基于有源RFID标签的体温、脉搏、血氧传感系统设计

任洪宇　石光印　宫周宇　林坤

摘 要：文中基于反射式传感器，对体温、脉搏、血氧饱和度数据采集方法进行了详细的理论分析后，在现有数据采集算法的基础上进行改进。通过硬件与软件设计，提高反射式传感器的测量精度。采用258TCP型2.4G全向有源RFID读写器与改进的反射式脉搏、血氧、体温传感器及有源RFID标签搭建硬件平台。设计上位机程序和基于258TCP型阅读器底层程序的数据传输算法，实现人机交互功能。最终实现低功耗、小型化的人体生命体征检测设备。

关键词：有源RFID；反射式传感器；医疗监护；硬件平台

中图分类号：TP39；TN402 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）03-00-05

0 引 言

目前，物联网技术、微电子技术、现代传感技术、射频与无线通信技术和微处理器技术发展迅速，很多技术被广泛应用。因此医学监护设备也正向着集成化、无线化、微型化和智能化方向发展，逐渐拥有随时随地为个人提供健康服务的能力。因此，便于患者穿戴的医疗检测设备应运而生，国内外的专家和学者虽然设计了各种医疗检测系统，但这些系统均存在功耗高，可穿戴性差，成本高等问题。目前国外生产的便携式生理信息检测设备主要包括Analog Devices公司基于AduC7024芯片开发的脉搏血氧监测仪以及TI公司研发的脉搏血氧监测芯片MSP430等。此外，北京中卫莱康公司开发的“心博士”系列产品是基于手機的远程心电监视仪，更多地体现了手机特性，其性能和监测时间都受到一定限制。华南医电科技公司开发的遥测监护仪可实现对心电、呼吸、血压、血氧、脉搏的同时监测，但其设备体积和显示设备较大，便携性较差，主要应用在医院手术室，ICU，病房等，并不适用于家庭和个人。

1 研究内容

我们针对日常动态下人体体温、脉搏、血氧饱和度实时监测技术存在的理论问题和技术难题，集中研究了体温、脉搏、血氧等人体生命体征监测数据的数据融合算法和无线传输算法。通过将体温、脉搏、血氧饱和度监测方法与RFID 技术结合，采用反射式血氧传感器，利用有源RFID标签搭建体温、脉搏、血氧无线传感标签。最终实现采用便携式人体生命体征监测设备对养老院老人或独居老人、医院病人等活动范围较小的活动群体的生命体征进行实时监测的目的。主要研究内容可细分如下：

（1）采用反射式血氧传感器和有源RFID芯片搭建人体生命体征实时监测系统。

（2）进行体温脉搏血氧饱和度数据采集算法的研究及其软件开发，并研究适合于无线传感网络的数据融合算法。

（3）通过电路设计和数据采集算法降低系统功耗，采用待机/唤醒方式延长使用时间。

（4）基于有源RFID电子标签无线传输协议，开发适合于无线传感网络的数据传输算法，实现对体温脉搏血氧饱和度等数据的无线传输。

创新部分包括以下几点：

（1）采用反射式血氧传感器，通过有源RFID芯片搭建体温脉搏血氧饱和度实时监测系统，能够实现无创监测体温、脉搏、血氧饱和度等人体生命体征。采用反射式血氧传感器可以解决穿戴不便的问题，同时相对于透射式血氧传感器穿戴部位的局限性，反射式血氧传感器不受探头安放位置的制约，大大增加了其灵活性。

（2）研究人体生命体征监测数据的实时采集算法和无线传感网络的数据融合算法。由于反射式血氧传感器的探头在人体皮肤的同一侧，容易受运动或外部光源的影响。因此本文通过改进数据的采集算法及无线传感网络的数据传输算法以减少外界干扰，使监测数据更加准确。

（3）基于有源 RFID电子标签无线传输协议，改进无线传感网络的数据传输算法。本设计基于258TCP型2.4G全向有源RFID读写器和2.4 GHz有源RFID标签进行改进。有源 RFID电子标签相对于无源 RFID电子标签而言，具有数据传输率高、通信距离远和可靠性高等优势。本文选用的有源标签传输距离可控（0～100 m）可调，在通信范围内防碰撞能力强。全向阅读器可以全方位读取标签信息。

2 硬件设计

2.1 系统结构设计

本项目自行设计了手腕反射式血氧数据采集模块，选择STM32F103VCT6作为数据处理模块，将有源RFID作为无线通信模块及上位机。系统结构如图1所示。

2.2 反射式血氧采集模块

本项目自行设计了反射式血氧采集模块，包括光发射管、信号处理模块、光接收管、LED驱动模块四个部分。

发射管：根据血氧采集对光源的要求，发射管采用可发射660/940双波长的型号为MQ-LAU-003的发光二极管。该二极管发光峰值波长为660/905，采用透明树脂封装，侧发光，外观尺寸为4 mm×3 mm×1.5 mm。可广泛应用于监护仪血氧探头、美容设备等。发射管参数见表1。

2.3 信号处理模块

正常人的脉搏数一般为60～80次/min，老人为100～150次/min，最高跳动次数为240次/min。设计低通放大器时，5 Hz以上是病人与正常人脉搏波体现差异的地方，应注意保留。在测量过程中，需要考虑并消除的干扰如下：

（1）环境光对接收管接收到有用光信号的干扰；

（2）环境中的电磁波对电路中放大器及其电路的影响；

（3）测量时由于传感器在皮肤上的微小位移造成的噪声干扰和50 Hz工频干扰。

由于光强很小，输出短路电流约为27 ?A，所以应放大106倍以便于观察。

传感器得到的脉搏信号十分微弱，很容易淹没在噪声及干扰信号中，所以对取得的信号先滤波后放大。

因为三级放大个别电路板的零点漂移足以达到满幅，致使测量不准确，因此设计两级放大。并且为了防止产生自激振荡，每个单级放大器的放大倍数不大于30倍。所选的电阻参数要精确，IC应选用偏置电流小、输入失调电压小的运算放大器，同时还需考虑性价比，因此选用TLC2252。

光电信号转换电路如图2所示。由于换能元件为感光二极管，脉搏信号的拾取实际上是光发射到皮肤后折射到二极管时发生相应的强度变化，从而在二极管中产生电流的微弱变化，再经过放大后得到的电压信号。

电路的输出为：

Vi=-ig×R1

R4过大会导致稳定性差，容易产生漂移误差，影响增益精度。此外，考虑到灵敏度、线性度的协调性，令R4=200kΩ，使输出达到mV级。为了抑制高频干扰并消除运放输入偏置电流的影响，接入电容C2，电阻R3。电容基于脉搏信号的频率取值。

滤波及一级放大电路如图3所示，其为低通放大电路。人体脉搏最高跳动次数为240 次/min ，按最高次数计算，并根据归一化法设计低通放大器。转折频率由R5，C4，R7和C5 决定，放大倍数由R7和R5的比值决定，R8用来减小输入阻抗不平衡的影响。

二级放大电路如图4所示。放大倍数由R16和R9的比值决定。为了消除50 Hz工频干扰，制作了基于双T网络的50 Hz陷波电路，如图5所示。

信号处理模块最终的输出为模拟信号，可通过示波器直接观察，如图6所示。或接入数据处理模块进行下一步处理。

2.4 LED驱动模块

检测光源分别来源于红光和红外光，且不能同时发射，因此设计了一种H桥电路对其进行控制，通过控制发射管两端的电压变化实现交替发射。让二者反向对接，由于二极管的单向导电性，在两端电压发生变化时能保证只有一个二极管导通，电路如图7所示。

VC1，VC2设计为开关三极管，因基极电流较大使三极管工作在饱和区，分别处于导通和截止两种状态。VC3，VC4基极通过合适的电压控制集电极电流工作在放大区，使LED所在支路工作在适合的电流状态下。LED的工作电流可以通过调整VCC，R10，R12，R13，R14的值得到。JC1CON2连接发光管，out1，out2，out3，out4连接MCU，MCU在程序控制下产生驱动控制信号，通过H桥驱动电路驱动发射管MQ-LAU-003的红光和红外光交替发射。

2.5 数据处理模块

数据模块即为单片机最小系统，如图8所示。单片机采用STM32F103VCT6，主要实现如下三个功能：

（1）控制H桥产生交替的电压变化，控制发射管交替发光；

（2）接收信号处理电路的模拟输出信号，经模数转化做进一步处理，计算脉搏和血氧饱和度；

（3）与RFID标签通信，实现数据的无线传输。

2.6 无线通信模块

本系统采用RFID无线数传模块进行无线通信，RFID主要包括一个具有RFID 读写功能的阅读器（Reader）、用于配制Reader的主控上位机（PC）以及多个具有RFID标签的节点（Node）。通信模块主要由上层PC 和 RFID Reader 以及下层的多个节点构成。其中RFID Reader通过USB接口与PC连接，每个节点都包括单片机（MCU）、传感器（Sensor）和射频标签（RFID Tag）三部分。

上层结构负责整个血氧传感系统的协调和管理任务，通过获取所有标签的传感器信息来规划和协调各节点的行为。负责上下层数据传输的RFID系统的基本工作流程如下：

（1）阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，RFID Tag获得能量被激活；

（2）射频标签将自身编码和数据信息通过标签内置发送天线发送出去；

（3）RFID Reader接收到标签发送来的载波信号后，经天线调节器将信号传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码后送到后台显示所需要的处理。

系统的工作流程如下：

（1）系统运行后，PC开始定时向Reader发送查询传感器信息的命令，Reader基于ISO18000-6c协议按顺序发送选择（Select）、盘存（Query）、访问（Access） 命令给Tag，Reader和Tag之间以电磁波的形式通信。

（2）接收到查询命令的节点，MCU被激活，MCU发送使能信号给Sensor，Sensor完成相应的数据采集任务后，将这些信息以UART接口格式发送给MCU进行血氧算法处理，经处理后的血氧数据以SPI方式由MCU发送给RFID Tag。

（3）RFID Reader接收到RFID Tag的血氧信息后，通过USB接口将其送入PC中，在PC上使用VC++运行界面化程序实时显示各个节点的血氧数据，并将历史数据存入文本文件以便后期查询。

3 系统软件设计

3.1 程序总体结构设计

系统软件在结构上可分为主控制程序、信号采集处理模块、无线通信模块和显示模块。主程序负责设备的启动、信息的采集处理和发送。当设备启动后，信号采集程序将对红光和红外光LED进行光调制，同时采集温度信息，传感器模块输出的信号经过放大、滤波处理后，分析其幅值与周期，并计算血氧饱和度、脉搏、温度，随后对计算结果进行显示和发送。软件主体程序结构如图9所示。

3.2 ADC采集模块设计

传感器采集到的信号为模拟信号，需要做AD转换，将模拟信号转化为可以分析的电信号，在进行信号采集和AD转换时，分别定时采集200个红光脉搏样本和红外光样本，在保证采集精度的同时又尽可能减小采集時间间隔。具体流程如图10 所示。

3.3 信号放大、数字滤波

因为温度传感器采集到的信号较为简单，因此这里对信号采集后的处理仅针对两个LED的光信号。

信号放大包括直流抑制和交流放大，光电传感器输出的信号包括两种光的交流和直流分量，而其中约95%为直流分量。体现人体脉搏信号的交流分量很小，因此需要将交流分量从信号中提取出来并放大，才能进行后续的滤波处理。数字滤波的作用在于将得到的交流脉搏信号进行降噪处理。采集到的信号的噪声主要来自于身体运动和外部光线干扰，一般频率较高，而需要得到的脉搏波的频率仅为1～2 Hz，故采用低通滤波器进行滤波即可得到低频脉搏信号。

3.4 血氧脉搏信号处理

首先，ADC定时采集200个红光脉搏样本和200个红外光脉搏样本，计算2组采集数据中的最大、最小值，取红外光的最大、最小值的70%作为比较。在红外光的200个数据中找到70%相近点，并做比较，计算脉搏频率。通过大量实验计算血样与两组脉搏的关系，计算血氧值。

3.5 温度采集处理

温度采集相对简单，目前市面上的温度传感器均能达到很高的检测精度。因此，我们只需对温度采集算法作简单处理即可。待直接采集体感温度后，对采集到的初始数据作简单处理，并等效成实际温度数值。如此采集10次后求平均，作为一次温度值返回。温度采集流程如图11所示。

3.6 RFID无线传输协议

无线传输是将采集处理后的数据通过RFID标签无线发送到接收端，即阅读器。在传输时需要遵循特定的通信协议，通信协议的结构包括帧前标识符、地址、特征码、功能号（也叫帧类型）、帧内容、校验和、帧后标识符等7部分，见表3所列。

在具体设计中采用了一个特殊字节0x55当作帧标识符（每帧数据都以帧标识符开头，也以帧标识符结束），并对帧中的数据作了特殊处理，使得帧中的数据不可能出现与标识符一致的内容。单片机通过将数据逐帧写入标签，从而实现无线传输的功能，在接收端，阅读器按照协议对数据进行解码恢复。

4 结 语

本文的贡献在于在已有的脉搏监测算法基础上对其进行改进，并结合反射式传感器和RFID技术搭建了无线传感网络的监测系统。本文的设计与其他检测设备的佩戴方式相比具有较高的灵活性，不受佩戴位置的约束，可进一步小型化。适用于人体日常活动的监测，并可实时共享数据，对于医院病人、疗养院老人等生命体征的监测具有重要意义。

参考文献

[1]方启超.血氧饱和度检测技术研究[D].南京：南京理工大学，2013.

[2]苏帅.便携式多参数智能医疗系统的设计[D].北京：北京理工大学，2016.

[3]范静辉.无创脉搏血氧饱和度监测系统的研究[D].南昌：南昌大学，2005.

[4]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.

[5]谢正洋，胡丹峰，王加俊.无创血氧饱和度的测量及无线监测系统的研制[J].中国仪器仪表，2009（4）：65-67.

[6]杜红伟，来佳立，齐国强.一种半有源超高频RFID电子铅封设计与实现[J].物联网技术，2016，6（9）：21-22.

[7]周開利，张伟，王旭.基于蓝牙和智能手机的人体生理参数无线监测系统[J].物联网技术，2015，5（6）：18-20.

[8]王阳.基于有源RFID标签的反射式脉搏血氧传感系统研究[D]. 天津：天津工业大学，2017.