无线心电监护系统与远程数据记录使用PSoC和CyFi

Uttam。美国Deshpande¹诉r Kulkarni²

讲师,生物医学工程部门,K.L.E Engg学院。008年- 590年贝尔拉姆和科技,代号,卡纳塔克邦,印度
副教授和头部,贝拉的部门- 590年贝尔拉姆Gogte理工学院,代号008,卡纳塔克邦,印度

文摘

这项工作提出了一个低功耗的传感器节点的设计,获得心电图信号,处理和传输无线介质。片上可编程系统(PSoC)处理器执行快速、复杂的信号处理和低功率消耗。这些PSoC的功能扩展其使用在设计智能无线传感器节点。心电图检测和处理系统定期检测R峰,计算心率和分类。高精度、低错误率和良好的噪声免疫力是通过简单的阈值技术。传感器节点寿命更长,能耗起着非常重要的作用。日志数据持续到基站,智能传感器节点使发射机只观察到当关键的心率。进一步降低功耗的实现是通过使用低功率CY3271传感器节点本身。权力分析显示减少权力由于减少了传输速率。这导致了低流量在网络上。

关键字

心电图检测和处理系统、日志记录、智能传感器、阈值、CY3271传感器节点。

介绍

无线传感器网络(网络)由传感器节点的数量。这些节点可以部署尤其是地区远程监控是不可能的。区域可以是茂密的森林,难以进入的地形或地区受到灾害的影响。随着制造技术进化,大小的设备变得更小,耗能少,定价低。这种动力使传感器节点收缩规模,延长其计算能力。数量这么小的传感器节点可以部署在一个大区域。因为他们的能力增加,这些节点可以跳数据相邻节点使用先进的网络协议。通过这些数据可以发送到任何遥远的节点集群节点。这些节点在一起执行大型数据处理活动以非常低的权力。放在一起,WSN提供优势的灵活性,容错、高以低成本传感富达[1]。 Rapid deployment characteristics of sensor networks fancy their use in remote patient monitoring system and sports training facilities. Remote care helps to measure vital body signals such as blood pressure and body temperature from a remote distance.

优势的基础帮助设计身体传感器网络技术(BSN)。BSN由不同领域上的传感器连接数量的身体被称为身体区域网络(禁止)[2]。这些传感器分别收集数据并传输到远程诊所或医院。这种技术是非常有利于老年患者面对困难去医院定期和长期监测建议。胶电极不能用于长期心电图监测。节点与非接触电极(3 - 5)雷竞技网页版是这类患者的首选。心电图监测系统设计使用微控制器需要外部收购ECG信号放大和滤波电路。因此,增加能耗。

本文提出了一种新颖的方法连接高度通用的片上可编程系统(PSoC)与无线传感器节点CY 3271传感器节点,从柏树半导体[12],[13]。这个接口是图1所示。PSoC允许更大的整合,良好的功率效率和精度高,低的价格。PSoC混合信号阵列是一种低功率可编程系统芯片(SoC)。这允许配置、编程模拟和数字组件通常是在嵌入式系统中使用。它也有一个内置的单片机集成和控制所有的程序组件。PSoC延伸其计算能力通过使用混合信号数组,复杂计算,如过滤、压缩或抑制在各个节点可以实现。这种影响在减少通过网络的数据吞吐量。因此导致减少传输时间和增加传感器节点的电池寿命。

阈值原则:采用阈值技术检测ECG信号准确。最初阈值设置为低价值0.9 mvolts一般。当心电图信号超过这个值时,R峰检测。阈值随时间增加到预定义的高价值1.32 mvolts。阈值自适应算法[11]是用来检测错误的节拍,它会自动增加阈值增加噪声免疫力。

心率分类:根据观察心率、心电图信号可以分为心动过缓,正常或心动过速。这允许发射机开关传输只有心电图异常。因此,由大量节约能源。

剩下的纸是组织如下。第二部分回顾相关工作进行无线心电监护。第三部分提供了硬件和软件平台实现。第四部分描述了心电图检测,处理系统使用PSoC CY3271传感器节点和接口。第五部分调查PSoC界面的CY3271传感器节点。VI显示试验结果,分析了系统性能的改善。第七部分总结了论文,并概述了未来的工作。

硬件和软件平台

这个部分处理PSoC和传感器节点的硬件和软件实现技术。

答:PSoC硬件平台

柏树半导体家族的PSoC微控制器是用来取代传统microcontroller-based系统组件与一个低成本的可编程设备。PSoC架构有一个中央处理器、数据存储器、flash程序内存,可配置的模拟和数字块,可编程I / O端口,时钟发生器和其他一些系统资源。M8C微处理器遵循8位哈佛架构和可以操作速度高达24 MHz。通用I / O引脚(GPIO)允许灵活地与外部设备接口。每个针的驱动模式可以选择预定义的设置和中断选项生成一个中断的预定义事件销。PSoC CY8C27443有28个销PDIP包是用于我们的设计。它包含12轨到轨模拟PSoC块14-Bit adc, 9-Bit dac, PGA,可编程滤波器和比较器。它还包含8数码PSoC块8 - 32位定时器,计数器,pwm和全双工uart。它有内置的256字节的RAM和16 KB的程序内存。它作用于电源电压3.0 V至5.25 V。

b .无线传感器的硬件和软件平台

CY3271传感器节点传感器节点由PSoC CY8C27443 RF7936收发器。这是应用程序控制器节点,用户应用程序可以开发。它控制射频7936电台和其他组件。与外部应用程序执行输入输出操作,节点应用PSoC有五个通用输入输出引脚(GPIO)。除了这些还有两个I2C针串行数据线(SDA)和串行时钟(sci)。

传感器节点使用CyFi星形网络协议。协议栈是轻量级的,占据了不到6 kb的代码空间节点。这腾出更多的空间来构建完整的嵌入式无线系统在一个单一的PSoC设备。传感器节点可以由2 AAA电池。cr - 2032硬币电池包也可以启动传感器节点。

c . PSoC软件平台

PSoC设计师集成开发环境(IDE)是由柏树微系统公司开发的。PSoC设计师是革命性的IDE,可以用来定制PSoC以满足特定的应用程序需求。PSoC设计师软件加速系统投入市场的时间。应用程序可以使用库开发前特征的模拟和数字外围设备在一个拖拽设计风格。定制的设计利用动态生成的API库代码。最后我们可以调试和测试开发与集成调试环境设计,包括软件仿真和标准软件调试功能。

PSoC应用程序代码开发的三个主要阶段,

1)设备编辑器(DE):它允许用户选择功能组件(例如ADC、过滤器、定时器、计数器等)为每个模拟/数字块。

2)应用程序编辑器(AE):它允许用户编写的代码用C语言或汇编语言。模拟/数字块必须初始化代码中使用生成的组件库。它也给访问中断服务例程。

3)调试:调试的最后一步PSoC的开发过程。PSoC设计师IDE提供了一个incircuit模拟器,它允许调试PSoC的完整的操作速度。它允许用户定义复杂断点事件和大型跟踪缓冲区,允许用户监控寄存器,内存位置等。

心电图检测和处理系统使用PSOC CY3271传感器节点和接口

本节涉及PSoC之间的接口设计和CyFi CY3271。这是通过实现一个串行外围接口(SPI)在全双工模式下。SPI主这里实现传输数据从指定的时钟速度在串行时钟(SCLK)。奴隶选择(~ SS)线控制SPI奴隶我。e SPI奴隶从其内部缓冲区读取数据后断言~ SS信号。时钟频率必须设置为两倍所需的比特率。

答:编程PSoC检测和传输心电图信号

首先应该从传感器检测到的心电信号。处理后,心率应该发送SPI主奴隶在上(莫西人)的节点PSoC基站传输信号。

1)放大器:可编程增益放大器(PGA)是用于提供高输入阻抗传感器连接到它。它放大信号,基于用户需求所需的水平。它只使用一个模拟块的操作。在我们的设计中,PGA增益设置为48。作为一个接地参考选择。模拟总线是禁用的。由于增益大于1,电阻器的字符串连接运算放大器的输出电阻丝锥是连接到反相输入Op-Amp.的

2)模拟到数字转换器:PSoC过程数字形式的数据。因此模拟数据必须转换成数字形式这个原因。对于我们的设计,一个变量14位分辨率增量ADC被选中。这提供了灵活性,精细调整采样率和改变决议根据应用程序需求在开发阶段。它由积分器,比较器,计数器,脉冲宽度调制(PWM)和参考信号。数据时钟8 mhz被选中。这个模块使用一个模拟块和四个数字块8位计数器和24位PWM。

3)SPI主和缓冲:这个块执行全双工同步8位数据传输。SCLK阶段,SCLK极性和LSB第一选项指定SPI时钟模式。SPI时钟模式0是用于我们的设计。数据时钟设置为93.75 KHz。这个选项选择数据传输速率。这个块使用一个数字块来完成其操作。

为了推动莫西人的SPI数据奴隶,数字使用缓冲区。时钟应与系统时钟同步实现正确操作。这一块使用一个数字块。

这3个用户模块选择从用户模块设计编辑器中可用。他们是使用上面的价值观和路由配置。

b .滤波和阈值实现固件

等来源的ECG信号会损坏电子干扰从周围的设备,测量噪声(或电极接触),肌动电流图噪声(肌肉收缩),运动构件,仪器噪声(如从ADC转换构件)。雷竞技网页版因此心电图信号必须使用数字滤波器过滤。

1)二阶IIR低通滤波器:三个二阶IIR低通滤波器级联ADC样品。一般来说,一个IIR滤波器由方程1的输出信号在一个给定时刻的线性组合得到早期I / O信号样本。这些过滤器是用来抑制50 - 60 hz的干扰。每个有以下25 Hz截止频率的传递函数。

2)区别:一阶IIR高通滤波器的截止频率70赫兹(FC)决定了ECG信号的一阶导数用于脉搏率计算。这是由方程2。导数挑出心电信号的QRS波群。

3)峰值检波器:一个聪明的峰值检波器和自动阈值调整是用来检测的rr峰值。rr间隔测量。心率计算通过互惠这意味着脉冲间隔值一段固定的时间为60秒,然后扩展到单位每分钟节拍(BPM)。这个计算心率是通过平均滤波器。滤波器计算两个心率检测到的平均水平。这样做是为了提高系统的准确性。

4)阈值自适应算法:阈值技术有助于检测心电信号。阈值从低水平增加,直到达到所需的高水平。每当ECG信号穿过这个阈值时,将检测QRS波群。

减少检测假打,每次检测QRS波群之后,算法执行的自动阈值水平调整和噪声检测240微秒,这是图2所示。

算法如下,

Step1-Find最大绝对值在t1 = 200毫秒的时间间隔后检测到复杂。

步骤2 - update阈值为0.75×马克斯(E), E是差异化的心电图。

步骤3——降低阈值,直到它达到预定义的值。

第四——在间隔200毫秒到240毫秒后QRS检测,如果E成为大于阈值,然后转到步骤5。别的,转到步骤1。

第五,显示检测到的“噪音”。增加阈值,当前的rr间隔重新计票。转到步骤1。

的应用PSOC界面的CY3271传感器节点

这部分研究工作干扰PSoC CY3271传感器节点。

答:CY3271编程

心率的SPI主莫西人行应收集和储存后传输。因此,SPI奴隶应该用于这一目的。CyFi星形网络协议(CYFISNP)用户模块用于配置RF7936收发器。

1)SPI奴隶和缓冲:类似于实现SPI的主人。必须采取适当的照顾而连接莫西人,味噌,SCLK ~党卫军线与主人。外部时钟不是用作数据传输发生在设定的时钟频率的主人。这个模块使用一个数字。数据发送到这个节点可以缓冲缓冲后回到PSoC。这个模块使用一个数字。

2)CYFISNP:这个用户模块控制射频收发器的操作通过调用CYFISNP API的。节点电源类型设置为低厚颜无耻碱性电池,提供连续的节点。使用睡眠定时器可以减少功耗。255字节的eepm块选择存储网络参数。外部功率放大器用于节约能源的节点上。6 mhz时钟使用SPI模块数据传输/接收数据的节点。低射频通道10 (2.412 GHz)和高通道58 (2.460 GHz)来控制射频的排放。这个模块使用一个数字。

b .异常心率检测

从PSoC传感器节点接收数据。分类后的心电图信号发射机所使用的传输做决定。

c .计算的rr间隔

由发射机计算能耗,我们需要计算最小和最大心率每分钟传播。rr间隔使用下面的公式可以计算出,

rr间隔秒= 60秒/观察心率。(3)

当心率正常,心率不会传输到基站。如果心动过缓或心动过速是观察,异常的心率。发射机将开启和传送一个字节的数据。最高心率从表1是120 bpm实现。从方程3,我们可以计算的rr间隔为0.5秒。意思,心率传输发生每半秒钟。

d . DE放置和路由:

CYFISNP和SPI奴隶从PSoC用户模块用于接收数据并传输到基站。一个比特传输或接收两个时钟周期。SPI奴隶从PSoC接收数据和时钟频率设置我的主人。因此,接收数据报21.33μs,因为SCLK主设置为93.75 KHz。CYFISNP在6 mhz时钟。这个模块发送每一位到无线电模块0.334μs速度。

e .基站设置

基站由PC桥两个CY8C28494处理器组成。一个处理器充当主微处理器提供USB I2C桥的功能。第二CY8C28494处理器作为无线集线器和与意义和控制仪表板GUI通过I2C接口到主处理器USB / I2C桥。无线应用程序使用CyFiSNP用户模块配置为一个中心枢纽与无线通信节点。所有配置和节点之间的数据处理器是传达一个I2C接口。工具包提供的配置中心。它必须被下载到中心作为接收机。

感觉和控制仪表板用于将传感器节点绑定和配置它。记录数据的节点接收并显示GUI。这个GUI也提供了灵活性的储蓄个人电脑上的数据供以后分析。

结果和性能分析

答:CY3271传感器节点性能结果

柏树微系统设计了一种功率计算器使用简单的excel表和为用户免费提供计算能力。这有助于开发人员估计芯片的功耗。能耗计算基于使用的模拟/数字外围模块数量,时钟频率用于他们每个人,针的数量和行(信号路由)的驱动,等。图3显示了传感器节点的功率计算器的结果。传感器节点作用于3.3 V和使用其内部操作的6 mhz。CYFISNP操作6 mhz。提供时钟收音机Row_0_Output_3线6兆赫和0.095 ma电流消耗。同样这个模块将数据发送给无线模块Row_0_Output_1线6 mhz,消耗0.095 ma电流。数据节点发送回PSoC Row_1_Output_1,速度93.75 KHz消耗0.008 ma的权力。莫西人、SS和SCLK收到数据从主GPIO行9.75 KHz,消耗0.035 ma。整体能耗包括基准电路电流计算为3.452 ma。

表2显示了实现系统之间的比较结果(模型2)和阈值系统(模式1)。模型1比较性能与MICA2尘埃。然而,与模型1和模型2比较性能MICA2尘埃。三种情况考虑性能比较。

1)Case1:时间ECG信号低于阈值的100%。模型1不传输数据。模型2,这是相同的理由时心率不传送到基站正常心率。

2)案例2:时间ECG信号低于阈值的50%。模型1每秒传送三个封包或180包/分钟。在模型2中,节点传输数据时检测心率心动过速或心动过缓。模型2假定心动过速的心脏状况分析目的,尽可能最高心率。因此一分钟最多120 bpm。然后计算每分钟数据传输的数据包数量为120。50%低于阈值,每分钟60个包或一个包每秒的传输。

3)案例3:时间ECG信号低于阈值的0%。模型1 28每秒数据包传送或1680包/分钟。模型2每秒传输120包/分钟或两个包。检测技术应用于模型2每分钟减少传输的数据包数量很大程度上。

b .意义和控制仪表板

SCD促进医生个体病人的数据存储在电脑。这有助于进一步开展临床研究。图4显示了数据记录患者心率的60 bpm。它可以观察到每分钟60得到接收数据包。意思,每秒一个包。消息,在图4中显示时间戳字段,基站接收心率实例在不同的时间。

结论和未来的工作

这个工作实现了低功耗设计通过接口PSoC CY3271传感器节点。心电图检测和处理系统演示了其检测ECG信号的能力。阈值自适应算法开发促进准确的心电图检测。心率分类在传感器节点及其性能进行了分析。观察到,与阈值技术相比受雇于PSoC界面的MICA2,电脉冲检测方法用于这项工作减少每秒传输的数据包数量。智能传感器节点使传输只有当心脏事件检测至关重要。观察结果表明,节点PSoC MICA2的当前消费不到。降低传感器节点的数据包和智慧贡献降低整体系统的当前消费。这将导致减少数据流量在传感器网络的各个节点,提高了传感器节点的一生。登录SCD的心电图数据各个节点帮助分析数据供以后使用。

CY3271足以处理PSoC广播以及节点的应用程序。由于网络协议栈使用代码不超过6 kb,整个心电图检测和无线传输系统应用程序可以在CY3271发达。PSoC用于探测系统和传感器节点分别马消耗约9.5和3.452 ma。需要单独的电池充电。完整的应用程序设计CY3271应减少当前消费和成本。体积小、重量轻、功耗低和执行复杂的计算能力使PSoC发展中医疗应用的最佳选择之一。

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