基于ZigBee无线传输技术的电子听诊器

　　引言 

　　随着电子技术和无线传输技术的发展，远程医疗和身体状态实时监控正成为现代医疗发展的主要趋势，各种基于蓝牙传输协议的多功能的电子听诊器纷纷被设计出来，投入到市场应用当中。但是蓝牙传输技术也存在着通信距离短、复杂度高、功耗高、成本高等缺点。本文对传统听诊器进行改造，引入基于ZigBee协议的无线电子通信技术，设计出一款可以对人体心音数据进行实时采集、处理和无线收发的电子听诊器，从而以较低的功耗扩大了听诊范围，降低了医生在听诊时被病人传染的机率。

　　1 ZigBee协议的优势

　　ZigBee是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，工作在2.4 GHz ISM免费频段，主要适合自动控制、传感、监控和远程控制等领域，同时也支持地理定位功能。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE 802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了数据链路层（DLL）、网络层（NWK）和应用编程接口（API）规范。同蓝牙技术相比较，ZigBee技术在功耗、传输距离和设备成本等方面均存在着明显的优势。ZigBee与蓝牙传输协议各参数比较如表1所列。 

　　2 系统整体设计思路

　　无线电子听诊器的结构框图如图1所示。采用麦克风来获取人体心音信号，并转换成模拟的电信号。经过放大和滤波处理后，信号送入到主控模块进行A／D转换，将模拟信号转换成数字信号。主控模块通过无线收发模块将转换完成的数字信号并发送出去。电源模块则负责为各个模块供电。接收端采用深圳无线龙通信科技有限公司设计的C51RF～CC2530-PK无线ZigBee网络开发平台。它通过USB同上位机相连，向上位机传递其接收到的数据，用于显示和分析处理。系统分为软件和硬件两部分：硬件部分包括信号调理、数据采集处理、无线传输、无线收发和电源模块；软件部分包括Firmware中的软件和上位机软件。 

　　3 系统各硬件模块的实现

　　3.1 心音采集模块

　　心音是在心动周期内，由于心机收缩和舒张、瓣膜启闭、血流冲击心室壁和大动脉等因素引起的机械振动。通常有效的人体心音信号频率为0～600 Hz，由于心音信号比较微弱，周围环境干扰以及其他各种人为因素常常会带来大量的干扰杂音，直接用麦克风采集心音效果并不好。为了更好地隔离杂音干扰，增强采集端心音强度，加入了心音听诊头，如图2所示。 

　　采用MEMS麦克风对心音信号进行采集，同传统的驻极性体麦克风相比，MEMS麦克风体积小、集成度高，且灵敏度为-42 dB，同驻极体麦克风大致相当。

　　3.2 增益和滤波模块

　　实验发现麦克风采集到的心音信号幅值通常为30～60 mv，范围小不便于观察，需要对采集到的心音数据进行电压提升和放大处理。另外，心音信号的有效频率为0～600 Hz，为了消除高频信号的干扰，引入了截止频率为600 Hz的有源低通滤波器。由于信号放大和滤波单元均用到了运算放大器，为了减小电路占用面积，设计中分别采用一级运算放大器和一级有源滤波器。信号调理模块电路图如图3所示。集成运放采用ADI公司生产的AD8607，它包含有2个独立的低功耗、低噪声CMOS运算放大器AD8603，供电电压为1.8～6 V，工作电流不超过50μA，最大输入偏置电流为1pA。 

　　经过电路调理后，可以在示波器上观测到可识别性较高的心音波形，如图4所示。