基于CC2430的穿戴式呼吸检测模块的研制

?　　

　　引言

　　人体在生命活动中需要的能量来自于摄入体内的营养物质的代谢。代谢过程需要氧气并产生二氧化碳，氧气的摄入和二氧化碳的排出则要依赖于呼吸过程。人体与外界环境进行气体交换的总过程，称为呼吸。呼吸是人体重要的生理过程。由于生理结构的原因，呼吸系统易发生各种呼吸疾病。我国人口死因最新排行调查显示，近 20 年我国人口总死亡率下降 20.05%，在前18 位主要死因疾病位次中，呼吸系统疾病居首位。据统计，呼吸系统疾病(不包括肺癌)在我国城市的死亡率病因中占第四位，在农村则占第一位。

　　作为呼吸生理的一个重要参数，呼吸频率是急性呼吸功能障碍的敏感指标，测量呼吸频率对一些呼吸系统疾病的诊断、治疗有重要的作用。呼吸频率是指人体每分钟呼吸运动的次数。正常成年人在平静时的呼吸频率约为每分钟12~18 次。一般认为，成年人呼吸频率在 12 次以下为呼吸减慢，每分钟超过24 次为呼吸增快。呼吸频率和血液的一些生化参数的变化有着密切的关系，可能会影响到血氧饱和度、二氧化碳分压、血氧钾含量等。人体的呼吸过程伴随着胸廓的收缩和舒张，据相关实验证实，在 50KHz~100KHz 的高频脉冲刺激下，胸部的容抗和感抗影响微弱，胸阻抗呈线性阻抗变化。因此，本项目采用生物电阻抗法检测原理，通过检测人体呼吸过程中胸阻抗的变化来检测呼吸频率，实现了对人体呼吸状况的实时监测。

　　1呼吸检测模块的整体结构

　　本模块主要由三部分组成，呼吸信号采集单元、CC2430 控制单元和 ZigBee 无线发送单元。模块整体结构如图1 所示，系统工作流程如下：

　　由CC2430 控制单元发出开始检测呼吸信号的指令，呼吸检测模块开始工作。由CC2430 触发的125KHz 高频脉冲通过P0.4 口输出后，通过D 触发器进行二分频。形成两路频率为62.5KHz 且波形相反的脉冲信号加载到放置于右锁骨下外1/4处和胸骨左缘第5 肋间的两个检测电极上。采集到的两个电极间的阻抗变化信号通过模拟电路的预处理，送至CC2430 进行数模转换。转换后的数字信号传给控制和显示单元中的信息处理单元，一方面对接收到的数据进行处理和显示，另一方面将结果数据通过 ZigBee 无线通讯单元发送到上位机，由上位机进行存储数据，供医护人员检索和回放。

　　2呼吸检测模块的硬件电路

　　2.1 CC2430 控制

　　在本文设计的模块中，采用Chipcon 公司生产的ZigBee 芯片CC2430 实现了模块的整体控制和高频激励信号的触发。CC2430 除了包括RF 收发器，还集成了具有128KB 的可编程闪存和8 KB 的 RAM，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128 协同处理器、看门狗定时器、32 KHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21 个可编程I/O 引脚。