（电工理论与新技术专业论文）基于蓝牙技术的心电动态监护系统的研制.pdf

竺堡堡垩三奎兰三茎塑圭兰堡丝圣 t h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i ce c gt e l e m o n i t o r s y s t e m sb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y a b s t r a c t a sak i n do f s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m i n u e a t i o nt e c h n o l o g y , b l u e t o o t hh a s b e c a m eo n eo fb a s i cw i r e l e s st e c h n o l o g i e st ob eu s e di nw i r e l e s se m b e d d e d m e d i c a le q u i p m e n t sw i t hs m a l ls i z ea n d1 0 wp o w e r - c o n s u m p t i o n t h et h e s i sd e s i g n st h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nb l u e t o o t h t e c h n o l o g yu s i n gt h ee x i s t i n gb l u e t o o t hm o d u l e a d v a n c e dt e c h n o l o g yo f w i r e l e s sa n dc l o s eq u a r t e r st r a n s m i s s i o ni su s e dd y n a m i ce c gt e l e m o n i t o r s y s t e m sw h i c hm a k et h el a r g ev o l u m e so fd a t at r a n s m i s s i o nf r o mw i r ei n t o w i r e l e s s ，a n di ti sr e a l t i m e ，p o r t a b l e 1 1 1 ep o r t a b l ec o n t r o l l e rw h i c hi sc a r r i e db y p a t i e n t sc a l lc o n t i n u o u s l yr e c o r dp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r so fh e a r t ，a tt h es a m e t i m e ，i ta l s ot r a n s m i t sd a t at ot h ea n a l y s i sw o r k s t a t i o nf o rd a t aa n a l y s i sa n d p r o c e s s i n g i th a sv e r yi m p o r t a n tc l i n i c a lv a l u et ot h ep r o t e c t i n gp a t i e n t s i nt e r m so fh a r d w a r e ，t h r o u g ht h ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e m s ，e c gs i g n a li s a m p l i f i e d ，f i l t e r e d ，t h e ne c gs i g n a la c c o r d i n gw i t hf r e q u e n c yi ss e n tt ot h ep i c m i c r o - c o n t r o l l e r t h ep r o c e s s e de c gs i g n a li ss e n tt om o d u l eo fb l u e t o o t h t r a n s m i s s i o nt h r o u g hr s 2 3 2 ，i np c ，b l u e t o o t hm o d u l er e c e i v es i g n a l sr e a l t i m e l y t h r o u g hr e c e i v i n gm o d u l e ，a n dt r a n s m i ts i g n a l st op ct h r o u g hr s 一2 3 2 i nt e r mo fs o f t w a r e ，t op i cm i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o l ，d a t ac o l l e c t i o n 。a d c o n v e r t i o np r o g r a m e di na s s e m b l el a n g u a g e 嘶t hf a s t e rr u n n i n g - s p e e d ；t op c c o n t r o l ，ad i s p l a ys o f t w a r eo fe c gd a t ap r o g r a m e di nv i s u a l i z a t i o nl a n g u a g e v c 抖，a n di ti n c r e a s e sa n a l y t i cf u n c t i o n ，w h i c hc a nd e t e r m i n ew h e t h e rt h eh e a r t i sn o r m a lt h r o u g ht h ew a v e f o r mo fe c g t h r o u g hd e v e l o p m e n to ft e l e m o n i t o rs y s t e m s ，w eh a v em a d eo u tam o d e lo f a p p a r a t u s t h em o d e lc a nc o m p l e t e l ya c h i e v ed a t ac o l l e c t i o n l c dd i s p l a ya n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a tt h es a m et i m e ，t h es o f t w a r eo fc e n t e rm o n i t o rh a v e r e a c h e da n t i c i p a t i v ee f f e c ta tt h ef u n c t i o n so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dd a t a - 1 1 兰筌堡矍三奎耋三兰翟圭兰竺丝兰 a n a l y s e t h es y s t e ma d o p t sw i r e l e s st e s t i n gt e c h n o l o g y , s os a v e st h ec o m p l i c a t e d c o n n e c t i n g w i r e i t sv e r ye a s yf o rt h eo p e r a t o r , a n ds a v e st h eu s eo fs p a c e t h e r ei sa g o o dm a r k e tp r o s p e c tf o rt h ea p p l i c a t i o n t h es y s t e mi saa t e m po fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi nm e d i c a lt e l e m o n i t o r s y s t e m s a si sk n o w n ，b l u e t o o t ht e c h n o l o g yh a sag o o dm a r k e tp r o s p e c ti n a p p l i c a t i o no fw i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o na tp r e s e n t ，b u tt h em e d i c a lf i e l d i sr a r e l ya p p l i e d t h r o u g ht h et e s t i n go ft h i ss y s t e m ，s p e a k i n gv o l u m e sf o rt h a t a p p l y i n gb l u e t o o t ht e c h n o l o g yt ow i r e l e s st e l e m o n i t o ri sf e a s i b l ei nm e d i c a l t e l e m o n i t o rs y s t e m s k e y w o r d s b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ；e c g ；d a t ac o l l e c t i o n ；l c dd i s p l a y - 1 i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于蓝牙技术的心电动态监 护系统的研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 撒庄 日期：2 0 0 7 年3 月1 5 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于蓝牙技术的心电动态监护系统的研制系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密由 ，( 请在以上相应方框内打) 作者签名：厉发在 翩躲彩 日期：2 0 0 7 年3 月1 5 日 日期：2 0 0 7 年3 月1 5 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 医疗保健设备的发展趋势 随着现代信息技术的发展以及人们对自身保健质量要求的不断提高，医疗 保健业日益朝着移动、无线、便利方向发展。医疗保健机构正逐步通过各种通 信方式从保健现场获得患者信息并更新它们的数据库。 移动无线解决方案允许用户在患者病榻旁即时地更新患者信息，从而可以 确保数据反应了患者的最新情况。这有助于减少医疗差错、节省医疗专业人员 的时间，并降低数据录入成本。同时，便于浏览患者病历、检验治疗结果、访 问付费情形、输入诊断信息，与其他医疗保健人员一起研究药物处方，并能够 在患者最方便的场所将关键性的统计数据输入到患者病历中。无线技术与网络 技术相结合的家庭保健监护，患者不仅可以免去到治疗中心的旅行负担，而且 还能够在它们自己舒适的家庭环境中接受监护。 总之，从发展的角度来看，无线化、网络化是医疗保健产品的一个趋势， 移动型、掌上型产品将成为未来市场的主流。 1 2 无线通信技术在医疗保健设备中的应用 医学i 临床监护技术是将患者的各重要生理信息及时、准确地提取出来并进 行处理、分析，以利于医护人员对患者病情进行监测和预防的技术。它可以分 为病房监护、动态监护、远程监护和家庭保健监护等。生物医学工程中所检测 的信号大多是人体信号，而且需要检测人体处于自然状态时的信号，但将检测 设备通过有线方式连到人体上进行监测的传统方法会使患者感到不自然，心情 紧张，从而导致所检测到的数据不准确，特别是在病房监护中，各种连线不仅 使患者感到不舒服，而且还使病房显得杂乱无章，影响患者的心情。使用无线 通信技术就可以解决这个问题：通常将检测仪器戴在患者身上，通过无线通信 技术将患者身体的各种数据传送到接收设备上，并进行处理。 1 2 1 无线通信技术在病房监护中的应用 在病房监护中，病房里安装有带有微处理器的无线通信模块，并通过通信 堕玺鋈翌三奎兰三兰窖圭兰堡丝兰 总线和计算机系统相连。上述无线通信模块实时地接收来自患者身上的无线通 信模块传来的数据。这样，从患者身上得到的数据就可以非常方便地被计算机 系统获取，从而在医院的计算机室就可以对数据进行分析、存储f l 】f 2 i 。 1 2 2 无线通信技术在动态监护中的应用 为了早期发现和诊断一些重要的疾病，往往需要正常生活中的患者进行连 续监控，这称为动态监控，目前常用的有动态心电监护、动态血压监护等。可 以利用无线通信技术实现简单便捷的动态监护，把带有无线通信模块的探测器 件佩带在患者身上，而同样具有无线通信模块的数据接收部分可以由患者随身 携带，探测器部分把数据通过无线通信技术发到数据接收部分。经过一定的时 间( 通常是一昼夜) 再将接收到的数据传到个人计算机，从而可以对数据进行 各种处理1 3 i n l i 5 l 。 1 2 3 无线通信技术在远程监护中的应用 远程医疗中发展最快和最具实用价值的是远程监护和家庭保健监护。其大 体方式和上述的病房监护系统相同，也是在患者家中安装无线接收器，带无线 通信设备的探测器将数据通过无线通信模块传输到无线接收器，无线接收器带 有微处理器，并和因特网相连，数据可传输到医院的计算机系统以便于进行各 种处理。 1 3 蓝牙技术概述 1 3 1 蓝牙技术的发展 早在1 9 9 4 年，瑞典的e r i c s s o n 公司便已经着手蓝牙技术的研究开发工 作，意在通过一种短程无线链路，实现无线电话同p c 、耳机及台式设备等之 间的互联。1 9 9 8 年2 月，e r i c s s o n 、n o k i a 、i n t e l 、t o s h i b a 和i b m ，共同组建 特别兴趣小组( s i g ) 。在此之后，3 c o m 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 和m o t o r o l a 也相 继加盟蓝牙计划。它们的共同目标是开发一种全球通用的小范围无线通信技 术，即蓝牙技术。 蓝牙是一个开放性的无线通信标准，它将取代目前多种电缆连接方案，通 过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包，实现方便 快捷、灵活安全、低成本小功耗的话音和数据通信。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 自1 9 9 7 年7 月s i g 公布蓝牙规范1 0 以来，蓝牙技术的推广和使用得到 了迅猛发展。目前，s i g 的成员已经超过了2 5 0 0 家，几乎覆盖了全球各行各 业，随着蓝牙芯片的体积越来越小，价格越来越低，蓝牙技术将得到迅速普 及。由于蓝牙芯片制造技术的不断进步，已有5 0 0 多种蓝牙产品获得了s i g 的 认证并推向市场1 6 1 1 7 l l a l 9 1 。 1 3 2 蓝牙技术的特点 蓝牙是一种短距离无线通讯的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上 电脑、移动电话的各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就 建立了统一的目标，向全世界公开发布，工作频段为全球统一开放的2 4g h z 工业、科学和医学( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，i s m ) 频段。从目前的 应用看，由于蓝牙体积小功耗低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被 集成到任何数字设备之中，特别是那些对数字传输速率要求不高的移动设备和 便携设备。蓝牙技术的特点可归纳为以下几点川： 1 全球范围适用； 2 同时可传输语音和数据； 3 可以建立临时性的对等连接； 4 具有良好的抗干扰能力； 。5 蓝牙模块体积小，可以方便地集成到各种设备中； 6 低功耗输出功率：l m w ( 0 d b m ) 通信距离1 0 m ，1 0 0 m w 为1 0 0 m ； 7 开放的接口标准； 8 成本低，集成蓝牙技术的产品成本增加很少。 1 3 3 蓝牙与其他短距离无线通信技术对比 除蓝牙技术外，其他较为成功的短距离无线通信技术还有红外、 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术。这三种技术的 诞生都早于蓝牙技术，并且经过多年的发展，已经日渐成熟，各项技术指标也 不断得到提升。这三种技术和蓝牙都工作在一个频段，它们之间存在着一定竞 争和相互影响【l 】【2 l 。 1 红外通信技术红外通信技术是通过波长为8 5 0 衄的红外光传输数 据。由于红外光线直线传输、易受遮挡，只支持点对点视距连接，收发装置的 光路夹角一般在3 0 0 内，常用通信距离为1 - 3m 。所以红外技术由于传输媒质 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 本身的限制，其应用前景不如蓝牙技术。 2 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术i e e e 8 0 2 1 1 是电气电子工程师协会 8 0 2 工作组制定的无线局域网标准，主要用于实现小范围内的移动组网和无线 接入。8 0 2 1 l b 技术在体积、功耗和成本上无法和蓝牙相比，因而目前除了作 为网络接入之外，在其它对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用 还很少，比如移动电话和p d a 。可以说蓝牙可以应用于那些8 0 2 1 1 无法胜任 的广阔领域，与之相互补充。 3 h o m e r f 家用无线局域网技术h o m e r f 家用无线局域网技术建立在 共享无线访问协议( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l ，s w a p ) 之上。h o m e r f 技术侧重于p c 及其外设所组成的无线局域网，主要针对低成本的家庭语音与 数据的无线连接。与h o m e r f 相比，蓝牙突出的特点在其设备的可移动性上。 从现在来看，以上三种技术都有各自的优势和应用领域，并且在很大程度 上与蓝牙技术相互补充，蓝牙技术的优势是显而易见的，无疑拥有更加广阔的 应用前景。 1 4 课题研究的目的及意义 动态监护系统是医学临床诊断的重要的设备，目前国内的监护系统是大部 分是通过有线电缆来实现信号传输，限制了病人的活动空间，患者在连续监测 2 4 小时或更长时间时，希望能摆脱导联电缆的羁绊，基于蓝牙技术动态监护系 统解决了这一问题。此项研究将先进的无线、近距离传输技术应用于动态监护 系统中，使大量数据的传输由有线变为无线、实时、可移动。由病人随身携带 可连续记录心电信号的心电监护掌中宝，在记录的同时可将数据传输到中央监 护仪分析工作站进行数据分析和处理。 研制的心电监护掌中宝，使用蓝牙技术进行信号无线传输，实现从数据采 集端到监护中心进行无接触的数据传递，结构紧凑，体积小巧，携带方便，即 使脱离蓝牙通信系统所覆盖范围，仍可以当作独立的便携式监护仪进行监测， 心电波形通过液晶显示屏进行实时显示。它在保障病人的生命安全方面无疑是 具有重要的临床使用价值。 本课题采用蓝牙技术实现医疗监护系统无线通讯的实时监测。心电监护掌 中宝所采集的数据通过蓝牙模块能以无线传输的方式发送给中央监护仪，中央 监护仪可同时监测7 个通道的数据，其软件还可对所收到数据进行分析及处 理。我们知道蓝牙技术是近几年发展起来的近距离无线通讯技术，其应用主要 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 在信息家电 3 1 1 4 1 方面，在医疗上的应用在国内外还很少。现在无线通信技术和 网络技术正飞速发展，这必将引起医疗监测方式上的变革。多路的可随身携带 的各项体征数据采集终端所采集的数据，以无线通信的方式发送到p c 机中， 而p c 机又可通过i n t e m e t 网发送专业医疗机构，这样就完全可以实现病人不 出家门便可受到严密监护。同时，由于又采用了无线通信技术，所以还不会限 制病人的自由活动。 当前对蓝牙技术的应用主要集中于小型的移动通信设备，而把蓝牙技术应 用于医疗设备中的研究尚处于起步阶段。显然，基于蓝牙技术的各种电子医疗 设备具有更广泛的应用范围，在医院的远程监护、社区医疗站以及家庭保健监 护医疗中将有巨大的市场潜力，有广阔的应用前景1 9 l 。 因此，本系统的研制是对蓝牙技术在医疗器械应用所做的一次尝试，希望 能对医疗保健行业实现无线化、小型化及家庭普及化做出一点贡献。 1 5 本章小结 在本章中，通过对无线通信技术在医疗保健设备中应用情况的调查，以及 对蓝牙技术发展概况描图述和与其它短矩离无线通信方式的对比分析，阐述了 进行本课题研究的目的和意义。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章蓝牙技术综述 2 1 蓝牙技术指标和系统参数 蓝牙1 1 规范己公布的主要技术指标和系统参数如表2 - 1 所示【1 0 l 。 表2 - 1 蓝牙技术指标和系统参数 t a b l e2 - 1b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi n d e xa n dp a r a m e t e r 技术指标和系 说明 技术指标和系 统参数统参数 说明 i s m 频段 工作频段跳频速率1 6 0 0 次s 2 4 0 2 2 4 0 8g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 工作方式p a r k h o l d ，s n i f f 支持电路交换和分组交换面象连接业务的s c o ，无连 业务类别数据连接方式 业务接业务的a c l 数据速率 l m b s 纠错方式 1 3f e c ，2 3f e c ，a r q 非同步信道速 非对称连接2 7 1k b s 、5 7 6 鉴权 采用质询响应方式 塞 k b s ，对称连接4 3 2 6k b s 采用0 位、4 0 位、6 0 位密 同步信道速率 6 4 k b s 信道加密 钥 美国f c c 要求小于0 d b m 功率 ( 1m w ) ，其它国家可扩展为 语音编码方式 连续可变频率调c v s d 1 0 0 m w 一般可达1 0 m ，增加功率 跳频频率数7 9 个频点m h z发射距离 情况下可达1 0 0 m 蓝牙工作在全球通用的2 4g h zi s m ( 工业、科学、医疗) 频段。i s m 频段 是对所有无线电系统都开放的频带，因此，使用其中任何一个频段都有会遇到 不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话及微波炉等都可能是干扰源。为 了保证在噪杂的无线环境中安全可靠地工作，蓝牙技术特别设计了快速确认和 跳频方案来消除干扰，确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道 ( h o pc h a n n e l ) ，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列( 即一定规律的 伪随机码) 不断地从一个信道“跳”到另一个信道，只有收发双方是按这个规 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 律通信，而其他干扰源不可能按同样的规律进行干扰。跳频的瞬时带宽很窄， 但通过跳频扩展频谱f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t n m a ) 技术使这个窄 频带成倍地扩展成宽频带，使可能干扰的信号变得很小。与其他工作在相同的 频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，从而使蓝牙系统比其他系统更 稳定。理论上，这种跳频为每秒1 6 0 0 次，系统有7 9 个可能的信道。 蓝牙技术传送的3 种功率级别为：l o om w ，2 5m w 和lm w 。1 0 0m w 的辐射范围是1 0 0m ；2 5m w 的是1 0m ；lm w 的则为1 0c l i l 。但实验证明， 当蓝牙设备的功率为lm w ( od b i n ) 时，其辐射范围一般可达到1 0m 。然而这 些辐射范围都是变化的，并且很难计算，材料、墙和来自其他2 4g h z 源的干 扰都可能改变所达到的范围，在发射过程中，蓝牙使用了功率控制技术。 在理想条件下，蓝牙技术的数据速率的额定值为1m b s 。然而由于错误校 正和其他的环境因素的影响，真正的数据速率大约为7 0 0 8 0 0k b s ，不过这对 替代电缆的蓝牙技术来说已经足够了。一些其他因素也能影响蓝牙的数据速 率，例如，其他2 4g h z 的无线电设备的存在，如一个i e e e 8 0 2 1 l b 的w l a n 设备就能降低蓝牙技术的性能。 蓝牙系统以时分双工方式( t d d ) 进行全双工通信。蓝牙支持电路交换和 信息包交换两种技术，分别定义了两种链路类型，即面向连接的同步链路 ( s c o ) 和面向无连接的异步链路( a c l ) 。每种链路支持1 6 种不同的信息包类 型，其中4 种是控制信息包。s c o 数据包既可以传送语音，也可以传送数据， 但在传送数据时，只用于重发被损坏的数据。s c o 帧内的收发包结构必须是对 称的，即必须同时包含1 个、2 个或3 个时隙。s c o 数据包在保留的时隙内发 送，一旦s o c 链路建立，主从节点就直接发送s c o 分组，无须轮询( f o i l ) 。 为了建立s c o 连接，必须先建立a c l 链路以传送控制信息。a c l 支持对称和 非对称两种帧格式。a c l 的包( 不论是收还是发) 必须包含奇数个时隙，以使 整个帧的时隙数为偶数。 蓝牙系统支持两种连接，即点对点连接和点对多点连接，这样形成了两种 网络拓朴结构：微微网络( p i e o n e t ) 和散射网络( s c a t t e m e t ) 。在一个微微网络 中，只有一个主单元( m a s t e r ) ，最多支持7 个从单元( s l a v e ) 与主单元建立通 信。蓝牙组网时最多可以有2 6 5 个蓝牙单元设备连接起来组成微微网络，其中 一个主单元和7 个从单元处于工作状态，而其他单元则处于空闲模式。微微网 络之间可重叠交叉，从设备单元可以共享。由多个相互重叠的微微网络组成的 网络称为散射网。 为了在很低的功率状态下也能使蓝牙设备处于连接状态，蓝牙规定了3 种 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 节能状态，即等待( p a r k ) 状态、保持饵o l d ) 状态和呼吸( s n i f f ) 状态。这几 种节能状态按照节能效率以升序排列，依次是s n i f f 状态、h o l d 状态、p a r k 状 态。 蓝牙采用3 种纠错方案：l 3 前向纠错0 ：e c ) 、2 3 前向纠错和自动重发 ( a r q ) 。前向纠错的目的是减少重发的可能性，但同时也增加了额外开销。 因此，在软件中可定义是否采用前向纠错。一般而言。在信道的噪声干扰比 较大时，蓝牙系统会使用前向纠错方案以保证通信质量：对于s o c 链路，使 用1 3 前向纠错；对于a c l 链路，使用2 3 前向纠错。在无编号的自动请求 重发方案中，一个时隙传送的数据必须在下一个时隙得到收到的确认。只有 数据在接收端通过报头错误检测和循环冗余( c r c ) 后认为无错时，才向发送 端发回确认消息；否则将返回一个错误消息。 蓝牙系统的移动性和开放性使得安全问题变得极其重要。虽然蓝牙系统所 采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和 应用层的链路管理。在链路层中，蓝牙系统提供了认证、加密和密钥管理等功 能。每个用户都有一个个人标识码( p 蛐，它会被译成1 2 8 位链路密钥( l i n k k e y ) 来进行单双向认证。一旦认证完毕，链路就会以不同长度的密码 ( e n e r y p t i o nk e y ) 来加密( 此密码以8 位为单位增减，最大的长为1 2 8 位) 。蓝 牙安全机制依赖个人标识码在设备间建立信任关系，一旦这种关系建立，这些 个人标识码就可以存储在设备中以便将来更便捷的连接【1 0 1 1 ”j 。 2 2 蓝牙协议体系 蓝牙作为一种短距离无线通信技术标准，实质内容是要建立通用的低功 耗、低成本无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步 结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能 在近距离范围内具有互用、相互操作的功能。因此其协议成为这项技术的灵魂 所在【1 2 j f l 3 j 【。 2 2 1 蓝牙协议体系结构 蓝牙协议规范的目标是允许遵循规范的应用能够进行相互问操作。为了实 现互操作，在远程设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。图2 1 就 是互操作应用支持的蓝牙应用模型之上的完整蓝牙协议栈【1 0 l 。并不是所有应用 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 程序都利用全部协议。相反，应用程序往往只利用协议栈中的某些部分。并 且，协议栈的某些附加垂直协议子集恰恰是用于支持主要应用的服务，比如说 t c s ( 语音控制规范) 或s d p ( 服务搜索协议) 等。实际上，上述实例描述的是 当需要无线传输数据有效载荷时，利用其他协议服务过程中的协议间关系。这 些协议应具有与其他协议之间的关联。例如，一些协议( 如l 2 c a p , t c s 二进 制) 当需要控制链路管理器时，可以使用l m p ( 链路管理器协议) 。 l 毳象蓑 电话控a t 指对象交网际 音视频音视频 制( t c s )令集 换协议协议 控制传分发传音频 i ( s d p ) 输协议输协议 lr 啊l l 点对点协议i l 串口仿真l网络封装协议 l i 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) i主机控制器接口( h c d 链路管理器协议l l基带与链路控制( b e b a n d & l i n kc 。n 仃o l l e r ) 射频( r a d i o ) 图2 - 1 。蓝牙协议体系结构 整个蓝牙协议栈包括蓝牙指定协议( l m p 和l 2 c a p ) 和非蓝牙指定协议 ( 如对象交换协议o b e x 和用户数据报协议t r d p ) 。设计协议和协议栈的主要 原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 各种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术 规范的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议或常用的公共协议， 在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。 2 2 2 传输层协议 传输层协议负责蓝牙设备间相互确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设 备间的物理和逻辑链路。这一部分又进一步分为低层传输协议和高层传输协议 两部分。低层传输协议侧重于语音与数据无线传输的实现，主要包括射频、基 带和链路管理协议三部分。其中射频部分主要包括了一系列用于蓝牙无线电收 发信机设计的规范。基带规范解决的问题包括发送什么样的数据、什么时候发 送数据、等待什么数据、什么时候等待数据以及使用哪一个载波频率和哪个级 别的发射功率等。链路管理层协议用于控制蓝牙设备间的链路。高层传输协议 为高层应用程序屏蔽了诸如跳频序列选择等低层传输操作，为实现高层应用程 序提供了更加有效和更有利于实现的数据分组格式，它主要包括链路控制与适 配协议和主机控制器接口。逻辑链路控制与适配协议将基带层的数据分组转换 为便于高层应用的数据分组格式，并提供协议复用和服务质量交换等功能。主 机控制器接口规范提供了主机与主机控制器之间交换数据和控制信息的指令。 2 2 3 中间层协议 中问层协议为高层应用协议或程序在蓝牙逻辑链路上工作提供了必要的支 持，为应用层提供了各种不同的接1 2 标准，这部分协议主要包括逻辑链路控制 与适配协议( l 2 c a p ) 、服务发现协议( s d p ) ，串口仿真协议( r f c o m m ) 和 电话控制协议规范f r c s ) 。 2 2 4 蓝牙底层模块 蓝牙底层模块包括链路管理层皿m ) 、基带层( b b ) 和射频承f ) 构成。 r f 通过2 4g h z 无需授权的i s m 频段，实现数据位流的过滤和传输，它主 要定义了蓝牙收发器应满足的要求。b b 层负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传 输。l m 层负责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制，它们为上层软件模 块提供了不同的访问入e l t l 2 1 1 ”j f h 】。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 蓝牙系统组成 蓝牙系统由射频单元、链路控制单元、链路管理和一个支持主机终端接口 功能的单元组成，如图2 2 如示【1 0 1 。 图2 - 2 蓝牙系统组成框图 f i g 2 - 2c o m p o s i n go f b l u e t o o t hs y s t e m 蓝牙无线射频单元的指标是遵循美国联邦通信委员会( f c c ) 有关电平为 0d b 的i s m 频段的标准设计的。系统采用跳频和扩展频谱的技术，跳频速率 为1 6 0 0 次，s ，在2 4g h z 和2 4 8 0g h z 之间，采用1 9 个间隔为1m h z 的频点来 实现。发射功率可达到1 0 0m w ，辐射范围达1 0 0m 。 蓝牙链路控制单元执行基带协议和其他低层链路程序，包括建立网络连接 ( 如s c o 或a c l ) 、差错控制、鉴权和保密。 蓝牙链路管理( l m ) 单元负责链路的建立、鉴权、链路硬件配置和其他一 些协议。l m 能够发现其他远端l m 并通过链路管理器协议与之通信。l m 单 元提供发送和接收数据、设备号请求( 查询和报告设备m 最大长度可达1 6 位) 、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商与建立) 如数据模式或 ( 语音数据模式) 、决定帧的类别及功耗设置等服务。 一个蓝牙系统组成需要天线、收发器、基带控制器。实现蓝牙功能，可选 择多种方案，现在各个公司推出的硬件解决方案都包括无线射频单元( 】髓) 、 基带( b a s e b a n d ) 、微处理器( m i c r o c o n t r o l l e r ) 、存储器( m e m o r y ) 四个模块。 根据各公司的芯片制造工艺，有单芯片( 四个模块集成到一个芯片中) 、三芯 片( r f 和m e m o r y 分别集成在各自的芯片，而b a s e b a n d 和m i c r o c o n t r o l l e r 集 成在一个芯片内) 四芯片( 每个模块各自集成在一个芯片) 三种系统集成方 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 案。将r f 和b a s e b a n d 部分集成在一个芯片上，软件上层协议也固化在芯片中 组成蓝牙固件，蓝牙固件通过u s b 或u a r t 接口与主机相连，主机处理器不 必关心蓝牙功能的协议处理问题，蓝牙固件可看成是一个智能终端，避免建立 软件协议遇到的许多具体困难，简化整机设计工作量。 蓝牙系统能支持两种连接，即点对点连接和点对多点连接，这样形成了两 种网络拓朴结构，即微微网络( p i c o n e t ) 和散射网络( s c a t t e m e t ) ，如图2 3 所 示i l “。在一个p i c o n e t 中，只有一个主单元( m a s t e r ) ，最多支持7 个s l a v e 与 m a s t e r 建立通信。m a s t e r 靠不同的跳频序列来识别每一个s l a v e 并与之通信。 若干个p i c o n e t 形成了一个散射网络，如果一个蓝牙设备单元在一个p i c o n e t 中 是一个m a s t e r ，在另一个p i c o n e t 中就是s l a v e 。几个p i c o n e t 可以被连接在一 起，靠跳频顺序识别每个p i c o n e t 。 蓝牙组网时最多可以有2 6 5 个蓝牙单元设备连接起来组成p i c o n e t ，其中一 个主节点和7 个从节点处于工作状态，而其他节点则处于空闲模式。主节点负 责控制a c l 链路的带宽，并决定p i c o n e t 中每个节点可以占用多少带宽及连接 的对称性。从节点只有被选中时才能传送数据，即从节点在发射数据前必须接 受轮询。a c l 链路也支持接收主节点发给p i c o n e t 中所有从节点的广播消息。 p i c o n e t 之间可重叠交叉，从设备单元可以共享f 1 0 】【“1 2 1 ”】【l ”。 囝 m a s t e r s l a v e 、 ( a ) r 有一个从设备的( b ) 多个从设备的微微网( c ) 散射网结构 微微网 图2 - 3 蓝牙网络拓朴结构 f i g 2 - 3t o p o l o g ys t r u c t u r eo f b l u e t o o t hn e t 、 9 l ， 一 ， t m-1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 4 蓝牙无线部分规范 2 4 1 频段和信道安排 蓝牙技术工作在2 4g h z 的i s m 频段。虽然该频段为全球通用，但实际 上准确的频率和带宽在各国有一些差异。在美国和欧洲，使用的带宽为8 3 5 m h z ，在该频段里，以lm h z 的带宽为间隔设立了7 9 个射频跳频点。在日 本、西班牙和法国，缩减了带宽，在该频段里设立了2 3 个射频跳频点，其带 宽仍以lm h z 为间隔，如表2 2 所示。为了减少带外的辐射和干扰，系统留 有保护带，对于7 9 信道系统，下保护带是2m h z ，上保护带是3 5 m h z 【1 0 】【1 1 j 。 表2 - 2 运行在2 4g h z 频带的公用频率 t a b l e2 - 2c o m m o nf r e q u e n c yr u n n i n gi n2 4g h z 国家频率范围射频信道m h z 美国、欧洲及其他大部分国家 2 1 4 0 0 一2 4 8 3 5 仁( 2 4 0 2 + k ) ，k = 吣, 7 8 日本2 4 7 1 2 4 9 7 仁( 2 4 7 3 + k ) ，k = 0 ，, 2 2 西班牙 2 4 4 5 2 4 7 5 f ：( 2 4 4 9 + k ) ，k = 0 ，2 2 法国 2 4 4 6 5 - - 2 4 8 3 5 仁( 2 4 5 4 + k ) ，k = 0 ，2 2 2 4 2 发射器特性 这部分声明要求的功率电平是指在设备的天线连接器处测得的功率电平。 根据功率的电平值，可以把设备分成3 个级别，见表2 3 。 表2 - 3 功率级别 t 曲l e2 - 3p o w c i l e v e l 最大输出功率正常输出功率最小输出功率 功率级别功率控制 p 。m w ( d b m )m w ( d b m )p n 。洳w ( d b m ) l 1 0 0 ( 2 0 ) n ，a 1 ( 0 )p m ia r - r 间期 2 x 平均值 平均值为前4 个r - r 间期均值 停搏 r - r 问期 2 4 s 瞬时心率 1 2 0 次，分钟瞬时, l , 葺g = i r - r 间期x 6 0 心动过速 持续 3 次，r - r 间期无递减 心动过缓瞬时心率 3 次 心律不齐连续三个r - r 间期差值的绝对值 平均值5 通道选择及数据分析窗口如图5 - 9 所示。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图5 - 9 通道选择及数据分析窗口 f i g 5 9w i n d o w so f c h a n n e l sc h o i c ea n dd a t aa n a l y s e 软件系统的框图如图5 1 0 所示。 图5 1 0 软件系统框图 f i g 5 1 0b l o c kd i a g r a mo f t h es o f t w a r es y s t e m - 5 0 - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 整套系统运行实物图如图5 1 1 所示。 5 3 本章小结 图5 1 1 系统运行实物图 f i g 5 1 1t h e p r a c t i c a l i t y m a p o f s y s t e mr u n n i n g 本章共分为两部分分别介绍了基于蓝牙技术的动态心电监护系统的软件部 分的设计。第一部分为心电数据采集部分心电监护掌中宝的软件设计及调 试。此部分采用p i c 汇编语言进行编程，整体编程思想为功能细分，模块化设 计，这样可以使程序可移植性强，且便于管理，便于嵌套。第二部分为上位 机中央监护仪的软件设计。此部分软件采用v i s u a lc + + 作为开发平台，利 用v i s u a lc + + 所特有的m f c 功能设计出友好的人机界面。在数据分析模块的 设计上，根据心电波形典型特征，编写病理分析判断依据。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 结论 本文通过对蓝牙无线通讯技术的学习研究，查阅了大量的国内外资料，利 用目前已有的蓝牙模块，设计了基于蓝牙技术的无线监测系统。 通过对用蓝牙技术来实现心电医疗监护系统的研究结果，得出以下结论： 1 数据采集系统 在目前有线心电监护仪的基础之上，侧重解决信号数字化，包括信号调 理、a d 转换和数字处理，变有线为无线，尤其是心电采集方面，采用了互补 对称两级放大电路，以提高微弱的心电信号，并通过带通滤波器滤掉心电信号 以外的频率信号。 2 心电监护掌中宝 采用p i