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传感器和执行器 A 286 (2019) 152–162
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传感器和执行器A：物理
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使用蓝牙低能的呼吸监测系统
P. Janiklowast;, M. Pielka, M.A. Janik, Z. Wroacute;bel
卡托维兹西里西亚大学，计算机科学和材料科学学院，计算机科学研究所，生物医学计算机系统系，UL。贝兹˛nskalsquo;39，41-200 Sosnowiec , 波兰
文章 信息 摘要
文章历史：
2018年5月10日收到
2018年12月22日订正表格
2018年12月25日接受
2018年12月26日网上提供
关键词：
信标
呼吸监测
物联网
微动力
移动系统
智能传感器
本文介绍了一种在无连接广告模式下使用BLE发射器和在张弛振荡器电路中操作的可变阻抗传感器来监测呼吸频率和呼吸强度的系统，该方案具有能耗低的特点。测量系统和远距离传输系统工作在2.2V电源。通过微功率运算放大器，系统的模拟部分消耗240-300mu;W。单极电源和张弛振荡器的配置，使其能够产生频率flt;10kHz的二进制信号。 张弛振荡器连接到微控制器二进制输入，而不必转换信号。通过使用带CPU ARM Cortex的片上系统(SoC)来控制无线电和执行对二进制信号的测量，简化了设计，减小了设计尺寸。并将系统的模拟部分与商用传感器进行了比较。此外，验证了系统在BLE侧再现呼吸循环信号的能力。两者在正常呼吸(p=0.6889)和快速呼吸(p=0.3226)的情况下，每个周期的持续时间之间的差异在统计上是不显著的。
copy; 2018 Elsevier B.V. 保留所有权利。
1.介绍
呼吸监测广泛应用于医疗、急救、体育等领域，目前在国内也有广泛的应用。呼吸控制在呼吸系统疾病中尤为重要，不仅只在自我呼吸的时候，也在机械通气的时候。呼吸监测可以通过多种方式进行，特别是使用湿度[1-4]，气体流量[5，6]，振动(加速)[7，8]， 温度[6，9]，电容[10]，压电电阻[11]，压力[12]，或热释电传感器[7，13]。还有使用磁弹性效应的系统[14]呼吸监测，或基于声学信号分析的系统[15]。
监测生命体征，包括呼吸，通常是一个长期的过程。因此，使用非接触式监测系统，例如，从相对较小的距离监测呼吸，脉搏或身体移动[16，17]，或使用远程传输技术的生物监测系统[18，19]，可以方便地进行远程测量。 该方法为被监视的人提供相对舒适，例如睡眠期间。远程监控系统的设计问题之一是能源消耗，特别是无线电系统的能量消耗。
目前，蓝牙低能(BLE)通常用于监控系统和移动设备之间的通信，例如智能手机[19-22]。它也用于节能测量系统中[23，24]。然而，市场上提供的标准解决方案使用BLE接口之间的连接模式(如GATT)，这需要在通信设备之间建立连接。BLE中的功能传输用于传输更多的数据，例如来自设备存储器的数据，然后连接可能中断。尽管在连接模式下无线电接口的功耗很低(大约几/几十毫安)，BLE用于连续监测的使用是有限的，特别是在电池供电的设备中。
默认情况下，蓝牙以星型拓扑结构运行。然而，网状网络拓扑现在也在传播[25]。BLE不可连接的广告可以替代这些拓扑。它可以用于通过脉冲无线电接口连续监测各种过程。以不可连接的广告模式(GAP配置中的广播机)配置的BLE发射机通常被称为信标。它的基本功能是分发其唯一标识符，因此这类系统用于无线电识别系统[26]或室内导航[27-29]。通过使用广告模式可以实现多到多传输。
lowast;通讯作者.
电子邮件地址: pawel.janik@us.edu.pl (P. Janik).
https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.12.040
0924-4247/copy; 2018 Elsevier B.V. 保留所有权利。
本文提出了一种利用节能基础元件和工业通信技术的系统。可以显著降低运行期间的功耗。该设计采用集成无线传感器的形式，采用可编程的BLE模块。由于其体积小，解决办法是可穿戴的且应用的无线电接口能够将其功能扩展到物联网(IoT)。小型智能传感器可安装在例如具有平均氧气浓度为N型口罩吸入装置上。此外，该装置不因无线电数据传输而限制被监测人员的移动。探测器元件可放置在其中一个面罩通风口的出口处。该系统具有以下特点：（1）系统设计简单，（2）采用节能无线电接口，能耗低，(3)与移动设备合作的可能性，(4)规模小，(5)生产成本低，(6)系统对呼吸功能的反应时间短，(7)在远程传输网络的许多配置中工作的能力。
为了保持该解决方案与移动设备的兼容性，蓝牙核心规范中描述的广告方法已被使用。这种智能传感器还可以创建专用传感器网络，从而能够更有效地管理传输信道。
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材料和方法
- 测量装置
测量链的第一个元件是带有亲水层的参数微冷凝呼吸传感器(MCBS)。以尼丁为基础的防腐剂。这种传感器的性质和制备方法在[2]中作了描述，而它的最小化版本则在[3]中作了更详细的描述。提出的系统使用最小版本的MCBS，如图1A所示。呼吸功能在多谐振荡器系统中被处理成电信号，如图1B所示。反过来，图1C给出了模拟模块(AM)的示意图，即一个带有MCBS的张弛振荡器。
传感器与运算放大器(图1c)的负反馈回路结合在一起。输出信号u0的振荡频率f取决于传感器R的可变电阻(取决于呼吸相位)和电容C的容量确定的时间常数。当r1=r2=r3时，它是[30]：
F=1/(RCln4)
用OPA244放大器实现了多谐振荡器，该放大器具有功耗低的特点，被归类为微功率系统。具有较低的最小电源电压值。该系统采用R1、R2、R3电阻，每个电阻值为1M，电容器C=4.7nF。此外，系统还采用了MCBS阻抗参数的变化。在呼吸过程中，多谐振荡器产生一个频率依赖于呼吸相位的二进制信号。从非对称电压源供电多谐振荡器会导致输出信号在地电位和电源电位之间振荡。因此，它可以被看作是伪二元。这种结构允许模拟张弛振荡器电路(AM)直接与数字电路工作。
为了演示MCBS在多谐振荡器电路中的功能，并与参考传感器进行比较，采用了图1C所示的测量装置。多谐振荡器的伪二进制输出信号在频率-电压转换器块f/V中对Al进行处理，然后从变换器输出端送到数字示波器(OSC)的一个通道。传感器电路的输出连接到示波器的另一个通道。该系统的这种配置允许同时登记监视同样的呼吸功能的两个不同传感器的输出信号。采用HIH 5030[31]湿度传感器作为参考传感器。参考传感器是根据制造商的规格配置的。为了将在AM系统中操作的MCBS与HIH传感器进行比较，使用了一个内径为14 mm的30厘米管，在其出口处，两个传感器的放置方式使得它们不构成对呼出和吸入的空气流。一位健康志愿者模拟了不同速度的呼吸，他通过装有湿度传感器的管道，通过他的嘴呼吸。(图1D)。
在智能呼吸传感器(SBS)结构(图1E)中，AM连接到可编程BLE模块。多谐振荡器的输出连接到GPIO(通用输入输出)端口之一。微控制器实现测量功能，同时控制射频(RF)电路的操作。我们讨论的系统使用商用微型的BLE模块[32]，其中包括与RF集成的ARM结构(Cortex M0)的微控制器和PCB天线。应用的BLE模块适用于蓝牙4.2.虚线(图1E)象征性地表示商业BLE模块和SBS电子产品的完整性。多谐振荡器和BLE模块都以2.2V的电压供电。SBS是自主模块，用于监测呼吸功能，并在广告模式下传输来自监控过程的数据。
要验证SBS的功能，就需要在接收端观察有关监测呼吸功能的数据。为此，在图1E和图1中介绍了一个双链测量系统。第一测量链与从多谐振荡器到记录器(OSC)的电信号路径有关(图1E)。反过来，第二个测量链关注的是：信号处理(Signalmeas)。由SBS发射机的微控制器执行的请求、数据格式、无线电传输(RF电路)、接收器模块(BLE模块接收器)中的接收数据和解码以及数据记录。用于接收广告数据的接收站的框图如图1f所示。BLE模块接收器由FTDI转换器供电，调整上位机与接收端微控制器之间的逻辑电平，通过串口进行通信。
由于测量是在两个并行测量链中进行的，因此有必要引入同步信号SYNC。单个循环脉冲形式的同步信号由微控制器产生并馈送至OSC的一个信道。同时，广告包被发送。此过程可以同步记录在两个远程测量链中的信号。用Rigol MSO1104Z示波器记录呼吸功能曲线。使用I/O设备-NI USB6361和LabVIEW软件记录长期电池放电测量值。
2.2.通信接口配置
方案的硬件层采用可编程系统和BLE接口(也称为蓝牙智能)。微控制器和BLE发射机的集成模块使用GAP(通用访问配置文件)。该模块在广告模式下广播包作为外围设备[33]。这些数据包具有在蓝牙核心4.2规范[34]中定义的格式，如图2A所示。包含几个块：序言、访问地址、
图1.a)MCBS印刷电路图，b)多谐振荡器原理图，其中RS表示MCBS的电阻，c)多谐振荡器系统中MCBS并行测量系统的框图(AM)和参考传感器，d)管的呼吸测量可视化，e)智能呼吸传感器(SBS)功能结构，f)站图广告包的识别和检测-接收站。
分组数据单元(PDU)和循环冗余校验(CRC)[35]。一个重要的部分是PDU，因为它指定何时进行数据或广告传输。
讨论系统中的PDU类型设置为ADV NONCON IND(不可连接的无定向广告事件)。此类型不允许发送扫描请求。PDU部分的广告数据包[34]含31个字节(D1-D31)，可以修改。
BLE标准为广播提供了三个频道。SBS使用一种机制，其中每一个BLE分组都通过所有三个信道发送。所呈现的智能传感器保持这种传输方式，这使得它与兼容蓝牙Core 4.2的设备兼容，例如智能手机。因此，每个包被发送三次。对于不可连接的传输的间隔，可以配置为100 ms到10.24 s之间的值。数据包必须只有一个标题和地址(图2A)，而广告数据不必定义或可以等于零。当这些数据是非零时，前两个字节D1和D2(图2A)指定广告数据的长度和类型。因此，配置的BLE发射机称为不可连接的信标。图2B示出了在所述系统中广告模式下BLE传输的特性。数据包是以传输周期广播的，通常由几个脉冲组成。持续每个约0.5毫秒。在传输过程中，发送器以一种离散的方式绘制电流，这就是为什么广告包传输被呈现为在无线电模块电源上测量的脉冲周期的原因。
在广告模式下，BLE无线电模块的配置允许您创建具有多个发射机和多个接收器的传感器网络结构。这种结构允许同时在许多接收器上监测许多人的呼吸活动。然而，本文没有讨论这些方面。最简单的结构是广告模式下的单一的智能传感器和具有BLE接口或移动设备的专用接收器，如图3A所示。当然，单个广告商(SBS)的数据广播可以由多个接收器同时接收。图3b示出多个专用和移动接收器(智能手机、平板)接收多个SBS广播数据的示范性结构。在两个设备之间的连接过程中，电流消耗增加。如果连接中断，则会重复该过程。此外，当连接传输中涉及多个设备时，连接过程可能会延迟。如果在广告模式下传输，则不建立连接。虽然测试模块NRF51822[32]在连接情况下显示了类似的电流消耗
在三个频道(约0.5mA)上实现的传输和广告模式中，当广告商被配置为通过一个信道传输时，可以显著降低功耗。广告商随后消耗了大约0.25毫安。然而，应该指出的是，通过一个通道传输并不能确保与例如智能手机的兼容性，并且需要在给定的广告频道上进行专用设备扫描。
3.结果与讨论
3.1.模拟模块(AM)
在多谐振荡器产生伪二进制信号U0的过程中(图4A)，呼吸过程中MCBS电阻RS的变化起着
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