CN110072278A - 一种基于低功耗蓝牙的无线多节点生理信号监护系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于低功耗蓝牙的无线多节点生理信号监护系统，由多个生理信号测量节点和智能手机路由节点组成，各测量节点与手机节点间基于低功耗蓝牙协议进行传输，其特征是，各测量节点测量数据间的起点同步采用这样的方法：(1)手机依次向各测量节点发送同步触发包，同步触发包带有手机当前发送时刻的时间戳与各节点同步触发时刻的时间戳字段；(2)各测量节点通过计算收到的同步触发包中两时间戳时间差，将同步触发时刻到来时最近的采样点作为初始上传采样点，即最初的数据起点；(3)在上传的每包数据中都加入该包数据取样值的计数。本系统方案可保证各测量节点数据在时间轴上数据起点的同步。

Description

一种基于低功耗蓝牙的无线多节点生理信号监护系统
技术领域
本发明涉及一种基于低功耗蓝牙的无线多节点生理信号监护系统。
当监测人体生理信号的种类比较多或测点数比较多时，生理信号监护系统有必要采用多测量节点无线通信的模式，一方面尽早地实现生理信号的数字化，另一方面尽量减小导线的长度和数量，从而保障所测量生理信号的记录质量和监测时人体的舒适度。每个测量节点的功能，包括生理信号的调理、AD和作为无线通信的一个终端等功能。
由于智能手机的普及和功能的强大，这样的多节点无线生理信号监护系统常常以手机作为一个路由节点，一方面与其他测量节点进行通信、实时收集各节点检测的生理信号数据，另一方面可对收集的数据进行存储、处理、显示等。智能手机还可以方便地实现与云端的交互。
智能手机路由节点和各测量节点间的无线通信，涉及应用层协议和低层协议。手机的低层协议一般只涉及蓝牙和WIFI两种协议。由于Wi-Fi的功耗很大，所以可穿戴设备中优先选用蓝牙协议，而且是低功耗蓝牙协议。
背景技术
在无线多节点生理监测应用中，有时对实现多生理数据的同步要求较高。譬如，我们使用一个无线节点测量一路心电信号，用另一个无线节点测量一路脉搏波信号，在手机端利用两个节点传来的数据计算逐搏血压，这时保持记录的两路信号数据的同步性是计算脉搏波传导时间的基础。再如，在睡眠监测中，当我们利用多个无线节点分别记录了脑电、心电、呼吸波等生理信号，为了分析它们之间的因果联系，也需要保证它们之间数据的严格同步性。
多生理数据同步性在实现时要考虑的因素，无疑包括数据起点的同步和时钟频率的准确性两个方面。由于智能手机节点和多个无线测量节点间不共用时钟，使用各自的晶体振荡器，因此，实现它们时钟频率的绝对同步是不可能的；好在人体心电、脑电等生理数据大都是慢变量，各节点时钟频率的不准确性造成的不同步性影响对有限长生理数据的分析可以忽略不计。关键要考虑数据起点的同步问题。
关于数据起点的同步，不仅包括多节点信号最初起点的同步，也包括实际应用中，因通信链路中断、误码和数据缓存覆盖等情况导致数据包丢失后的起点同步等。生理信号虽常是缓变信号，对于单个节点而言，部分数据的丢失从视角上可能影响不大，但是在长时间监测的背景下，任凭数据丢失而不采取措施，则多节点数据将在时间轴上完全错位，对于多生理数据的融合分析失去意义。
数据起点同步现有的一种解决方案是：在每个无线节点中通过无线通信和时钟同步算法来维护一个绝对时钟，在每个通信包中标记此绝对时钟，即将多节点生理数据的起点同步问题转换为一个绝对时钟的维护问题。这种方案的缺点是：在低功耗蓝牙的应用背景下，为了保障低功耗或超低功耗的实现，维护一个绝对时钟在这样的节点上无法实施。
数据起点同步现有的另一种解决方案是：由路由节点广播触发包，各无线测量节点收到触发命令后，同时开始采集记录数据。对WIFI类不考虑功耗的节点来说，此触发同步方式可能不失为解决数据起点同步的一种有效方案，主设备通过广播的方式通知所有的从节点，各节点可以在几近于同一时刻接收到广播的时间戳，从而确定参考时间点。然而，对于低功耗蓝牙协议而言，这种广播触发方式也无法实施数据起点的同步。
低功耗蓝牙协议使用2.4GHz频段的40个信道传输数据，其中信道37、38、39为广播信道，在连接之前，广播者在3个信道依次广播，扫描者在同样的3个信道依次扫描广播数据包，也就意味着，多个扫描者不一定会在同一时间扫描到同一信道的广播数据包。在实际应用中通常广播间隔较长，多个扫描者很可能扫描到广播数据包的时间差异很大，也就无法达到同步触发的目的，一个广播者和多个扫描者之间的通信模型如附图2所示。如果只在同一个通道广播及扫描，如果该通道一直受到干扰，则无法收到广播数据包，不符合低功耗蓝牙跳频抗干扰的原则，在实际应用中是不合理的。
低功耗蓝牙是分包发送的协议，在连接建立之后，主机与从机之间按照连接过程中协商好的连接间隔进行数据交互，即使没有有效数据，也需要交换链路信息以保持连接，每个连接间隔发生的通信过程称为连接事件；在一对多的情况下，主机以时分复用的方式处理多个连接间的通信，也就是说，主机在某个时刻的通信仍然是单点的，低功耗蓝牙主从设备连接后的通信模式如附图3所示，master与三个slave节点时分复用通信，connEvent表示一个连接事件。
总之，在低功耗蓝牙背景下，尚没发现手机节点和各无线测量节点配合来实现多节点生理数据起点同步的好的解决方案。
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发明内容
发明目的。
对基于低功耗蓝牙的无线多节点生理信号监护系统的数据起点同步问题，提出一种切实可行的解决方案。
技术方案。
一种基于低功耗蓝牙的无线多节点生理信号监护系统，由多个生理信号测量节点和智能手机路由节点组成，各测量节点与手机节点间基于低功耗蓝牙协议进行传输，其特征是，各测量节点测量数据间的起点同步采用这样的方法：(1)手机依次向各测量节点发送同步触发包，同步触发包带有手机当前发送时刻的时间戳与各节点同步触发时刻的时间戳字段；(2)各节点通过计算收到的同步触发包中两时间戳时间差，将同步触发时刻到来时最近的采样点作为初始上传采样点，即最初的数据起点；(3)在上传的每包数据中都加入该包数据取样值的计数，以便当出现了数据丢失或者覆盖时，主机通过比对数据包取样值计数来发现丢失的采样点并给予插补，并丢弃重复的数据。本系统方案可保证各测量节点数据在时间轴上数据起点的同步。
以上基于低功耗蓝牙的无线多节点生理信号监护系统数据起点同步的原理可再进一步说明如下。
智能手机与多个无线节点首先建立稳定的连接，此时连接事件无实际数据交互；之后，手机端依次给各个从测量节点发送开始采样命令，保证各个测量节点在传输开始时已经采样稳定并且有足够的数据，同步触发是针对无线传输的开始，并不需要各节点同时采样；再经过稳定的间隔之后，手机端开始给各个节点依次发送同步触发数据包，数据包中包含当前时间戳tcurrent以及同步触发时间戳ttrigger，某个节点收到数据包后计算延迟时间(ttrigger-tcurrent)，通过本地定时器在ttrigger时刻将之后的第一个采样点记为第一个需要上传的采样点，开始更新采样计数值为1；为了防止单个数据包丢失或延迟，针对每个节点以固定间隔连续发送同步触发数据包，从节点可以通过多次计算求取平均值提高触发精度，同步触发的原理如附图4所示。
当所有节点都拥有初始采样值之后，采样计数值随着采样点数递增，在不断电的前提下，对于从节点采样计数值是根据采样周期连续增长的；尽管采样是连续的，但发送数据包时间与采样之间并没有同步的关联，从节点的应用层只负责将采样值放入缓存中，并更新采样计数值，等待下一连接事件。智能手机端依靠从节点上传的采样计数值处理数据丢包、覆盖、错乱等鲁棒性问题，本系统方案的应用层协议不以找回丢失数据为目的，而是感知数据完整性的变化。
为了维持节点数据的完整有序，从机FIFO设计的原则是始终传输最新采集的数据。当主机端请求数据时，若从机FIFO已产生覆盖，则只传输最新数据包，此时会丢失部分数据，当然，在整体吞吐量足够的情况下，FIFO覆盖所出现的几率极低；当主机端请求数据时，若从机缓存没有足够数据，则立即将已有数据打包上传；也就意味着，在未丢失的情况下，智能手机端总是能接收到最新计数值的数据，从机FIFO的设计如附图5所示。
当智能手机端根据采样计数值感知到数据重复时，比对丢弃重复数据；当采样计数值出现了跳跃即数据丢失时，通常这种丢失来自于主从机缓存问题或是数据链路的不稳定，智能手机端记录下丢失的数据段，同时可通过延展的方式将数据补齐，方便数据的可视化；若由于人的活动等导致连接中断，由于从节点的采样并未停止，重连从节点并不会对数据的完整有序造成影响，大段数据的丢失采用置零补齐。若选择新加入设备，则需要手动重新触发，新加入设备不会影响之前已有节点的同步性，只是新开始一个同步过程。
结合各个不同生理信号的采样周期，由采样点维持的有序数据可以转换为连续时间，某次采样值对应的时间点可由t＝ttrigger+n×Ts，式中n为采样计数值，Ts为某从节点的采样周期；尽管受时钟漂移的影响，但在12h监测并且各个节点无线传输模块软硬件结构一致的条件下，可以以很小的开销维持整个系统的数据同步。
有益效果。
本系统由智能手机路由节点统一管理多节点采集模块，针对多节点的数据传输设计了基于同步触发和采样值计数的通信协议，保证了多节点数据起点的同步性。附图6为多个无线测量节点测量同一路信号以验证其同步性效果，为了方便观察，源信号采用正弦波信号，可看出两路信号在显示上几乎是一致的。经计算，图6中不同测量节点记录的同一正弦信号的最大互相关系数为0.9997，时延平均误差为2.5ms。总的来说，本文所构建的系统可以有效的满足多路信号数据起点的同步性。
附图说明
图1本发明无线多节点生理信号采集系统示意图
图2低功耗蓝牙一个广播者与多个扫描者之间的通信模型
图3低功耗蓝牙一主多从连接事件模型
图4本发明同步触发原理图
图5本发明从机FIFO鲁棒性设计示意图
图6本发明两路信号同步显示示意图
图7本发明实际脑电、心电、呼吸信号数据包设计示意图
图8本发明实现的安卓上位机扫描和显示界面
图9本发明安卓上位机软件流程图
实施例
按本发明技术方案，依据附图1结构框图，设计了三个节点的生理信号采集模块端，智能手机平台采用安卓系统；在模块端低功耗蓝牙无线微控制器选用TI公司的CC2640R2F，每个模块都包括模拟前端、无线微控制器以及电源部分。
以针对脑电、心电、呼吸信号的应用场景为例，采样率均设为500Hz，其中脑电16路，心电4路以及单路呼吸信号，单个采样值均由3字节量化，每包还包括4字节的采样值计数，各个信号的数据包有效负载结构如附图7所示，在一对多的情况下，脑电节点每包放置5次采样数据，心电节点每包放置10次采样数据，呼吸信号每包放置20次采样数据，各自的采样计数值增加相应的数值；同时各个节点的连接时间间隔与每包中放置的数据点数和采样频率有关，脑电节点的设计传输间隔为10ms，心电、呼吸信号的传输间隔分别为20ms、40ms。
安卓终端设计首先包括扫描和显示两个界面，如附图8所示。用户首先点击扫描出现范围内的所有采集设备，可以勾选部分或全部采集设备显示，进入显示界面即开始同步触发多个节点的数据上传，同时所有的数据以文本形式存储在内存中，方便后续读取，上位机程序流程如附图9所示。安卓终端在收到每包数据后都需要对齐进行完整性检查，丢弃重复的数据，同时根据采样计数值对丢失的数据补齐，若某设备意外断连，系统首先发出警告并尝试自动重连设备，重连后的设备不影响数据的同步性。

Claims (1)

1.一种基于低功耗蓝牙的无线多节点生理信号监护系统，由多个生理信号测量节点和智能手机路由节点组成，各测量节点与手机节点间基于低功耗蓝牙协议进行传输，其特征是，各测量节点测量数据间的起点同步采用这样的方法：(1)手机依次向各测量节点发送同步触发包，同步触发包带有手机当前发送时刻的时间戳与各节点同步触发时刻的时间戳字段；(2)各测量节点通过计算收到的同步触发包中两时间戳时间差，将同步触发时刻到来时最近的采样点作为初始上传采样点，即最初的数据起点；(3)在上传的每包数据中都加入该包数据取样值的计数，以便当出现了数据丢失或者覆盖时，主机通过比对数据包取样值计数来发现丢失的采样点并给予插补，并丢弃重复的数据。
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