基于无线传感器网络的脉搏波传导时间监测系统

　　血压作为人体重要生命指征,能够实现其在正常作业条件下的无创连续监测是非常重要的。脉搏波传导时间(pulse wave transit tmi e,PW TT)法是无创连续监测血压方法中实用性较强的方法[1~4]。在实际应用中通常采用心电和脚部脉搏波信号(pulse wave, PW )计算PW TT,并依据经过个性化校正的PW TT与血压的关系方程计算得到血压数值[5,6]。但是目前以有线方式采集心电和脉搏波信号的方法无法实现在正常作业情况下长时间连续监测PW TT的目的,因此设计一种合适的PW TT监测系统是十分必要的。

　　无线传感器网络技术的出现为建立适合在正常作业情况下长时间连续监测PW TT提供了有效手段。以无线方式通讯的无线传感器网络(w ireless sensor network,W SN)可以采集和处理网络所覆盖的人体的各种生理信号,并发送给观察者。而网络自身对人体和监测的生理信号没有任何影响[7,8]。系统应包括采集生理信号的无线传感器节点(sensor node)、接收无线传感器节点所发数据的汇聚节点(sink node)和分析生理信号的管理节点。

　　本文介绍了一种基于无线传感器网络技术的低功耗PW TT测量系统,其可以在正常作业条件下无创连续监测PW TT,并依据经过个性化校正的PW TT与血压的关系方程计算得到血压数值。

　　系统设计

　　整个系统由硬件部分和软件协议部分组成。

　　硬件系统设计　硬件系统包括心电无线传感器节点、脉搏波无线传感器节点、节点控制器、计算机。节点控制器作为汇聚节点,计算机是作为观察者的管理节点。人体是整个系统的被观察对象和网络覆盖区域。

　　适合无线通讯理论研究的常规无线传感器网络系统,一般均采用传感器节点一级、汇聚节点一级的两级微处理器结构,而本系统采用的四级微处理器控制与传输结构更适合脉搏波信号的高速数据采样。无线传感器节点和节点控制器分别由两级微处理器组成。无线传感器节点包括模拟信号板和无线通讯协议控制板,每个板由一个微处理器控制,分别完成模拟信号的调理和采样、无线传感器节点的通讯协议控制。节点控制器包括无线通讯协议控制微处理器和控制节点控制器与计算机通讯的微处理器。另外节点控制器还包括用于建立PW TT与血压关系方程的相关电路。计算机完成数据的显示和计算。系统框图如图1所示。微处理器采用TI公司的M SP430系列16位超低功耗单片机。

　　为实现无线传感器网络的体积微小、功耗极低、超长使用时间的要求,传感器节点除选用合适器件以外,还采用了特殊电路结构。脉搏波传感器节点中的压力传感器所用的恒流源需要较大的电流,影响整个传感器节点的超低功耗实现。因此电路结构采用分时供电结构,在需要采样的时候才开启模拟开关向传感器提供电流。当采样结束以后,将关闭模拟开关以阻断恒流源向传感器提供电流,以降低功耗。图2为脉搏波传感器间断供电的等效电路图。本系统采用供电电源导通关闭占空比为12.5%。平均电流则下降为原来的12.5%。