型拓扑结构网络传输；星型拓扑的特点是由中央结点集线器（主控计算机）与各个结点（远程通信电路）连接组成。这种网络各结点必须通过中央结点才能实现通信。星型结构简单、建网容易，便于控制和管理。
所述多个远程通信电路和主控计算机组成了环型拓扑结构网络。环型拓扑由各结点首尾相连形成一个闭合环型线路。环型网络中的信息传送是单向的，即沿一个方向从一个结点传到另一个结点；每个结点需安装中继器，以接收、放大、发送信号；这种结构的特点是结构简单，建网容易，便于管理。
所述多个远程通信电路和主控计算机组成了树型拓扑结构网络；树型拓扑是一种分级结构，在树型结构的网络中，任意两个结点之间不产生回路，每条通路都支持双向传输。这种结构的特点是扩充方便、灵活，成本低，易推广，适合于分主次或分等级的层次型管理系统。
    所述多个远程通信电路和主控计算机组成了网型拓扑结构网络。网型拓扑主要用于广域网，由于结点之间有多条线路相连，所以网络的可靠性较高。

Claims (7)

1.超低功耗远距离心电数据无线采集系统，其特征在于，系统包括心电数据采集带和数据无线转发装置：
所述心电数据采集带，包括心电采集处理电路和导联电极，所述心电采集处理电路包括信号放大滤波电路、微处理器和ANT无线收发器，所述信号放大滤波电路接收导联电极的心电信号，并将其送入微处理器，微处理器将处理后的心电数据通过ANT无线收发器发出；
所述数据无线转发装置是由远程通信电路和主控计算机组成的拓扑结构网络，所述远程通信电路包括一个ANT无线收发器、微处理器、GSM/GPRS模块、SIM卡和天线；ANT无线收发器接收所述采集带发出的心电数据，并将其送入微处理器，微处理器处理后将数据送入GSM/GPRS模块，SIM卡和天线连接GSM/GPRS模块，SIM卡为上网SIM卡，GSM/GPRS模块将数据通过天线传输至GPRS无线网络。
2.根据权利要求1所述的超低功耗远距离心电数据无线采集系统，其特征在于，所述的心电采集处理电路设置在心电数据采集带中段，所述导联电极由可附着在胸部的贴附基板上的导电橡胶组成，贴附基板设置在采样带中段的两侧，导电橡胶从中段的两侧分别接入心电采集处理电路。 
3.根据权利要求1所述的超低功耗远距离心电数据无线采集系统，其特征在于，所述导联电极由可附着在胸部的贴附基板上的导电橡胶和一个分离的参考电极组成，所述的心电采集处理电路设置有参考电极输入接口，参考电极的电信号通过接口与心电采集处理电路连接。
4.根据权利要求1所述的超低功耗远距离心电数据无线采集系统，其特征在于，所述的拓扑结构网络是星型拓扑结构网络。
5.根据权利要求1所述的超低功耗远距离心电数据无线采集系统，其特征在于，所述的拓扑结构网络是环型拓扑结构网络。 
6.根据权利要求1所述的超低功耗远距离心电数据无线采集系统，其特征在于，所述的拓扑结构网络是树型拓扑结构网络。
7.根据权利要求1所述的超低功耗远距离心电数据无线采集系统，其特征在于，所述的拓扑结构网络是网型拓扑结构网络。
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