基于無線通信技術(shù)的電生物信號采集測試研究

潘杰

摘要：可穿戴電生物信號采集系統(tǒng)能夠采集身體不同部位的電生物信號，通過傳感器來獲取電生物信號，將采集的數(shù)據(jù)儲存在記憶卡中，并以ZigBee無線傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)器件與軟件的實時數(shù)據(jù)傳輸。波形通過控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)實時處理在客戶端顯示出來，對身體不同部位信號進(jìn)行采集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無線通信;傳感器;生物信號

中圖分類號：TN402? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0273-03

Abstract： Wearable electro-biological signal acquisition system can collect electro-biological signals from different parts of the body， acquire electro-biological signals through sensors， store the collected data in memory card， and realize real-time data transmission between devices and software by ZigBee wireless transmission. The waveform is displayed on the client through the real-time data processing of the controller， and the signals of different parts of the body are collected and analyzed.

Key words： wireless communication; Sensor; Biological signal

1 引言

大腦中不同的部位控制不同的身體活動，大腦的頂部和后部分別控制著四肢運動和看、聽、學(xué)、說相關(guān)區(qū)域。腦電波信號是大腦傳輸命令的基礎(chǔ)，科學(xué)家一直在研究腦電波信號和人體的一切活動之間存在的聯(lián)系。如果這種關(guān)系能夠通過采集人的腦電波信號把這些對應(yīng)的信號與活動解析出來，那么就可以通過大腦的腦電波信號來通過數(shù)據(jù)分析輕松地實現(xiàn)人對身體以外事物的控制與操作[1]。人類很多的疾病，都是由腦部損傷或者非正常發(fā)育造成的，當(dāng)通過傳感器收集了正常人的腦部活動的控制系統(tǒng)，就可以通過監(jiān)測腦部的腦電波信號對腦部疾病患者進(jìn)行診斷和治療[2]。

2 系統(tǒng)的原理

對于腦電波、心電肌肉、心電、姿勢或身體動作等電生物信號的發(fā)現(xiàn)，是經(jīng)過很多科學(xué)研究才發(fā)現(xiàn)的。隨著科學(xué)的發(fā)展越來越多的技術(shù)應(yīng)用于提取生物電信號設(shè)備的研究，本文研究的可穿戴采集生物電信號設(shè)備的原理圖如圖1所示。

本設(shè)備通過傳感器模塊獲取電生物信號，將采集的數(shù)據(jù)儲存在記憶卡，然后通過ZigBee（2.45GHz的）TDMA無線傳輸?shù)姆绞捷敵龅娇刂破鳎?jīng)過控制器對信號進(jìn)行處理在電腦端顯示出實時的波形[3]。傳感器：用于測量ECG / EEG 、心電圖、肌電圖信號、截取運動和姿勢的活動，以及去除環(huán)境的電磁污染（ EMP）。存儲器安裝在傳感器上后，進(jìn)行離線生理信號記錄超過11小時的情況下，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通過RF傳輸不會降低，連接設(shè)備后數(shù)據(jù)通過控制器傳到電腦?？刂破鬟B接到計算機(jī)的USB端口，用于聯(lián)機(jī)或者脫機(jī)的生理信號的數(shù)據(jù)傳輸和電池充電雙按鈕（正，負(fù)）和4個LED為簡單的標(biāo)記和事件標(biāo)記LIR2032可充電鈕扣電池，完全充電后通常有大于48小時的使用時間有低功耗的ZigBee（2.45GHz的）TDMA無線信號傳輸?shù)慕换ナ綍捴С侄鄠鞲衅?、多控制器、時間同步操作[4]，必須是傳感器、存儲器、控制器都連接好的狀態(tài)。

3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)能夠和網(wǎng)上的開源軟件進(jìn)行連接展示數(shù)據(jù)，所以你可以自由地存取、分析，歸檔和共享您自己的生物信號數(shù)據(jù)。設(shè)備包括主要由3個部件組成，傳感器、存儲器和控制器，加上各種配件方便生物型號的測量。穿戴設(shè)備可在聯(lián)機(jī)狀態(tài)（生物信號監(jiān)測、生物反饋訓(xùn)練、游戲等）使用，也可以在脫機(jī)記錄狀態(tài)（睡眠、冥想、運動、視頻或音樂活動等）使用或兩種狀態(tài)一起使用。腦電波應(yīng)用技術(shù)也可以為殘障人士服務(wù)，例如用腦電波控制的智能輪椅等，只需要一個想法便可以改變輪椅的運動姿態(tài)[5];腦電波應(yīng)用可以用于保護(hù)個人隱私方面，例如越來越多的建筑使用玻璃幕墻，其中的人員隱私有時得不到保障，此時緊緊通過一個“念頭”變能改變玻璃幕墻的透明度等等[6]。此設(shè)備的能夠?qū)崿F(xiàn)電生物信號采集數(shù)據(jù)和控制器之間實時傳輸。并且運用ZigBee（2.45GHz的）TDMA無線通信技術(shù)可以進(jìn)行多傳感器的數(shù)據(jù)實時傳輸，對身體不同部位的生物信號進(jìn)行處理展示相應(yīng)的波形。

4 系統(tǒng)實驗測試

利用電生物傳感器對人體的電生物信號進(jìn)行采集的研究還處于研究階段，還沒有相當(dāng)完整的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，不同的研究人員采用不同的方法來獲取人體的電生物信號包括入侵式和非入侵式，本設(shè)備收集電生物信號采用的是非入侵式，只需要把傳感器設(shè)備穿戴到人體表面指定的位置便可以獲取不同的電生物信號。本次實驗對象是6個人。

實驗?zāi)康模豪每纱┐髟O(shè)備系統(tǒng)研究腦電波、心電、肌肉等電生物信號以及人體的姿勢。結(jié)合數(shù)據(jù)分析本設(shè)備的采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

實驗對象：隨機(jī)選取了4個男士，2個女士進(jìn)行測試。該組受測人員的年齡在20～25周歲之間，生活習(xí)慣良好，沒有參加過類似的穿戴產(chǎn)品信號采集實驗。自愿參加本次測試，在測試前沒有對測試目的進(jìn)行了解，沒有心理干擾因素。

實驗環(huán)境：室內(nèi)，空間絕對安靜，溫濕度正常。

實驗時間：每天午后課余時間，精神狀態(tài)飽滿，身體狀態(tài)正常。

（1）加速度計功能（XYZ頻道）測試