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穿戴式猪用心电监测系统设计(2)

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2.2　心电监测节点软件设计

为使系统能够分辨出每一头猪的心电信号,对于心电节点数据在CC2430上进行编码处理,编码信息含猪的身份识别号和心电数据。

穿戴式猪用心电监测系统采用ZigBee协议。在ZigBee网络协议中定义的逻辑设备类型分别是协调器、路由器、终端设备。本文定义穿戴式心电监测节点为终端设备,其数据采样率为512 s-1。心电节点将心电数据发送给网关节点。网关节点将收到的心电数据通过以太网传输到心电数据中心。心电数据代表的含义分别是:猪身份ID号是猪的身份识别码,心电数据是BMD101采集到的心电数据。

3　猪心电信号滤波

3.1　猪心电信号噪声的来源及特点

猪心电信号中噪声主要包含3种噪声:工频干扰、肌电干扰和基线漂移。

工频干扰是由于猪身体分布式电容的存在,使得猪身体具有天线效应,以及来自用电设备的噪声。工频干扰频率一般为50 Hz。

肌电干扰是由于猪自身的抖动所带来的噪声。可将其看成瞬间产生的带限噪声,并且均值为0。其主要能量集中在30～300 Hz范围内。

基线漂移一般是由于猪呼吸等低频干扰所产生的噪声。可以将基线漂移看成是加在猪心电信号上,同猪呼吸频率一致的正弦信号。基线飘移噪声频率一般在5 Hz以下。

3.2　基于Mallat多尺度空间下的猪心电信号的滤波算法

3.2.1　多尺度空间分解的基础　从心电噪声的特点可以看出,在对心电信号进行滤波时需要有自适应性。小波算法在对心电信号滤波时,具有自适应性[11],适合于猪心电噪声的滤波处理。连续小波变换函数式如式(2)所示:

图5　一维离散信号的多尺度分解与重构Fig.5　Multi scale decomposition and reconstruction of one-dimensional discrete signal

尺度空间Vj和尺度空间Vj-1作差后,可以得到小波空间Wj。其可以反映原信号在不同尺度空间投影分量上的细节差别。对于任意信号x(t)∈L2(R)空间,在空间V0上的投影是S,对于x(t)在V1和W1上的投影设为A1与D1,而在V2和W2上投影为A2与D2,可根据小波空间性质将信号S逐级分解,因此能够分析出不同分辨率下的低频概貌与高频细节,从而能够自适应地滤除掉猪心电信号中的噪声信号。一维离散信号的多尺度分解与重构见图5。

设φ(t)∈V0是尺度空间V0的标准正交基,ψ(t)∈W0是小波空间V0的标准正交基,因为V-1=V0⊕W0,所以φ(t)和ψ(t)都属于V-1,说明φ(t)和ψ(t)都可以通过V-1的正交基表示出来,即:

将以上关系推广到任意的2个相邻尺度Vj与Vj-1或Wj与Wj-1。将空间Vj-1看成分解为Vj和Wj的空间,那么h0(k)与h1(k)则是从Vj-1空间的基得到其分解子空间Vj与Wj的基。因此,将h0(k)和h1(k)称为分解滤波器组,h0(k)是用于分解出的尺度空间,所以可以认为h0(k)是低通滤波器系数,h1(k)用于分解出小波空间,因此称为高通滤波器系数。

3.2.2　基于Mallat快速分解与重构算法　由尺度空间j-1的尺度分解系数cj-1,k分别与低通滤波器h0(k)、高通滤波器h1(k)求加权和得到尺度空间j的尺度分解系数cj,k以及小波分解系数dj,k,将其称为Mallat算法。根据分解滤波器组h0(k)和h1(k),可以得到信号在正交小波基下的快速分解与重构Mallat算法,分解公式如下:

由式(6)和式(7)可以看出,Mallat分解适合计算机迭代,非常适合用来心电信号的滤波处理。Vj-1=Vj⊕Wj可以得到重构公式如式(8)所示:

Mallat分解过程如图6所示,重构过程如图7所示。

图6　Mallat算法分解过程Fig.6　Mallat algorithm decomposition process

图7　Mallat算法重构过程Fig.7　Mallat algorithm reconstruction process

4　系统试验

在江苏农博园小梅山猪国家级育种中心(南京农业大学教学科研基地,江苏农林职业技术学院猪场)进行系统试验,选用4头小梅山猪为试验对象。

4.1　穿戴式猪用心电监测节点佩戴方案

穿戴式方案采用松紧带来固定心电节点,为防止节点晃动松紧带要足够紧,但松紧带也不能太紧,否则会使猪感到不适,产生应激行为。在实验场地实际测得成年小梅山猪的颈部周长为1 m左右,松紧带采用带粘扣的松紧带固定,穿戴式心电监测节点松紧带可以灵活地根据猪颈部的实际周长,来将粘扣带刺面和粘扣带毛面粘扣在一起。松紧带制作规格如图8[12]所示,松紧带的最两边分别是粘扣带刺面和粘扣带毛面。由于中间8 cm用来放置心电监测节点传感器,考虑到猪场的环境,所以中间8 cm部分做防水处理。

1.粘扣带刺面Velcro thorn surface;2.黑色松紧带Black elastic;3.宽松紧带Loose elastic;4.粘扣带毛面Velcro hair surface图8　松紧带制作规格Fig.8　Chart of elastic

文章来源：《临床心电学杂志》网址: http://www.lcxdxzz.cn/qikandaodu/2021/0430/918.html