收稿日期: 2005�09�01
基金项目: 国家高技术产业化示范
项目(国计高技[ 2001] 2167号)�
作者简介: 徐久强( 1966- ) ,男,辽宁北镇人,东北大学教授; 赵 � 海( 1959- ) ,男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师�
第27卷第7期
2 00 6年 7月
东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Journal of Northeastern U niversity( Natural Science)
Vol�27, No. 7
Jul. 2 0 0 6
文章编号: 1005�3026( 2006) 07�0747�04
基于WPAN的脉搏血氧饱和
度检测仪的研究与实现
徐久强1, 赵 � 海1, 孙佩刚2, 尹震宇1
( 1. 东北大学 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 � 110004; 2. 沈阳炮兵学院 计算机系, 辽宁 沈阳 � 110162)
摘� � � 要: 基于 WPAN 技术,设计并实现了具有高度灵活性的脉搏血氧饱和度检测仪�详细介
绍了系统的设计思想及组成结构,分别介绍了检测仪移动采集终端和检测仪主站各组成部分的硬
件功能及设计,并给出软件平台及功能模块的划分�设计充分利用了集成电路技术的进步,结合先
进的通信技术和成熟的测量技术,实现了传统设备的功能提升和应用模式的扩展�新设计大大扩
展了血氧饱和度检测仪的应用范围,在设备的实用性、方便性、可管理性等方面有了极大提高�
关 � 键 � 词: 无线个域网;血氧饱和度; IEEE802. 15. 4; ZigBee; ARMLinux; Webit
中图分类号: T P 393�17; R 197�39� � � 文献标识码: A
脉搏和血氧饱和度反映了人体的重要生理状
态,相关的测量方法和测量设备在临床中已得到广
泛使用,比如脉搏血氧饱和度检测仪[ 1, 2] �脉搏血氧
饱和度检测仪目前主要应用在手术室、ICU 病房
等,用于危重病人的生命体征的监护�虽然血氧饱
和度和心率等指标在体育科研、非卧床病人的监护
及特殊场合(如军事领域)也有重要意义,但由于目
前该类设备皆为集中式控制, 设备体积较大、使用
不方便、价格昂贵、可管理性差,限制了相关应用�
为解决这些问题,本文介绍了基于无线个域
网 ( WPAN ) 设计的脉搏血氧饱和度检测仪�
WPAN是为在小范围内的设备间建立无线连接
而开发的无线传输技术, IEEE
化协会已为
此制定了 IEEE802. 15. X标准�本文涉及的传输
技术符合专门针对低速WPAN 制定的 IEEE802.
15. 4[ 3] ( ZigBee)标准�
1 � 系统的组成及功能
基于WPAN 的脉搏血氧饱和度检测仪的系
统结构如图 1所示�
图 1� 脉搏血氧饱和度检测仪系统结构
Fig. 1 � Construction of pulse oximeter
检测仪移动采集终端的功能: 检测人体的血
氧饱和度、脉搏和脉搏强度, 并通过 WPAN 通信
模块将数据传送给检测系统主站�检测仪移动采
集终端分为检测探头、血氧饱和度监测模块、电源
和WPAN通信模块等部分�检测探头和血氧饱和
度检测模块为外购的 OEM 模块, 是美国 BCI 公
司的产品, 它利用光电法和比尔定理[ 4, 5] , 从而实
现无创检测�检测仪移动采集终端还支持一种独
立工作方式,这种工作方式适合于连续非实时工
作的情况�
检测仪主站的功能: 通过WPAN 接口接收并
存储检测仪移动采集终端发出的信息; 按操作者
的指令在显示屏上显示移动终端传来的实时信息
或历史数据;当检测参数超出门限值时发出报警
信号; 可根据需要通过快速以太网接口与后台的
支持管理系统通信, 以完成更复杂的管理功能�一
个检测仪主站可连接多个检测仪移动采集终端,
不仅增加了使用的方便性,而且提高了主站的利
用率并降低了系统的使用成本�
除检测探头和血氧饱和度检测模块外, 系统
其余部分全部为自行设计,下面分别予以介绍�
2 � 检测仪移动采集终端的设计与实现
检测仪移动采集终端 WPAN 通信模块的功
能:经WPAN通信模块接收检测仪主站的命令,
对命令解析后通过 RS�232接口向血氧饱和度检
测模块发出控制命令; 接收血氧饱和度监测模块
的采集数据和反馈控制信息, 经预处理和打包后
经WPAN通信模块发送给检测仪主站�
2. 1 � 检测仪移动采集终端通信模块硬件设计
检测仪移动采集终端 WPAN 通信模块的硬
件组成如图 2所示�
图 2� 移动采集终端 WPAN通信模块框图
Fig. 2� Block diagram of WPAN communication modules of mobile sample acquisition terminal
( 1) MCU 部分功能和实现
MCU [ 6]部分是 WPAN 通信模块的核心, 完
成通信模块各组成部分的控制、协调和数据的加
工�具体功能: 通过 RS232 接口与血氧饱和度检
测模块通信,实现对它的控制和配置,并接收检测
数据; 通过 SPI 接口和状态指示接口实现对 RF
收发器的配置和检测, 并完成发射和接收的数据
交换;通过 U SART 接口与数据存储器连接, 完成
数据存储器的读写操作;通过电源检测和状态指
示部分,监测电源电压情况,并能通过状态指示产
生报警提示�
( 2) RF 收发器的功能和实现
RF收发器的功能是实现要传输数据的无线
收发�具体功能包括:通过 SPI接口完成与 MCU
部分的数据交换, 数据内容包括要传输的数据和
来自 MCU 部分的控制和配置信息; 根据来自
MCU的控制和配置信息调整相关的 RF 参数;通
过状态和指示接口将传输状态反馈给 MCU; 通
过天线完成数据的无线发送和接收;完成WPAN
的物理层功能, 实现物理层的
处理�该部分采
用 Chipcon公司 CC2420[ 7]实现�
( 3) 数据存储器的功能和实现
数据存储器的功能是缓冲血氧饱和度检测模
块的采集数据�数据的缓冲主要应用在无线连接
不可靠的情况�数据存储器在无线连接不通畅、无
法完成采集数据的及时传送时缓冲积聚的数据,
以便在数据通路恢复时传送这些数据; 数据存储
器的另一个功能是在移动采集终端离线使用时存
储采集数据,这适合对监测对象的长期非实时的
状态跟踪�
数据存储器采用 ATMEL 公司的新型
FLASH 芯片 AT 45DB041[ 8]实现�当移动采集终
端工作在离线状态时, 采集数据存储在该存储器
中,数据存储可持续时间大于 48 h,如采用压缩技
术存储数据,数据存储持续时间大于 168 h�
2. 2 � 检测仪移动采集终端的软件实现
检测仪移动终端的软件是基于 Webit5�0[ 9]
操作系统开发的�Webit5�0具有如下特点: 面向
8/ 16位低成本微控制器;完全抢占式事件驱动的
固定优先级调度程序;支持 256个优先级,相同优
先级任务遵循 FIFO调度策略; 采用信号量机制
实现同步或互斥共享; 定时器管理支持一次性和
周期性定时; 精简、高效的动态内存管理策略;流
设备管理; 支持多级目录的文件系统; 内置 T CP/
IP 协议栈;支持运行任务的单步调试�
检测仪移动终端的软件的结构如图 3所示�
图 3� 移动终端软件结构图
Fig. 3 � Software architecture of mobile terminal
748 东北大学学报(自然科学版) � � � � � � � � � � � 第 27卷
3 � 检测仪主站的设计与实现
检测仪主站的主要功能:经WPAN接口与移
动采集终端通信,实现对移动采集终端的控制,并
接受来自移动采集终端的采集数据; 通过显示器
模块以字符或图形方式显示采集的历史数据或实
时数据;通过触摸屏以菜单形式完成控制或查询
命令的输入;按用户
实现对历史数据的管理
和挖掘,存储采集的历史数据并具备历史数据的
自动清除和锁定功能;具备快速以太网接口,通过
该接口可实现与后台管理系统的连接�
3. 1 � 检测仪主站的硬件设计
检测仪主站的硬件结构如图 4所示�下面分
别介绍各主要部分的组成及其功能�
图 4� 检测仪主站硬件结构图
Fig. 4 � Hardware configuration of oximeter s main station
( 1) CPU 部分的功能和实现
CPU 部分完成主站各组成部分的控制、协调
和数据的加工�具体功能:通过系统总线与存储器
相连, 完成相关数据的加工、处理和存储; 通过
LCD接口与彩色液晶显示器相连,实现信息的显
示,以实现人机交互;通过触摸屏接口与触摸屏相
连,实现控制命令的输入;通过总线接口与以太网
控制器相连,可将检测仪接入后台支持网络, 实现
系统信息的集中化管理和与后台管理系统的融
合;通过 SPI 接口和状态指示接口实现对 RF 收
发器的配置和检测, 并完成发射和接收的数据交
换,实现与检测仪移动终端的通信;通过电源和外
围电路,实现对系统的供电�
( 2) 检测仪主站存储器的功能和实现
存储器的功能是存储系统程序和应用程序,
存储移动采集终端采集的历史数据并提供程序运
行的存储器空间�
( 3) 快速以太网接口的功能和实现
为实现与后台管理系统的协作,检测仪主站
提供一个快速以太网接口�通过该接口,可方便主
站与医院的病历管理系统、计费系统、或其他应用
单位的后台业务支持系统的连接�
( 4) 人机交互界面的设计
一些专家指出: 对于用户,人机界面就是系统
本身�因此人机界面在系统中占有重要地位�本系
统中, 人机界面的硬件部分由彩屏 LCD显示器和
触摸屏组成,触摸屏用于输入各种控制/查询命令
和各种初始数据, LCD显示器用于返回各种命令
的操作结果和显示各种监测数据或监测曲线�显
示器采用 SHARP 公司的 LQ035Q7DB02[ 10]实
现,该屏为具有配套触摸屏的彩色 LCD�
( 5) WPAN 接口
WPAN接口实现检测仪移动终端与检测仪
主站的通信, 与检测仪移动终端的 RF 收发器部
分基本相同�
3. 2 � 检测仪主站的软件实现
检测仪主站的软件是基于 ARMLinux 开发
的�自 20世纪 80年代末以来,陆续出现了一些嵌
入式操作系统,但其高昂的价格令人望而却步,且
源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性�
因此, 结合国内外具体情况, 选择了 ARMLinux
操作系统作为开发平台�检测仪主站的软件结构
如图 5所示�
图 5� 监测仪主站软件结构
Fig. 5� Software architecture of oximeter s main station
749第 7期 � � � � � 徐久强等: 基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的研究与实现
ARMLinux 内核主要由 5个子系统组成: 进
程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口和进
程间通信�进程调度控制进程对 CPU 的访问; 内
存管理允许多个进程安全共享主内存区域;虚拟
文件系统隐藏了各种硬件的具体细节, 为所有的
设备提供了统一的接口;网络接口提供了对各种
网络标准的存取和各种网络硬件的支持;进程间
通讯( IPC)支持进程间各种通信机制�
显示处理模块和触摸屏处理模块共同完成人
机交互�显示处理模块完成采集数据的图形或字
符显示,并根据用户操作显示各级菜单;触摸屏处
理模块与显示处理模块配合完成各种控制或命令
信息的输入�
嵌入式数据库实现历史数据的管理、查询和
维护等操作�
4 � 实现结果
基于WPAN 的血氧饱和度检测仪的原型机
已开发成功并通过测试�
测试结果如下:各参数的测量精度与所选择
的血氧饱和度监测模块完全相同; 一个检测仪主
站最多可同时与 64个检测仪移动采集终端通信,
并保证传输和显示的正确性和实时性; 无线传输
速率为250 kb/ s;无线传输距离可达75 m(根据使
用条件的变化会有所改变)�
测试结果表明,检测仪完全达到了预期的设
计指标,具有广阔的市场前景�
5 � 结 � � 论
基于WPAN 的血氧饱和度检测仪的研制,大
大扩展了设备的适用范围,在设备的实用性、方便
性、可管理性及适用范围等方面有了极大提高;由
于一个主站可连接多个移动采集终端, 大大降低
了使用成本�
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2004- 06.
R& D of a Pulse Oximeter Based on WPAN
X U Jiu�qiang1 , ZHA O H ai1 , S UN Pei�gang2 , YIN Zhen�yu1
( 1. School of Information Science & Engineer ing , Nort heastern University, Shenyang 110004, China; 2. Computer
Depar tment, Shenyang A rtiller y Academy, Shenyang 110062, China. Corr espondent: XU Jiu�qiang, E�mail: xujq @ mail.
neu. edu. cn)
Abstract: A highly sensitive pulse oximeter is developed for ox ygen saturat ion of blood on the basis of WPAN . Descr ibes in
detail the conceptual design and construction of the ox imeter system especially. F irstly, the pulse ox imeter s design and
structure is introduced in detail. T hen, the functions and design of its mobile sample acquisit ion terminal and construction of its
main station. In addition, the div ision of software platform and functional modules is illustrated. W ith the highly developed IC/
communication technolog ies and mature metering technique, the new pulse ox imeter upgrades its conventional functions and
w idens its application scope, thus enhancing greatly its practicability, convenience and manageability .
Key words: WPAN; oxygen satur ation of blood; IEEE802. 15. 4; ZigBee; ARMLinux ; Webit
( Received Sep tember 1, 2005)
750 东北大学学报(自然科学版) � � � � � � � � � � � 第 27卷