CN103263263A - 基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，其采用调理电路采集生命参数;并通过超低功耗MCU进行数据处理;之后采用超低功耗ANT协议模块将数据发送至匹配的搭载有ANT_USB接收模块的PC机上，或将数据发送至ANT转蓝牙模块并中计转发给移动Android终端。PC机或移动Android终端收到数据后，应用程序可以显示出心电图、体温、血氧饱和度等生命特征参数，并进行疾病的诊断。应用程序还能够方便的记录、存储生命特征信息。当生命参数发生异常时，应用程序报警，并通过TCP/IP网络或移动互联网将结果发送至远程医疗救护系统，及时进行诊断和救治。
Description
技术领域
本发明属于生命信息采集技术领域，涉及一种生命信息采集监控系统，尤其是一种基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统。
背景技术
随着医疗水平与信息技术的不断发展，以治疗为主的传统医疗模式逐渐转向以预防为主的新型模式，建立起以医院为中心，社区家庭、个人为节点的远程监护网络的需求日益增加。
现有的远程监护系统主要是进行心电脉搏信号的监测预警，主要由两部分组成，心电信号采集模块和心电远程监护模块。心电信号采集模块有两种方案，一种是医院的线缆式Holter，将数据通过线缆传输给外部的数据发送模块，进行远程监护;一种是采用无线方式实时将心电信号传输出去。第一种方案用户移动不方便，第二种方案功耗上比较大。远程监护模块多采用Zigbee，蓝牙等协议，协议复杂，功耗高。网络转发采用有线的传统网络，在远离传统PC的环境无法做到远程监护。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，其可以采集心电，血氧饱和度，温度等生命信息，采用低功耗器件设计信号调理电路，不仅适合于室内监控，而且利用移动Android终端，还可以适用于室外活动时进行远程监护，能够长时间记录生命信息，有利于医生的诊断。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:
这种基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，包括生命信息采集处理模块和生命信息监控模块;所述生命信息采集处理模块包含心电信号采集调理模块，血样饱和度采集调理模块，微处理器处理模块，ANT无线发送模块;所述心电信号采集调理模块和血样饱和度采集调理模块的输出端连接至微处理器处理模块的输入端，所述微处理器处理模块的输出端连接至ANT无线发送模块的输入端;所述微处理器处理模块还连接有蓝牙无线模块;所述生命信息监控模块包含PC端监控模块和移动Android终端监控模块;所述PC端监控模块包括PC机以及设置在PC机上的ANT_USB无线模块;所述移动Android终端监控模块包括Android设备以及ANT转蓝牙协议模块;所述ANT_USB无线模块和ANT转蓝牙协议模块通过ANT网络与ANT无线发送模块连接。
上述心电信号采集调理模块和血样饱和度采集调理模块对生命信号经过采集转换放大之后，微处理器处理模块对生命信号进行危急特征检测处理，如果检测到异常则进行报警，并将生命信息和初步诊断结果实时发送出去;如果没有异常情况，则定时发送生命信息数据。
上述微处理处理模块与ANT无线发送模块通过SPI接口连接，所述ANT无线发送模块能够同时发送至PC端监控模块和移动Android终端监控模块;ANT无线发送模块采用应答模式将采集到的经过编码的原始数据发出、采用突发模式将处理器初步诊断结果发出，并在有效数据发送间隙采用广播模式来维持通道的同步。
上述PC机上设置有PC端生命信息监控模块，所述PC端生命信息监控模块通过ANT_USB模块接收到数据之后应用程序画出心电图和显示体温和血氧饱和度信息，并利用编写的生命信息自动分析算法进行疾病诊断，发现异常时报警并将数据通过TCP/IP网络发送给远程医疗中心。
上述ANT转蓝牙协议模块是通过超低功耗微处理器实现协议的转换，ANT接收模块接收数据后通过SPI接口发送给微处理器，微处理器再通过异步串口将数据转发给蓝牙模块，蓝牙模块配置之后自动将数据发送至相匹配的终端蓝牙设备。
上述Android设备通过Android应用配置并打开蓝牙，应用程序接收转发数据并在画出心电图、统计体温、血氧饱和度的生命信息，利用编写的生命信息自动分析算法进行疾病诊断，发现异常时报警并通过移动互联网将数据发送至远程医疗中心。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
本发明基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统可以采集心电，血氧饱和度，温度等生命信息，采用低功耗器件设计信号调理电路，采用超低功耗微处理器加载有自己设计的危急特征提取算法。在检测到有病情时才实时完整的发送生命信息。其余情况定时发送生命信息。因为无线收发是生命信息采集处理模块功耗比较大的部分，这样能有有效降低功耗。无线发送模块选用ANT协议模块，ANT协议简单，发送接收功耗比Zigbee协议低。远程监护模块本系统采用两种方案，传统的PC机监控模块和移动Android终端监控模块。PC端监控适合于室内监控，移动Android终端主要适用于室外活动时进行远程监护。两种监护终端都可以长时间记录生命信息，有利于医生的诊断。本系统低功耗、便携式等优点更加便于生命信息采集监控系统的普及。
附图说明
图1是本发明系统总体模块示意图。
图2是本发明实施例系统总体模型示意图。
图3是发明调理、处理、无线发送模块连接图。
图4是发明协议数据中继转换模块连接图。
图5是发明前端节点数据采集处理无线发送软件流程图。
图6是ANT到蓝牙协议转换软件流程图。
图7是终端软件功能结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
参见图1和图2，本发明基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，包括生命信息采集处理模块和生命信息监控模块;
所述生命信息采集处理模块包含心电信号采集调理模块，血样饱和度采集调理模块，微处理器处理模块，ANT无线发送模块;所述心电信号采集调理模块和血样饱和度采集调理模块的输出端连接至微处理器处理模块的输入端，所述微处理器处理模块的输出端连接至ANT无线发送模块的输入端;所述微处理器处理模块还连接有蓝牙无线模块;
所述生命信息监控模块包含PC端监控模块和移动Android终端监控模块;所述PC端监控模块包括PC机以及设置在PC机上的ANT_USB无线模块;所述移动Android终端监控模块包括Android设备以及ANT转蓝牙协议模块;
所述ANT_USB无线模块和ANT转蓝牙协议模块通过ANT网络与ANT无线发送模块连接。
所述心电信号采集调理模块和血样饱和度采集调理模块对生命信号经过采集转换放大之后，微处理器处理模块对生命信号进行危急特征检测处理，如果检测到异常则进行报警，并将生命信息和初步诊断结果实时发送出去;如果没有异常情况，则定时发送生命信息数据。
所述微处理处理模块与ANT无线发送模块通过SPI接口连接，所述ANT无线发送模块能够同时发送至PC端监控模块和移动Android终端监控模块;ANT无线发送模块采用应答模式将采集到的经过编码的原始数据发出、采用突发模式将处理器初步诊断结果发出，并在有效数据发送间隙采用广播模式来维持通道的同步。
所述PC机上设置有PC端生命信息监控模块，所述PC端生命信息监控模块通过ANT_USB模块接收到数据之后应用程序画出心电图和显示体温和血氧饱和度信息，并利用编写的生命信息自动分析算法进行疾病诊断，发现异常时报警并将数据通过TCP/IP网络发送给远程医疗中心。
所述ANT转蓝牙协议模块是通过超低功耗微处理器实现协议的转换，ANT接收模块接收数据后通过SPI接口发送给微处理器，微处理器再通过异步串口将数据转发给蓝牙模块，蓝牙模块配置之后自动将数据发送至相匹配的终端蓝牙设备。
所述Android设备通过Android应用配置并打开蓝牙，应用程序接收转发数据并在画出心电图、统计体温、血氧饱和度的生命信息，利用编写的生命信息自动分析算法进行疾病诊断，发现异常时报警并通过移动互联网将数据发送至远程医疗中心。
为了使技术人员更好的理解本发明，下面结合各模块部分软件流程对整个系统进行介绍说明。
如图2第一部分所示本实施例首先采用连接于胸部或肢体的导联电极、体温传感器、血氧饱和度采集夹获取人体的心电信号、体温和血样饱和度信号，经过信号调理电路的滤波、多级放大之后，通过超低功耗MSP430微处理器的10位AD转换器将各模拟信号采集到处理器，进行分析处理。MSP430微处理器将处理后的数据通过SPI接口相连的型号为AP2000的ANT无线模块无线发出。
如图3所示为前端节点调理、处理、无线发送模块连接图，其中MSP430微处理器通过AD转换器采集信号调理电路的信息川NT无线模块与MSP430微处理器通过SPI同步串行接口连接。其中ANT无线模块配置为SPI主机模式，MSP430处理器配置为SPI从机模式。
本发明中采用TI公司MSP430G2553超低功耗微处理器构建中心处理单元。MSP430单片机在低功耗方面表现出色，支持快速休眠，大量节省系统能耗，并且在恶劣条件下工作性能稳定。所采用的G2553型号加载有自主设计的危急特征提取算法，能够满足设计的需求。
ANT无线模块采用挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片为基础构建无线ANT网络模块。目前无线传输技术有ZigBee、WIFI、Bluetooth等协议。但通过对比，这些比较成熟的协议中，ANT和ZigBee协议在功耗和开发成本方面有优势。ANT协议芯片的功耗更是比ZigBee协议芯片更低，仅用一块纽扣电池的工作寿命就在三年以上，是ZigBee的5倍以上。而在开发成本方面，ANT对控制器的资源要求只是ZigBee的1/5。为了进一步的降低成本和功耗本发明采用ANT协议作为无线收发协议，选用了挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片作为无线收发模块的芯片。
ANT协议有三种数据发送模式，分别为广播模式、应答模式、突发模式。本发明中为了将经过分析处理的数据既能正确，又能节约能耗的发送给接收端，采用不同模式发送不同数据。采用应答数据模式发送采集到的原始数据，供上位机画出心电图以及数据进一步分析使用;采用突发模式发送经过微处理器计算处理后的结果，如心率值、RR间期、体温、血氧饱和度等;由于本模块采用同步模式进行数据发送，因此在有效数据发送的间期采用广播模式发送数据维持通道的同步。
如图5所示为生命信息采集处理模块的软件工作流程。MSP430微处理器首先进行初始化各硬单元。配置并打开ANT网络通道，打开定时器之后对采集模拟数据进行采样转换，当接受存储器满之后开始对数据进行处理诊断，并产生ANT通道事件将数据和消息发出，并且每隔5分钟动态更新算法所需参数。保证该系统在多种环境下对不同用户的生命信息进行智能分析处理。
如图2所示，PC机作为监控终端时，PC机通过型号为AP3000的ANT_USB无线模块接收数据。通过配置无线接收模块与无线发送模块匹_配之后开始接收数据，在PC机进行进一步的分析诊断并显示数据结果和图形。发现异常情况时发出报警信号，并将异常数据通过TCP/IP网络传送至远程医疗中心。
由于手机等移动终端一般配置有蓝牙装置，而蓝牙设备成本和功耗都远大于ANT，因此在数据发送至手机之前采用ANT到蓝牙的协议转换模块，利用该数据中继转换模块既可以和搭载有蓝牙的移动设备很好的配对又可以极大的降低前端设备的成本和功耗，进而降低整个系统的成本和功耗。
如图4所示本发明中ANT与蓝牙之间协议数据转换模块连接图，其中ANT无线发送模块AP2000与MSP430微处理器之间依然采用SPI同步串行接口连接，AP2000配置为主机，微处理器配置为从机。MSP430与蓝牙模块HC-05通过异步串行接口UART连接。MSP430处理器进行数据转发。
如图6所示为协议转换模块软件流程图。
本发明中终端Android移动设备，通过应用程序配置打开蓝牙并接受数据转发模块数据，并进行进一步分析处理之后进行显示和诊断，在发现异常时发出报警将数据在应用端通过移动互联网传送至远程医疗中心。
如图7所示是本实施例系统终端应用软件的功能结构图，按照此功能结构实现软件功能，界面清晰。操作简单方便。可以实现对用户信息和检测数据的实时记录、查询、诊断，并在发现有异常时，能及时提供病人平时在医院所不能及时采集到的生命信息，帮助医生进行诊断和治疗，提高医疗准确度确保使用者生命健康得到准确的监护和保证。
本发明的工作原理如下:
(1)本发明首先通过调理电路将连接在肢体或胸部的导联电极采集的心电信号和其他传感器采集的生命信号通过多级滤波和放大得到有效的信号，之后通过超低功耗微处理器的AD转换接口采集数据进行处理和危急特征提取。
(2)微处理器处理之后将数据通过与SPI接口连接的ANT无线发送模块采用应答模式将采集到的经过编码的原始数据发出、采用突发模式将处理器初步诊断结果发出，并在有效数据发送间隙采用广播模式来维持通道的同步。
(3)ANT无线模块与主控微处理器之间采用带消息流控制的半双工同步模式，其中ANT模块配置为同步主模式，主控微处理器配置为同步从模式。
(4)ANT无线模块将数据发出之后，搭载有经过配置与ANT发送模块相匹配的ANT_USB接收模块的个人PC上位机应用接收到数据之后，分别对不同发送模式进行解码和处理，在上位机上画出心电图，显示心率、体温、血氧饱和度等信息并在对信号进一步处理之后显示诊断出结果。在发现异常时，发出报警信号，并通过TCP/IP网络将异常数据发送至远程监护系统进行进一步精确诊断治疗。
(5)由于手机等移动终端一般配置有蓝牙装置，而蓝牙设备成本和功耗都远大于ANT，因此在数据发送至手机之前采用ANT到蓝牙的协议转换模块，利用该数据中继转换模块既可以和搭载有蓝牙的移动设备很好的配对又可以极大的降低前端设备的成本和功耗，进而降低整个系统的成本和功耗。
(6)ANT到蓝牙协议转换模块通过超低功耗微处理器实现协议的转换，微处理器通过SPI串行同步接口控制ANT接收模块接收ANT数据再通过异步串口将数据转发给蓝牙模块，蓝牙模块配置之后自动将数据发送至相匹配的终端蓝牙设备，通过移动设备进行方便的操作。
移动终端设备通过Android应用配置并打开蓝牙，接收转发数据并在应用上画出心电图、体温、血氧饱和度等生命信息，进行智能诊断，在发现异常时发生报警，并通过移动互联网将异常数据发送至远程监护系统协助医生进行诊治。
综上所述，本发明通过物联网技术将生命信息采集预处理、危急特征提取、ANT无线、协议转换、PC上位机显示、Android终端应用和远程医疗中心联系起来，形成一个新的个人健康监护系统结构，并且功耗小成本低而且整套系统操作方便简单。
Claims (6)
1.一种基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，其特征在于，包括生命信息采集处理模块和生命信息监控模块;
所述生命信息采集处理模块包含心电信号采集调理模块，血样饱和度采集调理模块，微处理器处理模块，ANT无线发送模块;所述心电信号采集调理模块和血样饱和度采集调理模块的输出端连接至微处理器处理模块的输入端，所述微处理器处理模块的输出端连接至ANT无线发送模块的输入端;所述微处理器处理模块还连接有蓝牙无线模块;
所述生命信息监控模块包含PC端监控模块和移动Android终端监控模块;所述PC端监控模块包括PC机以及设置在PC机上的ANT_USB无线模块;所述移动Android终端监控模块包括Android设备以及ANT转蓝牙协议模块;
所述ANT_USB无线模块和ANT转蓝牙协议模块通过ANT网络与ANT无线发送模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，其特征在于，所述心电信号采集调理模块和血样饱和度采集调理模块对生命信号经过采集转换放大之后，微处理器处理模块对生命信号进行危急特征检测处理，如果检测到异常则进行报警，并将生命信息和初步诊断结果实时发送出去;如果没有异常情况，则定时发送生命信息数据。
3.根据权利要求1所述的基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，其特征在于，所述微处理处理模块与ANT无线发送模块通过SPI接口连接，所述ANT无线发送模块能够同时发送至PC端监控模块和移动Android终端监控模块;ANT无线发送模块采用应答模式将采集到的经过编码的原始数据发出、采用突发模式将处理器初步诊断结果发出，并在有效数据发送间隙采用广播模式来维持通道的同步。
4.根据权利要求1所述的基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，其特征在于，所述PC机上设置有PC端生命信息监控模块，所述PC端生命信息监控模块通过ANT_USB模块接收到数据之后应用程序画出心电图和显示体温和血氧饱和度信息，并利用编写的生命信息自动分析算法进行疾病诊断，发现异常时报警并将数据通过TCP/IP网络发送给远程医疗中心。
5.根据权利要求1所述的基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，其特征在于，所述ANT转蓝牙协议模块是通过超低功耗微处理器实现协议的转换，ANT接收模块接收数据后通过SPI接口发送给微处理器，微处理器再通过异步串口将数据转发给蓝牙模块，蓝牙模块配置之后自动将数据发送至相匹配的终端蓝牙设备。
6.根据权利要求1所述的基于物联网技术的超低功耗无线生命信息采集监控系统，其特征在于，所述Android设备通过Android应用配置并打开蓝牙，应用程序接收转发数据并在画出心电图、统计体温、血氧饱和度的生命信息，利用编写的生命信息自动分析算法进行疾病诊断，发现异常时报警并通过移动互联网将数据发送至远程医疗中心。
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