程嘉奇，谢　生，毛陆虹，陈力颖

(1.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072；2.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387)

基于UHF RFID技术的无线脉搏血氧监测系统设计*

程嘉奇1，谢生1，毛陆虹1，陈力颖2

(1.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072；2.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387)

摘要:针对我国人口老龄化和医疗资源紧张问题，设计了一种基于900MHz UHF RFID技术的无线脉搏血氧传感系统。系统整体构架由光电传感器、微处理器、RFID标签、RFID阅读器和上位机组成。光电传感器和微处理器实时采集和处理脉搏血氧信号，RFID标签和阅读器实现数据无线通信，最终通过上位机完成数据收集和界面显示。实验结果表明：所设计系统与临床用血氧检测仪具有良好的一致性，且具有无线传输和低功耗的特点，为无线生物传感芯片的设计开发提供了参考。

关键词：无线传感器网络；射频识别；健康监测；可穿戴系统；血氧饱和度

0引言

根据联合国最新发布的《世界人口展望》，未来50年全球老龄化规模和比例迅速上升，到2050年，60岁以上人口的比例预计达到22 %，老龄化已成为全球性问题[1,2]。为应对我国人口老龄化高峰，民政部门、国有企业和消费者在未来5年的医疗保健支出将增长2倍，达到8万亿元人民币[3]。而据世界卫生组织的统计数据，2012年中国每万人口拥有医生数仅为14.6人，远低于欧美等发达国家的水平[3]。因此，在当前医疗资源紧张、就医成本高及医患关系复杂的环境下，如何充分利用信息技术构建智慧医疗服务平台成为医疗卫生行业的研究热点[4,5]。

近年来，随着微电子、无线通信和传感器技术的不断创新，使得物联网和无线传感网络得到快速发展，并被广泛应用到医疗卫生行业中，于是便于患者穿戴的医疗检测设备应运而生[6,7]。例如:刘广伟等人利用2.4 GHz RFID技术，开发出可收集患者体温和位置信息的生命体征定位系统[8]，但其并未涉及血氧脉搏信息的监测；而刘元建等人则基于ZigBee技术设计了社区心电监护系统[9]，但由于功耗较高，可穿戴性差。最近，浙江大学的曹端喜等人基于WiFi技术开发出了穿戴式嗅觉机器人进行气味检测[10]，然而WiFi技术成本较高。上述三种技术均基于2.4 GHz频段，在同频段内易相互干扰，系统稳定性较差。而符合ISO/IEC 18000—6C国际标准的、工作在900 MHz的UHF RFID由于成本和功耗低、抗干扰能力强的优点，且与物联网和无线传感网络的融合性更好，因而具有更广阔的应用前景。然而截止目前尚未看到900 MHz UHF RFID技术和生命体征检测相结合的研究报道。

本文基于符合ISO/IEC 18000—6C 协议的UHF RFID系统的无线通信、抗干扰能力强和低功耗等特点，同时结合光电脉搏血氧传感器和微处理器等电子设备，设计了一种可实时监测和记录患者脉搏血氧信息的生命特征传感系统。实现了生命信息采集、数据处理、模块间通信、无线传输和界面显示等一系列功能，为实现可穿戴式的无线生物传感芯片的设计开发提供了可借鉴的设计方案。

1检测原理

对目前临床广泛使用的指夹式脉搏血氧检测仪而言，其光电测试原理如图1所示。发光二极管LED1和LED2分别发射红光和红外光，而人体组织另一侧的光电探测器(PD)则负责接收透射光。由于血液中氧合血红蛋白(HbO2)与还原血红蛋白(Hb)对两种发射波长光的吸收特性不同，所以，可用分光光度法测定两种光的吸收量之比[11]。

图1　光电脉搏血氧探头的检测原理图Fig 1　Detecting principle of photoelectric pulse oximetry probe

由于皮肤、肌肉、骨骼及静脉血等人体组织对光的吸收恒定，所以当光透过这些组织后，PD可检测到光强的直流分量。而动脉血中HbO2和Hb对光的吸收由血容量决定，所以,心脏搏动引起血容量的变化可由透射光的强弱来表征，即脉搏容积波形可直观反映脉搏和透射光的交流分量。

根据光在人体组织中的扩散传输理论和Lambert—Beer定律[12]，红光透过人体组织后的变化率WR与红外光的变化率WIR之比为

(1)

根据HbO2和Hb对两种不同波长光的吸收特性，可推导出血氧饱和度SpO2与光强变化的关系式

(2)

由于脉搏容积波形随心脏搏动周期性变化，所以,通过测量相邻脉动峰间的时间差即可换算得出脉搏频率[13]。

2脉搏血氧传感系统的设计

2.1系统构架

基于UHF RFID技术的脉搏血氧传感系统的整体构架如图2所示，其主要包括传感器节点、RFID阅读器和主控上位机(PC)三部分。其中，传感器节点由脉搏血氧探头(Probe)、数据处理模块(DPM)和射频标签(RFID Tag)构成。阅读器通过USB接口和上位机相连接，二者共同负责协调血氧脉搏传感系统的管理任务，实时获取所有节点的传感信息，并规划和协调各节点的行为[14]。传感器探头(probe)、数据处理模块(DPM)和射频标签(RFID tag)则分别负责脉搏血氧信息的采集、处理和传输。

图2　系统结构框图Fig 2　Structure block diagram of system

2.2硬件设计

在实现系统基本功能的基础上，设备的小型化、低功耗和穿戴舒适性也是设计的重要指标，所以,选择合适的硬件是系统设计的关键步骤之一。在本文的设计中，传感器探头选用APMKorea公司生产的脉搏血氧传感器，完成光信号的采集和A/D转换。选用STC12C5A60S2型单片机作为数据处理模块，可以满足系统在功耗、工作电压和处理速度方面的要求[15]。RFID标签选用IDS Microchip公司的SL900A型UHF半有源标签芯片。其工作频段为860～960 MHz，内置片上EEPROM存储器，可存储数据信息，且功耗极低，记录模式下的工作电流仅为200 μA。

节点的硬件连接如图3所示。光电传感器通过UART格式的RS—232通用接口与主控单片机STC12C5A60S2连接，以读取传感器中的血氧脉搏信息，而单片机通过SPI接口和通用I/O接口与 RFID标签相连，对标签运行参数进行配置，并将传感器采集的信息写入标签内置存储器。

图3　节点的硬件连接图Fig 3　Diagram of node hardware connection

2.3软件设计

系统工作流程如图4所示。当启动系统主程序后，首先进行初始化，然后等待上位机向阅读器发送查询传感信息的命令。若未收到上位机的查询命令，则系统保持初始状态；若接收到查询命令，则阅读器通过空间电磁波向RFID标签顺序发送选择(select)、盘存(query)和访问(access)命令。当标签接收到查询命令后，通过数据处理模块向血氧脉搏传感器发送使能信号激活传感器，完成相应的数据采集，并将信息发送回数据处理模块，数据处理模块对接收到的数据格式进行校验。若通过格式校验，则系统对所接收数据进行提取和分析处理，计算血氧饱和度和脉搏数值；若未通过校验，则返回初始状态重新测量。随后数据处理模块和标签通过SPI接口进行通信，实现对标签的配置，通信数据如图5所示。DPM向标签发送使能信号(sen)、系统时钟(sclk)和数据输入(datain)三种信号，在使能信号输出高电平后，对应系统时钟发送三组数据输入，分别为命令类别、存储器地址和数据内容，其中,命令类别0x00配置为写入命令。RFID标签通过空间电磁波将脉搏血氧信息传送回阅读器和上位机。上位机中的脉搏血氧信息利用Microsoft Visual C++开发的图形界面程序实时显示和记录，以便医护人员查阅患者的当前和历史数据。完成一次信息采集后，系统进入休眠状态，在定时器程序计时结束后，系统返回初始状态，并重新开始下一轮数据采集处理流程。

图4　软件工作流程图Fig 4　Working flow of software

图5　SPI通信数据Fig 5　SPI communication data

3实验结果与分析

基于上述设计思路和器件选型，搭建了如图6所示的脉搏血氧传感系统进行验证。为验证本系统测试结果的准确性，同时选用康泰CMS50F型脉搏血氧仪作为参考。实验测试对象为10名无心肺疾病和家族遗传史的成年人，静坐3 min后开始测试，待观测数据稳定后记录结果。血氧饱和度和脉率测试结果见表1。

图6　脉搏血氧监测系统的验证平台Fig 6　Verification platform of pulse oximetry monitoring system

编号年龄性别标签血氧饱和度/%脉率/bpm 血氧仪血氧饱和度/%脉率/bpm160男97759776260女98529853338女98769877437男96729673526女98769776626男98799779724男98529854824男99659965923男966297621023男98809780

由表1可见，尽管取样患者的血氧饱和度和脉率存在个体差异，但本文设计的脉搏血氧监测系统与康泰血氧仪的测量结果基本一致，血氧饱和度和脉率的最大误差分别为±1 %,±2 bpm，如图7所示。由此可见，本文设计系统可精确、实时地采集脉搏和血氧饱和度信息，实现传感标签和阅读器间的无线通信，达到了设计要求。

图7　脉率和血氧饱和度的误差分析Fig 7　Error analysis of pulse rate and blood oxygen saturation

4结论

本文基于符合ISO/IEC 18000—6C协议的 UHF RFID技术，设计了一种可实时监测患者脉搏血氧信息的无线传感系统，并与临床用脉搏血氧仪进行了对比实验。二者血氧饱和度的最大测量误差为±1 %，而脉率的最大测量误差为±2 bpm。实验结果表明：本文设计的脉搏血氧传感系统与临床用血氧检测仪具有良好的一致性，且具有低功耗和无线传输的特点，为未来无线传感芯片的设计提供了设计参考。

参考文献:

[1]熊军.全球老龄化趋势和发达国家的应对措施[EB/OL].[2015—07—01] http:∥www.calss.net.cn/n1196/n1211/n1514/10957 053.html.

[2]武康平,倪宣明,殷俊茹.人口老龄化、经济增长与社会福利—基于内生经济增长理论的分析[J].经济学报,2015,2(1):47-60.

[3]许娜.中国老龄化吸引投资者涌入医疗行业[EB/OL].[2015—07—01].http:∥finance.sina.com.cn/stock/usstock/c/201502 11/180621531145.shtml.

[4]倪明选,张黔,谭浩宇,等.智慧医疗—从物联网到云计算[J].中国科学:信息科学,2013,43(4):515-528.

[5]吴艳艳,唐源.医院智能化建设及其在智慧医疗发展中的作用[J].医学信息学杂志,2015,36(3):38-41.

[6]Rodgers M M,Pai V M,Conroy R S.Recent advances in wearable sensors for health monitoring[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(6):3119-3126.

[7]Lee S C,Chung W Y.A robust wearable u-healthcare platform in wireless sensor networks[J].Journal of Communications and Networks,2014,16(4):465-474.

[8]Zheng Y L,Ding X R,Poon C C Y,et al.Unobtrusive sensing and wearable devices for health informatics[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2014,61(5):1538-1554.

[9]李超,苏中,朱嘉林.可穿戴式自主定位技术的零速触发算法研究[J].传感技术学报,2014,27(5):627-632.

[10] Liu G W,Mao L H,Chen L Y,et al.Locatable-body temperature monitoring based on semi-active UHF RFID tags[J].Sensors,2014,14(4):5952-5966.

[11] 刘元建,李红利,张荣华,等.基于物联网的社区心电监护系统设计[J].传感器与微系统,2015,34(8):112-115.

[12] 曹端喜,庄柳静,苏凯麒,等.基于WiFi技术的穿戴式动物嗅觉机器人[J].传感技术学报,2015,28(3):303-309.

[13] 李朝伟,张良才,陈敏.脉搏血氧饱和度仪的原理与临床应用[J].中国医学装备,2006,3(5):22-23.

[14] Yu C,Lin Z,Yu Y.Principles and design of infrared gas concentration detection device[C]∥International Conference on Biomedical Engineering and Informatics,2010:1556-1559.

[15] 刘广伟,毛陆虹,谢生,等.一种光电反射式脉搏血氧监测方法[J].光电子·激光,2014,25(3):620- 624.

[16] 邓志诚,许亮峰,赵安平,等.基于RFID的近距离无线控制系统[J].电子技术,2009,46(4):50-52.

[17] Zhang D L,Cai Z J,Li J J,et al.The wireless automatic meter reading and control system based on STC12C5A60S2[C]∥International Conference on Artificial Intelligence,Management Science and Electronic Commerce,2011:6044-6047.

Design of wireless pulse oximetry monitoring system based on UHF RFID technique*

CHENG Jia-qi1,XIE Sheng1,MAO Lu-hong1,CHEN Li-ying2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China；2.School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

Abstract:To relieve social issues caused by population-aging and insufficient medical resources,a wireless pulse oximetry monitoring system based on 900MHz UHF RFID technique is designed.The whole system is composed of photoelectric sensor,microprocessor,RFID tag，RFID reader and host computer.Photoelectric sensor and microprocessor realtime acquire and process pulse and oxygen saturation signal,RFID tag and reader realize wireless communication of data.Finally,the host computer achieves data acquisition and real-time displays.The experimental results show that the designed monitoring system can has characteristics of wireless transmission,and low power consumption provide a reference for design and development of wireless biosensing chip.

Key words:wireless sensor networks(WSNs);RF identification;health monitoring;wearable system;oxygen saturation

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0070—04

收稿日期：2015—09—24

*基金项目：天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(15JCYBJC16300)

中图分类号：TP 212.3;TP 274.2

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)05—0070—04

作者简介:

程嘉奇(1992-)，男，河北邢台人，硕士研究生，主要研究方向为数字集成电路设计、射频识别技术。