基于射频技术的穿戴式医疗仪器的设计

1、引言

穿戴式医疗仪器可实现对人体非介入式、无创的医疗监测，具备可移动操作、使用简便、长时间持续工作等特点。可以减少病人的生理和心理负担，达到更好的 检测效果。因此，它的发展越来越受到关注。目前，穿戴式医疗仪器在实现从人体上的监护仪器到用户端上位机的无线传输手段包括蓝牙、射频、红外等。从现有文献看，以蓝牙的使用最为广泛。但蓝牙的成本高，这对于仪器未来的普及是个很大的障碍。红外的传输距离短、抗干扰差，现在已基本不使用。射频具有价格低、传输距离长等特性，特别是高性价比射频芯片的不断出现，使得它的使用也越来越受青睐。本文设计了一种基于nRF905射频芯片，来实现生理信号的无线传输。同时，相对于其它类似的设计，本设计还充分考虑了用户生理信息的安全性，在数据无线传输前对数据进行了加密处理，以保护用户的健康隐私。

2、系统结构的设计

本设计的总体结构由生理信号采集电路、数据加密、射频发射、接收及用户主机几个模块组成，如图1所示。首先由采集电路获取所要监测的生理数据；然后将获取的数据进行加密处理后，再通过射频发给用户主机；主机将接收到的数据进行后续处理。前端和后端之间可以通过射频进行相互的通讯。

图1、总体设计框图

2．1、采集电路

采集电路主要是由传感器电路、放大滤波电路及A/D转换等组成。

（1）传感器电路：传感器是将所要监测的生理信号转化为电信号，监测不同的生理信号需要采用不同的传感器。在本设计中，主要对心电和脉搏波进行监测，采用的传感器是贴片电极和红外光电传感器，心电检测采用的是三导联方式。

（2）放大滤波电路：经传感器转换后得到的生电信号一般幅值较低，且带有很大的噪声干扰，必须进行放大滤波处理。放大电路的放大倍数需综合考虑传感器 获取的生理信号的幅值大小以及A/D转换器的动态范围。本设计中，心电和脉搏波的放大倍数都采用1000倍。滤波处理包括带通滤波和50波。设计中，带通 滤波采用的是二阶有源带通滤波电路，心电和脉搏波对应的带宽分别为0．1Hz一1和0．1 Hz～30Hz。50Hz工频干扰是生理信的噪声来源，50Hz干扰消除的效果直接决定了最获取信号的好坏。本设计采用的是非对称阻容网络陷波器，其优点 在于可根据干扰源频率和干扰强度进行陷波频率和Q值的调节。

（3）A/D转换：设计中采用的是10位的A换器，其动态范围为-2．7V一2．7V，心电的采样为200Hz，而脉搏波的采样频率为60Hz。由于上述电路的设计目前已经相当成熟，本文对这些电路的具体设计就不再作详细说明。

2．2、数据加密、解密

本设计采用nRF905射频芯片实现数据的无射和接收，任何相同的芯片，只要内部寄存器配置一致，它们之间就能实现数据的通讯。由于用户的生理信号涉及到用户的隐私问题怛J，因而为了保证用户数据在无线传输时的安全性，必须对数据进行加密处理，而这一步骤在类似的研究中常常被忽略掉【3。J。在本设计中，采用了AES∞o（Advanced EncrypStandard）软件加密算法来完成这一过程。常用的硬件加密，一方面提高仪器的轻便性，另一方面又可以降低仪器的成本。AES算法是分组加密的方法，分为加密和解密两个部分。它将一定长度的明文分组进行相应次的轮变换，每一次的密钥都是由一定长度的初始密钥变换而来，最后得到加密好的密文分组，长度和明文分组相同。解密时将密文分组进行相同次数的逆变换，逆变换就是轮变换的逆过程，从而得到原始的明文分组。

AES支持128、192或256比特三种密设计采用的是128位密钥长度。

2．3、射频发射、接收

本设计采用nRF905射频芯片实现数据的无传输。nRF905是挪威Nordic公司推出发射器芯片，32引脚QFN封装（5×5mm）压为1．9V一3．6V，工作于433／868／ISM频道（可以免费使用）。nRF905可以处理字头和CRT（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动 完成曼彻斯特编码／解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以一10dBm的输出功率发射时电流只有11m收模式时电流为12．5mA。nRF905不仅戴式医疗仪器低功耗的要求，并且能同时保证传输速率以及传输距离。经实际测量，在室内有墙壁阻隔，无剧烈运动的情况下，传 输距离达到30m以上，因而被监测者可以在室内自由活动。无线传输丢包率在1／10 000内，能保证传输数据不丢失。最大输速率可达100kbs。

2．3．1、硬件连接

设计中，前端采用C8051F330单片机（MC现对nRF905的控制，而后端采用s3C2440（ARM9）来控制。其结构框图如图2所示：

图2、信号收发电路结构框图

MCU和ARM9通过SPI总线来对