CN102928482A

CN102928482A - 一种节能型蓝牙便携式***血糖仪

Info

Publication number: CN102928482A
Application number: CN2012103907505A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: JIANGSU XUEFU MEDICAL TECHNOLOGY Co Ltd; Jiangsu University
Current assignee: JIANGSU XUEFU MEDICAL TECHNOLOGY Co Ltd; Jiangsu University
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明“一种节能型蓝牙便携式***血糖仪”，其技术领域属于蓝牙模块与智能手机等终端设备无线连接的节能型便携式血糖医疗测量仪器。在保证自主研发便携式系列血糖仪具有携带方便、使用简洁，测量算法精确等特点的基础上设计出体积更小、更节能的便携式血糖仪。在血糖仪的集成电路板中添加蓝牙模块，使其能与智能手机、电脑等终端设备实现无线连接，借助终端设备的显示屏进行数据显示和测量控制。实现蓝牙模块的低功耗设计，从而进一步提高血糖仪的便携性和电池的使用寿命。

Description

一种节能型蓝牙便携式***血糖仪

技术领域

医疗测量仪器→蓝牙模块与智能手机等终端设备无线连接的节能型便携式血糖医疗测量仪器。

背景技术

根据2010年的调查，我国目前有糖尿病患者9200万人，糖尿病前期患者1.48亿人，糖尿病成为严重影响我国公共卫生的主要问题之一。而在血糖监测领域，我国仅有1.5％的糖尿病患者有自己的血糖监测仪，而欧美国家90％以上的糖尿病患者都有自己的便携式血糖监测仪。目前我国血糖仪产品市场主要由美国强生、德国罗氏等国外品牌所占领，国产品牌仅仅占有不到10%的市场份额。我国便携式血糖仪的测量方法一般可分为三种：(1)化学比色法；(2)葡萄糖氧化酶电极测量法；(3)葡萄糖脱氢酶电极测量法。目前市面上的主流机型大多为葡萄糖氧化酶电极测量法。

现有的国产便携式血糖仪通常采用USB数据线与电脑或手机等设备有线连接来传输血糖测量值，其便携程度不高。虽然很多国内品牌血糖仪生产商也考虑过借助蓝牙等无线方式进行数据传输，但其耗电量很高，一般的5号、7号电池或者体积更小的纽扣电池能维持的使用寿命很短。因此，蓝牙式血糖仪在市场上并没有实际的应用。如何合理控制蓝牙的电源管理模式切换，实现蓝牙设备的低功耗设计，成为一个不可忽视的问题。文献[1]中提到蓝牙标准协议中有三种节能模式：保持模式、呼吸模式、休眠模式，但对于便携式血糖仪应该采用何种模式，还需要进一步探究。选择合理的电源管理方式可以让蓝牙设备在恰当的时间进入或退出节能模式，实现设备的低功耗设计，从而使蓝牙便携式应用更具有可行性。

文献[2]中提到了一种新的蓝牙标准，即蓝牙技术联盟于2010年正式推出的具有低耗能、高速度特点的蓝牙4.0技术。蓝牙4.0最重要的特性是省电科技，极低的运行和待机功耗可以使一粒纽扣电池连续工作数年之久。文献[3]中也提到利用嵌入式单片机对蓝牙模块进行开发，可以建立蓝牙模块与蓝牙手机之间的通信，实现蓝牙手机对嵌入式单片机和蓝牙模块的***控制。将此设计方法融入蓝牙便携式血糖仪的开发中，使蓝牙模块与智能手机等手持终端设备进行血糖测量值的高速、便携传输成为可能。

对比文件

[1] 蓝牙设备的电源管理及其低功耗设计刘国巍《电子技术》 2006.11

[2] 基于蓝牙的数据互联传输***设计苏征远、易燕等《现代电子技术》 2012.2

[3] 蓝牙模块串口通信的设计与实现张群、杨絮等《实验室研究与探索》 2012.3

发明内容

1、要解决的技术问题（即原“发明目的”）

为了更好的掌控糖尿病人的病情，需要将近期测得的血糖值上传到手机或电脑等终端设备中，通过糖尿病检测专用程序显示并存储起来，便于进一步对血糖值进行分析和比对。现有的国产便携式血糖仪通常采用USB数据线与电脑或手机等设备有线连接进行数据传输，因而其便携程度不高。虽然很多国内品牌血糖仪生产商也考虑过利用蓝牙等无线方式进行测量数据的传输，但其耗电量很高，一般的5号、7号电池或者体积更小的纽扣电池能维持的使用时间很短。所以，蓝牙式血糖仪在市场上并没有实际的应用。

本发明就是在常规国产血糖仪的基础上，设计出体积更小、更节能的便携式血糖仪。为此，本次发明在血糖仪的外观和内部结构上做了一系列优化设计。首先，去掉血糖检测仪上常有的血糖值显示屏和常用的多项功能按键，只留下一个电源开关按钮，这样就达到了最初步的节能目的并减小了血糖仪设备的体积和成本。其次，利用新推出的具有低耗能、高速度特点的蓝牙4.0标准，在血糖仪的集成电路板中添加蓝牙模块，使其能与智能手机、电脑等终端设备实现无线连接，借助终端设备的显示屏进行数据显示和测量控制。实现蓝牙模块的低功耗设计，从而进一步提高血糖仪的便携性和电池的使用寿命。

2、技术方案（方法发明）

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

在常规国产血糖仪的基础上，设计出体积更小、更节能的便携式血糖仪。为此，本次发明在血糖仪的外观和内部结构上做了一系列优化设计。首先，去掉血糖检测仪上常有的血糖值显示屏和常用的多项功能按键，只留下一个电源开关按钮，这样就达到了最初步的节能和缩小设备体积的目的。其次，利用蓝牙技术联盟于2010年新推出的具有低耗能、高速度特点的蓝牙4.0标准，在血糖仪的集成电路板中添加蓝牙模块，通过嵌入式MCS-51系列单片机对蓝牙模块进行开发，建立蓝牙模块与终端设备之间的配对连接，实现智能手机等终端设备对单片机和蓝牙模块的***控制，借助终端设备的的显示屏进行数据显示和测量控制。此外，在嵌入式单片机上编写并下载电源管理模式切换的相关程序，实现蓝牙模块的低功耗设计，从而进一步提高血糖仪的便携性和电池的使用寿命。

本发明的具体实现分为三大部分：血糖仪***结构优化设计；蓝牙模块的模式选择和设计；电源管理模块设计。

1）血糖仪***结构优化设计

首先，血糖仪***设计如图1所示：由主控制器模块、测试模块、Flash存储器、蓝牙模块组成。去除常规血糖仪的显示屏和多项功能按键，只留下一个电源开关按钮，借助智能手机等终端设备显示和保存血糖检测值。这样就省去了血糖仪上显示模块和按键对电量的消耗，从而达到最初步的节能目的，并且使得血糖仪的体积更加小巧，成本降低。保证血糖仪设备运行和待机时的低功耗性及高速数据传输。

***的硬件选择

如附图1所示。主控制器采用MCS-51系列单片机中的F51330单片机。蓝牙模块采用CSR公司的CSR8510芯片，提供对最新蓝牙标准V4.0版本的支持，兼容蓝牙V3.0标准，CSR8510在原CSR7000的架构上增加了蓝牙低功耗射频部分。

***的软件设计

***的软件架构共分为两部分：(1) 客户端软件模块；（2）主控制器软件控制模块。

(1) 客户端软件模块

客户端软件模块应用在智能手机等设备上。采用完全面向对象设计，图形化人机交互界面。通过调用Qt库（图形用户界面库）实现各种按钮的消息捕获、处理，完成蓝牙连接及数据传输***中所有功能窗口的创建、销毁以及管理，当出现软件有错误发生时，向用户返回友好的错误提示。同时，在进行数据传输的时候，可以实时显示当前数据传输的状态信息。

（2）主控制器软件控制模块

该模块软件主要分为三部分：软件适配层（Adapter Layer）模块设计：主要负责与GUI（图形用户界面）交换数据信息，响应用户在智能手机屏幕界面上的操作，控制下层模块进行实际的执行。设备源管理（Source Control）模块设计：主要负责发现和连接其他终端设备并与其他的蓝牙设备进行信息交换。核心模块（Core Module）设计：主要负责蓝牙设备原始数据的缓存，并保证实现蓝牙数据的实时通信。

2）蓝牙模块的设计：

蓝牙模式的选择

蓝牙2.1版本＋EDR和蓝牙3.0版＋HS通常称作“传统蓝牙技术”，蓝牙4.0是蓝牙3.0+HS规范的补充，专门面向对成本和功耗都有较高要求的无线方案，被称为“蓝牙低耗能技术”。超低功耗无线技术是蓝牙4.0技术的标志性特征。以下是几种蓝牙标准的主要特征和区别：

蓝牙3.0根据802.11适配层协议应用了Wi-Fi技术，极大提高了传输速度。这样，蓝牙3.0设备将能通过Wi-Fi连接到其它设备进行数据传输。它的核心是"Generic Alternate MAC/PHY"(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。通过集成"802.11 PAL"，蓝牙3.0的数据传输率提高到了大约24Mbps，是蓝牙2.0的八倍。而蓝牙4.0 为蓝牙3.0的升级标准，是蓝牙3.0+HS规范的补充。蓝牙4.0相比蓝牙3.0最重要的特性是省电技术，极低的运行和待机功耗可以使一粒纽扣电池连续工作数年之久。此外，低成本和跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、100米以上超长距离、AES-128加密也是蓝牙4.0的特性。

此次设计选择拥有极低的运行和待机功耗的蓝牙4.0标准作为蓝牙模块的标准协议。蓝牙4.0支持两种部署方式：双模式和单模式。双模式中，低功耗蓝牙功能集成在现有的经典蓝牙控制器中，或在现有经典蓝牙技术芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，成本增加有限；单模式面向高度集成、紧凑的设备，使用一个轻量级连接层提供超低功耗的待机模式操作、简单设备恢复和可靠的点对多点数据传输。

虽然单模式芯片是超低耗能蓝牙芯片，但它只可以与其他的单模式芯片和双模式芯片通信与传统的蓝牙技术不能实现互相通信。而双模式芯片能够与传统的蓝牙技术和采用普通蓝牙结构的其他双模式芯片进行通信。在兼容性上，双模式芯片能够完全向下兼容。考虑到现实生活中人们所使用的蓝牙设备并没有广泛采用蓝牙4.0标准，绝大多数仍然采用传统蓝牙技术，为了使绝大部分终端设备能够与本次设计的便携式血糖仪连接，在兼容性和低能耗两者之间折中，选择双模式芯片作为本次设计的低能耗蓝牙模块。嵌入式单片机通过主机控制器接口对蓝牙模块进行开发，以实现特定功能。结构示意图如附图2 所示。

3）电源管理模块的模式选择：

蓝牙标准中规定了在连接状态下蓝牙模块有保持模式、呼吸模式和休眠模式三种电源节能模式，再加上正常的活动模式，一个使用电源管理的蓝牙设备可以处于这四种状态并进行切换。按照电能损耗由高到低排列顺序依次为活动模式、呼吸模式、保持模式、休眠模式。其中，休眠模式节能效率最高。

活动模式是设备连接时正常的工作状态，处于活动模式的蓝牙设备使用所有可用的时隙积极参与通信，数据吞吐量最高，因而电源损耗也最大；呼吸模式时，主设备只在特定的时隙即呼吸时隙发送数据；保持模式通过内部定时器实现定时跳出以立即传输数据，一旦连接处于保持模式，此连接就不再支持数据包传输；休眠模式下既不发送、接收数据，也不能维护已经建立的链路，只保持与信道的同步来减少非活动期间的功率损耗。因此，休眠模式具有较低的占空比系数，节能效率也最高。对于具有突发型的通信方式适合使用休眠模式，在不使用无线链路的时间里，从设备被置于休眠状态，只要设置恰当的信标间隔。从设备可以在用户需要发送数据时迅速退出休眠模式来请求发送，从而使终端设备不仅具有较高的节能效率，同时还能实现应用程序的快速响应。

由于血糖仪测量数据的传输速率V一般在500bit/s~1000bit/s范围内,传输数据量不大且速率较低。综合考虑各种因素，选择蓝牙模块的待机模式为休眠模式。附图3为血糖仪测血糖全过程中蓝牙模块的电源模式切换示意图。当终端设备搜索并请求与蓝牙模块建立连接时，MCS-51系列单片机中的电源管理程序向蓝牙模块发送指令，控制蓝牙模块从休眠模式切换到活动模式。蓝牙配对成功后，等待测试模块启动，此时，蓝牙模块重新进入休眠状态。成功获得测量值后，单片机再次控制蓝牙模块进入活动模式，进行血糖值的传输。数据传输结束后，蓝牙模块又回到休眠模式。这样，利用单片机上的电源管理程序，灵活切换蓝牙模块中的电源模式。既保证了数据的实时传输，也使得电源的能耗降到最低。

3、有益效果

本发明可利用现有的便携式血糖仪，在其基础上进行改进和创新。利用智能手机、电脑等终端设备与便携式血糖仪的蓝牙通信功能，借助这些手持智能终端设备的显示屏和存储卡，控制血糖仪的测试、数据传输、数据显示和保存，从而省去血糖仪自身的显示和功能按键部分，更加缩小了血糖仪的尺寸，使血糖仪正常运行时功耗更低。采用最新的蓝牙4.0标准，设计出一种以蓝牙无线传输方式完成血糖仪与智能手机等终端设备间的数据传输的高便携性、低功耗的血糖检测仪。此外，通过在MCS-51单片机中编写电源控制管理程序，更加灵活的切换蓝牙模块的电源管理模式，提高血糖仪中电池的使用寿命。这样不仅能降低成本，增强对消费者的吸引力，而且使血糖仪的便携式应用更具有可行性，满足消费者对市场的需求。

附图及附表说明

图1节能型蓝牙便携式血糖仪***结构图。

图2单片机控制双模式蓝牙芯片示意图。

图3血糖检测时蓝牙电源模式切换示意图。

图4节能型蓝牙便携式血糖仪***的工作流程图。

具体实施方式

***分为三大部分：血糖仪***结构优化设计；蓝牙模块的模式选择和设计；电源管理模块设计。

1）血糖仪***结构优化设计

血糖仪***设计如附图1：由主控制器模块、测试模块、Flash存储器、蓝牙模块组成。

***的硬件选择

主控制器采用MCS-51系列单片机中的F51330单片机。蓝牙模块采用CSR公司的CSR8510芯片，提供对最新蓝牙标准V4.0版本的支持。

***的软件设计

***的软件架构共分为两部分：(1) 客户端软件模块（智能手机等设备）；（2）主控制器软件控制模块。

（1）客户端软件模块

采用Andriod***平台编程实现GUI（图形用户界面）设计。采用完全面向对象设计，图形化人机交互界面。调用Qt库（图形用户界面库）实现各种按钮的消息捕获、处理，完成蓝牙连接及数据传输***中所有功能窗口的创建、销毁以及管理，当出现软件有错误发生时，向用户返回友好的错误提示。同时，在进行数据传输的时候，可以实时显示当前数据传输的状态信息。

（2）主控制器软件控制模块

在F51330单片机中采用C语言编程实现。主要有：软件适配层（Adapter Layer）模块设计：主要负责向GUI模块提供底层无关的数据传输API接口，与GUI交换数据信息，以及响应用户在GUI上的操作，控制下层模块进行实际的执行。源代码管理（Source Control）模块设计：主要负责发现和连接其他终端设备，在单片机中编写程序控制蓝牙传输状态的切换及电源模式管理。在该模块中规定血糖仪在待机模式下采用休眠模式，当建立蓝牙配对及有数据传输需要时，处于休眠状态的蓝牙设备能够很快跳出休眠模式（Park），切换到活动模式（Active）并进行数据传输，蓝牙模块电源模式切换示意图如附图3所示。蓝牙模块和主控制器之间通过指令分组和数据分组进行通信，蓝牙模块在每执行完1 个指令分组，主机控制器都会返回1 个事件分组，向蓝牙模块说明指令的执行情况和主控制器低层硬件的信息。核心模块（Core Module）设计：主要负责蓝牙设备原始数据的缓存，以及调用蓝牙芯片进行加密数据的编解码，并保证实现蓝牙数据的实时通信。

现在以智能手机为例，说明血糖仪整体的测试和数据传输过程。附图4为节能型蓝牙便携式血糖仪***的工作流程图。首先，打开血糖仪电源开关，此时蓝牙模块默认状态为休眠模式。同时打开智能手机中内嵌的血糖测试软件并搜索外部蓝牙设备，找到特定用户（血糖仪）后点击“连接”按钮，请求与用户所持血糖仪建立连接。此时蓝牙模块收到配对请求，通过UART串口发送指令“00”给主控制器，C51单片机中的电源管理程序返回指令“01”，使蓝牙模块跳出休眠模式并进入活动模式建立蓝牙的配对连接，此时，智能手机的屏幕显示“配对成功”，并提示“开始测量血糖”。同时，蓝牙模块发送指令“11”给主控制器，说明已启动蓝牙连接，等待测量血糖。主控制器立即发送返回指令“10”，使蓝牙模块进入休眠状态，等待测试模块启动。此时，用户就可以进行正常的血糖值检测了。用户使用试纸检测血糖，通过测量血液中的葡萄糖与试纸中的葡萄糖氧化酶反应产生实时反应电流i₁，通过便携式血糖仪电流传感器获得该反应电流i₂，并通过嵌入式***中的电压放大器电路获得实时放大电压值v₁，经过嵌入式单片机的模数转换和函数转换获得血糖测量值v，将测量值暂存在血糖仪上的Flash缓存中，此时，电源管理程序再次发送“01”指令，命令蓝牙模块进入正常工作的活动模式，进行血糖测量值的传输。数据传输完成后，蓝牙模块发从指令“11”提示发送已完成，主控制器即返回指令“10”，命令蓝牙模块再次进入休眠状态，等待下一次的血糖测试。若不需要测量血糖值，点击智能手机屏上的提示“断开连接”，然后关闭血糖仪电源开关。附图3为血糖仪测血糖全过程中蓝牙模块的电源模式切换示意图。

Claims

1.去掉血糖检测仪上常有的血糖值显示屏和常用的多项功能按键，只留下一个电源开关按钮，这样就达到了节能目的减小了血糖仪设备的体积和成本。

2.用新推出的具有低耗能、高速度特点的蓝牙4.0标准，在血糖仪的集成电路板中添加蓝牙模块，使其能与智能手机、电脑等终端设备实现无线连接，借助终端设备的显示屏进行数据显示和测量控制。