基于單片機AT89C2051和InRF401的呼吸暫停無線監測系統，實現了呼吸暫停監測的無線化和可移動性，并且能對患者是否出現過呼吸暫停以及暫停次數進行方便、有效的監測。該系統充分利用了nRF40l單片無線收發芯片和AT89C205l單片機內核，在體積、重量、操作簡單性等方面都取得了很大突破；另外采用了一種高效的呼吸信號新型采集方法，使信號處理更加簡單、準確。該系統能在基本不影響人們睡眠的狀況下進行有效的呼吸監測，將監測結果提供給醫生并作為醫療參考，以能夠給被測病人提供個性化治療方案。
引言
目前醫生在診斷睡眠呼吸暫停癥時常使用夜間睡眠呼吸多項生理監測儀，記錄一整夜的睡眠周期，其中包括呼吸暫停以及呼吸變淺的次數、型態、缺氧指數、次數、心電圖的變化、口鼻腔氣流、胸腹部呼吸運動、耳垂血氧等信號的記錄、打鼾次數等情形。雖然這些儀器測量較準確，但需要在身上配戴多種儀器，也必須在特定的醫院中由專業人士操作才能進行測量，非常不方便，并且也容易影響患者的睡眠，所以不適合做長期的監測。并且這樣的儀器價格昂貴，患者更不會買來在家庭使用。針對上述缺點，設計了本套無線監測系統，本系統使用簡單、基本不影響睡眠、價格低廉；適合在居家睡眠環境下做長期自測和與醫生進行醫療遠程互動，以達到幫助醫生了解患者病情的目的。
1 系統設計概述
本系統采用433MHz的無線收發芯片。nRF401，外圍電路很少，并且不需要對數據進行曼徹斯特編碼，只需利用單片機來控制該收發芯片的工作過程。利用數字溫度傳感器DSl8820進行呼吸信號提取，然后利用由單片機控制的無線收發系統的發射部分將提取出的呼吸信號發射出去；經過接收模塊，將接收到的呼吸信號傳送到單片機中進行處理，從而將呼吸暫停出現的次數顯示出來。原理框圖如圖1所示。
2 呼吸信號提取和無線收發
2.1 呼吸信號提取電路的選擇
首先想到的是采用壓力法，但由于口、鼻腔處的壓力變化很微弱，并且弱壓傳感器的靈敏度很高，容易受各種因素的影響，造成誤動作，故壓力法不宜采用。我們知道人的呼吸是通過鼻子或嘴，所以在鼻子和嘴巴附近可以放置多個溫度傳感器，通過溫度的變化將呼吸信號提取出來，而作為數字溫度傳感器的DSl8820就能滿足此要求。
DSl8B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DSl8820可以并聯到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DSl8820通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路，其應用電路如圖2所示。
2.2 呼吸信號的的發射部分
采用的nRF401是一個433MHZ ISM頻段設計的真正單片UHF無線收發芯片，它采用FSK調制解調技術，nRF401最高工作頻率可以達到20k，發射功率可以調整，最大發射功率為+10dBm。利用單片機對發射部分進行設置，通過發射模塊將承載呼吸信號的數字信號發射出去，其原理框圖如圖3所示。
2.3 接收部分和單片機的處理
無線接收模塊收到發射機發來的信號后，將其傳送到另一單片機上進行信號的處理，對呼吸暫停持續時間進行定時測定，當呼吸暫停超過10s時計數，將結果利用數碼管進行動態顯示，從而實現監測呼吸暫停次數的目的。如圖4所示。
2.4 對于單片機的軟件設計
本系統的工作主要是利用單片機來進行控制，包括呼吸信號的提取，無線收發模塊的傳輸協議和收發方式的設置，以及顯示和報警部分，都是利用單片機來進行的，其總體的程序設計流程圖如圖5所示。
2.4.1對于DSl8B20的軟件設計
雖然數字傳感器的硬件接法比較簡單，但在測量溫度時有嚴格的時序要求。一旦時序出現錯誤，那么溫度的讀取和顯示就不能正確進行，在編寫程序時這個問題需要著重考慮，例如我們采用中斷時，就要考慮中斷的執行對于單片機工作整個時序的影響。DSl8B20的一線工作協議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。寄存器R1、R0決定溫度轉換的精度位數：R1RO=“00”，9位精度，最大轉換時間為93.75ms；RlR0=“01”，10位精度，最大轉換時間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉換時間為375ms；R1R0=“1l”，12位精度，最大轉換時間為750ms；未編程時默認為12位精度。我們采用器件默認的12位轉化。
2.4.2 對于nRF401的編程
由于直接采用的點對點的收發，所以直接利用單片機將收發芯片設置為“收”或“發”模式。對于Standby與RX之間的切換，從待機模式到接收模式，當PWR_UP輸入設成1時，經過近3ms時間后，DOUT腳輸出數據才有效。從待機模式到發射模式，所需穩定的最大時間是也為3ms。Power Up與TX間的切換，從加電到發射模式過程中，為了避免開機時產生干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進入穩定工作狀態。當由上電進入發射模式時，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發送數據。在接收部分，同樣利用單片機的P1口各管腳分別控制NRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個腳即可。
2.4.3 對于呼吸信號處理的編程
將接收到的呼吸信號接入接收部分單片機中，對溫度值進行處理。我們知道，被傳感器采集到的人體溫度大約33℃，但如果利用溫度的高低值來作為是否出現呼吸暫停的依據，這種方法會受周圍溫度的影響，若溫度過高，該系統就會出現誤判的情況。所以我們利用的是提取溫度的變化量，盡管周圍溫度有影響，但由于人體呼吸而導致的呼吸變化總能準確地判斷出來。經過調試，這種思想很好地解決了因周圍溫度變化所帶來的干擾。
2.4.4 對于顯示電路的程序
當溫度在10s或l0s以上還沒出現變化時，將計數器加一，如果存在呼吸暫停，但沒有達到10s，則定時器清零，重新返回程序。
3 結束語
此系統不僅可以實現呼吸暫停的遠距離監測，在監測上還具有很高的穩定性和準確性。我們利用此呼吸暫停監測系統進行實際的檢測，取被測個體12人，其有效率和準確率達到90%，只有在附近環境電磁場強烈干擾時時才會造成。
