高志新

摘 要：提出了一种基于低功耗藍牙的无线心电和血氧健康监护系统，完成了蓝牙模块硬件设计和手机应用的软件设计。实现了人体心电和血氧参数的实时监控。

关键字：生理参数；健康监护；低功耗蓝牙；iOS

1 前言

心电血氧监护对于患有心脏疾病的病人尤为重要，针对病人去医院监测心电和血氧等生理参数流程复杂和医院就诊压力大的问题[1]。本文提出了一种基于低功耗蓝牙的无线心电和血氧健康监护系统。设计了蓝牙通信模块和手机应用。经过蓝牙协议将采集到的数据传输到具有iOS系统的手机端显示，实现生理参数数据的监测和管理。

2 系统硬件设计概述

以实现不间断的健康监护为目标。生理参数（心电、血氧等）采集装置将采集到的

数据通过UART串口传输到蓝牙模块，通过蓝牙低功耗协议发送到手机上。手机将接收到的数据进行处理，并以易读的图片方式显示出来。还可以实现数据存储等功能。

2.1 蓝牙模块硬件设计与实现

本系统采用TI公司的CC2541低功耗蓝牙芯片为主芯片设计蓝牙模块。蓝牙模块电路主要由主芯片CC2541、电源电路、射频系统电路、时钟晶振电路和复位电路组成。时钟晶振电路包括32MHz和32.768KHz两种频率的晶振，32MHz的晶振为低功耗蓝牙射频通信提供时钟，32.768KHz晶振用于唤醒低功耗蓝牙的睡眠模式。射频系统电路主要由芯片的设频引脚、巴伦匹配电路和PCB天线组成。射频输入输出引脚为高阻差分式，内部具有控制发送和接收的开关。天线采用倒F天线，需要使用巴伦匹配电路作为不平衡转换器，同时提供50欧姆的匹配阻抗[2]。巴伦匹配电路将天线接收到的信号变为差分信号形式，保证天线的辐射效率。

2.4GHz频率的天线主要有SMA天线和印制天线两种。由于SMA天线体积较大，所占空间也大，成本很高，本系统采用印制天线结构。该结构为倒F天线，倒F天线是单极子天线的一种变形结构，具有体积小、结构简单、易于匹配和制作成本低等特点，被广泛应用在蓝牙通信、WIFI通信和Zigebee通信等短距离无线通信领域。倒F天线有两种结构，一种是标准的倒F天线，另外一种是S型倒F天线，S型倒F天线是标准倒F天线的改进型。通过高频有限元仿真软件HFSS对这两款天线进行性能仿真与选取。通过比较两种天线的中心频率和相对带宽。标准倒F天线的中心频率为2.5GHz，S11<-10dB的相对带宽为480MHz；S型倒F天线的中心频率为2.36GHz，S11<-10dB的相对带宽为182MHz。分析结果可以看出S型倒F天线的相对带宽更窄，中心频率更接近蓝牙的工作频率2.4GHz。实际应用中S型倒F天线所占印刷电路板的面积更小，这样就可以节省出更多的空间。在相同元器件封装规格和相同电路设计PCB时，S型倒F天线可以使模块更加小型化。所以本系统中的蓝牙模块天线采用S型倒F天线。

3 系统软件设计概述

系统软件由蓝牙协议栈和手机端软件组成。监测终端蓝牙协议栈初始化，手机选择连接监测终端蓝牙，连接成功后，监测终端通过蓝牙向手机发送数据，手机应用开启后台线程接收数据，同时手机主进程开始画图，开启另外一个后台线程计算心率值或者血氧数值，同时记录用户的心率和血氧值。

3.1 手机客户端软件设计

实现低功耗蓝牙通信手机作为主机角色。在连接之前，需要选择不同的蓝牙设备连接，蓝牙终端就是监测生理参数的设备，这些设备用唯一的UUID来建立不同的蓝牙连接，从而实现传输不同的数据和绘图的功能。由于蓝牙通信框架规定了严格的通信协议来建立连接。主从设备建立连接的过程为：从节点发出广播信号（包括设备地址和设备名称等附加信息）；主节点收到此广播信号后，向从节点发出扫描请求；当从节点回应扫描时，完成了设备发现过程。主节点向从节点发出连接请求（包括连接时隙、从节点待机次数、连接超时值），从节点回应连接，完成了建立连接。为了安全起见，一些数据的访问需要认证：一方（可以是主节点，也可以是从节点）向另一方索要6位数字的密码，输入正确的密码后，两个节点彼此交换安全密钥用于加密和认证，此过程称为配对。低功耗蓝牙协议支持两节点保存认证的安全密钥（一般是保存在非易失性存储器中），以便于两节点下次连接后快速认证。

蓝牙模块与iOS设备通信规定传输数据的数据格式为十六进制，得到原始数据后，手机软件通过GCD多线程开发机制初始化两个线程[3]，一个进程将原始数据存储到文件中，另外一个进程将数据绘制成图显示出来。绘图功能由iOS的绘图函数库Quartz 2D完成[4]。

4 总结

本文设计了基于iOS平台低功耗蓝牙的移动健康管理系统，完成了蓝牙通信模块电路设计和iOS手机端软件设计。实现了将心电信息和血氧信息在手机上显示的功能。

本系统可以应用在病人术后康复、居家养老以及心血管疾病日常监测等方面，为减轻医院的就诊压力和缓解人们看病难的问题上起到了积极地作用。

参考文献

[1]潘登，陈烈平，陈巧钗，等.新医改背景下看病难与看病贵问题实证分析[J].中国全科医学，2014，17（1）：67-70.

[2]曹青春，刘辉.基于CC2540的蓝牙射频模块设计[J].海南师范大学学报：自然科学版，2013，26（2）：172-176.

[3]叶元林.基于蓝牙4.0的个人健康助理关键技术研究[D].重庆大学，2014.

[4]黄镇彩，刘昱，邸文华.基于IOS平台的便携心率监测系统设计[J].电子测量技术，2012，35（9）：120-124.