一種基于反射式光電傳感器的智能心率腕表

趙志勇等

摘 要：老年人的身體健康問(wèn)題已受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，面臨突發(fā)疾病，無(wú)法及時(shí)就醫(yī)，在很大程度上提高了老年疾病的致死率。本文通過(guò)對(duì)發(fā)射式光電傳感器的研究，提出了一種用于監(jiān)測(cè)心率的智能腕表，可應(yīng)用于突發(fā)老年疾病的監(jiān)測(cè)與報(bào)警，文章將就該產(chǎn)品的系統(tǒng)框架、主要模塊原理、應(yīng)用價(jià)值等方面做詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：反射式光電傳感器；心率監(jiān)測(cè)；脈搏；老年人；藍(lán)牙；腕表

1 引言

近年來(lái)心腦血管疾病極大的影響了老年人的健康，因此心腦血管疾病的預(yù)防和治療成為了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大課題，心腦血管發(fā)病急，致命性強(qiáng)，但發(fā)病時(shí)如果能及時(shí)進(jìn)行救治會(huì)大大減輕其危害，針對(duì)此特點(diǎn)市場(chǎng)上出現(xiàn)了一批用于檢測(cè)心率的儀器設(shè)備，但由于其心率采集方式多為擠壓式而不能長(zhǎng)時(shí)間使用。在此我們提出了這種基于反射式光電傳感器的智能心率監(jiān)測(cè)腕表，可長(zhǎng)時(shí)間佩戴不影響老人的正?；顒?dòng)。另外最近社會(huì)上在老人摔倒后出現(xiàn)了扶與不扶的問(wèn)題，就此我們?cè)谕蟊碇屑尤胱詣?dòng)錄音模塊，此功能可為發(fā)生意外是責(zé)任人的認(rèn)定提供一定依據(jù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體框架

本智能心率監(jiān)測(cè)腕表由數(shù)據(jù)采集終端和核心數(shù)據(jù)處理器組成。數(shù)據(jù)采集終端采用腕表形式將最新科技的反射式光電感應(yīng)心率感應(yīng)傳感器、藍(lán)牙發(fā)送模塊封裝于其內(nèi)。通過(guò)心率感應(yīng)傳感器采集人體心率數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙將采集的心率數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器的藍(lán)牙將接收的數(shù)據(jù)傳送到處理器STM32f103中，STM32f103進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，當(dāng)心率實(shí)測(cè)值≥最高警戒值或心率實(shí)測(cè)值<最低警戒值時(shí)，STM32f103將控制GSM模塊向監(jiān)護(hù)人的手機(jī)撥打報(bào)警電話，并啟動(dòng)GPS定位系統(tǒng)，然后將定位信息以短消息的形式發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機(jī)，以便監(jiān)護(hù)人能及時(shí)了解心臟病突發(fā)病人的具體信息，在第一時(shí)間進(jìn)行救治，另外，在腕表側(cè)面裝有SOS鍵，在緊急時(shí)刻可以進(jìn)行一鍵報(bào)警，內(nèi)部裝有自動(dòng)錄音裝置，在發(fā)生意外時(shí)進(jìn)行自動(dòng)錄音，為責(zé)任方的確認(rèn)提供事實(shí)依據(jù)。系統(tǒng)總體框圖如圖1-1

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 心率測(cè)量

3.1.1 測(cè)量原理

利用波長(zhǎng)為960nm的光束照射皮膚表面，光束將通過(guò)反射的方式傳送到光電接收器。在此過(guò)程中由于受到皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測(cè)器監(jiān)測(cè)到的光強(qiáng)度將減弱，其中皮膚、肌肉、組織等對(duì)光的吸收再整個(gè)血液循環(huán)中是保持恒定不變的，而皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈現(xiàn)搏動(dòng)性變化，當(dāng)心臟收縮時(shí)外周血容量最多，光吸收量也最大，檢測(cè)到的光強(qiáng)最少，當(dāng)心臟舒張時(shí)，正好相反，檢測(cè)到光強(qiáng)最大，是光接收器檢測(cè)到的光強(qiáng)度隨之成脈動(dòng)性變化，將此光強(qiáng)度變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)便可獲得脈搏的相關(guān)信息。

3.1.2 反射式光電傳感器

反射式光電傳感器與皮膚接觸時(shí)紅外發(fā)光管發(fā)出波長(zhǎng)為960nm的紅外光經(jīng)反射后進(jìn)入紅外接收管此時(shí)光強(qiáng)已減弱，并此時(shí)光強(qiáng)信號(hào)呈脈動(dòng)性變化，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使其輸出電流發(fā)生同樣規(guī)律的改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率信號(hào)的提取。傳感器及外圍電路框圖如圖1-2。

紅外發(fā)射電路為紅外發(fā)光管提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電流使其發(fā)出960nm的紅外光.紅外檢測(cè)電路為光敏管設(shè)置一合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。由于傳感器的輸出阻抗較大，且輸出電流很小，若直接進(jìn)行放大則信號(hào)的損失過(guò)大，因此通過(guò)阻抗變換電路對(duì)傳感器的輸出電阻進(jìn)行變換，以使放大電路獲得較高的增益。

3.1.3 信號(hào)處理電路

由傳感器提取出的脈搏信號(hào)極其微弱很小，并且含有較高頻率的干擾信號(hào)，為從中獲取有效信號(hào)需對(duì)此信號(hào)進(jìn)行一系列的處理.信號(hào)處理電路框圖如圖1-3

由于脈搏的頻率很低，而干擾信號(hào)又具有較高的頻率，因此采用二階低通濾波電路對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波。傳感器輸出的信號(hào)非常小，采用多級(jí)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)如果直接利用遲滯比較器進(jìn)行整形將引人新的干擾，為此在遲滯比較器前設(shè)計(jì)了積分電路保證最終獲得可靠的心率信號(hào)。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)算處理單元電路

信號(hào)運(yùn)算處理單元電路由STM32f103、藍(lán)牙模塊、GPS模塊、GSM模塊、錄音模塊、聲光器件構(gòu)成，STM32負(fù)責(zé)對(duì)提取出的脈搏信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果控制其它模塊進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)、報(bào)警、定位、錄音等功能。

4 結(jié)論

本文所提出的智能心率監(jiān)測(cè)腕表解決了傳統(tǒng)擠壓式心率監(jiān)測(cè)儀器不便攜帶的缺陷，可進(jìn)行廣時(shí)間區(qū)間的心率監(jiān)測(cè)。其攜帶的由聲光報(bào)警、一鍵SOS與GSM求救短信發(fā)送功能所組成的緊急情況自救系統(tǒng)，能夠在很大程度上提高中老年人在突發(fā)疾病情況下的存活率，具有明顯的實(shí)用價(jià)值。隨著單孩家庭的普遍，老齡化社會(huì)的趨近，該產(chǎn)品的社會(huì)意義也將日益體現(xiàn)，得到廣泛應(yīng)用。

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