一種可刷卡健康手環(huán)的設(shè)計

黃亞輝+葉璐+張旖旎+趙磊+陳月

摘 要：給出了一種低功耗可刷卡健康手環(huán)的設(shè)計方法。該設(shè)計為了實現(xiàn)手環(huán)的多功能化，采用低功耗嵌入式單片機STM32F103為主控制器，并結(jié)合了心率傳感器、Mifare 1 S50卡、GPS模塊、GSM模塊以及電源管理模塊，在其集成以后接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，從而實現(xiàn)不間斷的對人體體征信號的監(jiān)測，并針對可能發(fā)生的意外情況采取報警機制。本設(shè)計內(nèi)置的射頻卡具有刷卡功能和GPS定位功能，這正是此手環(huán)的獨特之處。經(jīng)過大量的實驗驗證，這種手環(huán)能很好地實現(xiàn)其功能，可提高使用者的生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：STM32F103；低功耗；心率監(jiān)測；集成射頻卡

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

現(xiàn)今的智能穿戴設(shè)備是指可直接穿戴或和衣物、鞋帽等合為一體的，并可以通過內(nèi)置軟件和云端數(shù)據(jù)進行交互，同時對使用者產(chǎn)生一定影響的小型電子器件[1]。目前市場上的智能穿戴設(shè)備可謂琳瑯滿目，不論是令人向往的頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備，還是多種多樣的智能手表和手環(huán)，抑或是直接穿在腳上的智能跑鞋，它們都將智能化帶到一個新的高度，為智能化開拓了一個新的領(lǐng)域。

智能化和小巧化是智能設(shè)備的發(fā)展趨勢，對于本文將要介紹的手環(huán)來說，它具備了便攜而不簡單，小巧實用且功耗較低的特點，除了一般手表都具有的時鐘功能，它還能夠監(jiān)測佩戴者的心率，并在適當(dāng)?shù)臅r候給予提醒；另外，考慮到目前一人持有數(shù)張磁卡的不便性，我們將IC卡擴展到該手環(huán)上，讓其成為一種消費方式，不僅方便美觀，也起到了為人們“減負(fù)”的作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由主控制器、IC卡、心率監(jiān)測和GSM部分與GPS部分這幾大結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

手環(huán)內(nèi)的心率傳感器一直在監(jiān)測人體體征，一旦發(fā)生異常，MCU接收到指令，立刻驅(qū)動GPS獲取當(dāng)前地理位置并通過GPRS連接網(wǎng)絡(luò)地圖，把位置信息以短信形式發(fā)送到固定的移動通訊設(shè)備上；另一方面，該手環(huán)系統(tǒng)內(nèi)置S50卡，即采用NXP MF1 IC S50制作的非接觸智能卡，能夠與閱讀器配合進行交易，比如公交地鐵刷卡，電子門票等。

1.1 主控制器

主控制器選用的是基于ARM Cortex-M內(nèi)核的STM32系列。本文所介紹的系統(tǒng)采用了STM32F103，是由TI公司推出的32位微處理器，72 MHz主頻，支持2.0–3.6 V電壓供電，具有睡眠、停機和待機等低功耗模式，在待機情況下電流僅為2 uA左右[2]。同時，它具有豐富的I/O資源和片內(nèi)外設(shè)：多達(dá)51個快速I/O端口均可以映像到外部中斷，且具有多種輸入輸出模式；2個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器及16個外部輸入通道，靈活的7路通用DMA也為該芯片增色不少[3]。

1.2 心率監(jiān)測

1.2.1 檢測原理

傳統(tǒng)的心率測量方法主要有三種：一是從心電信號中提??；二是從測量血壓時壓力傳感器測到的波動來計算；三是光電容積法。前兩種方法提取信號時都會限制使用者的活動，如果長時間使用會增加其生理和心理上的不舒適感。而光電容積法作為監(jiān)護測量中最普遍的方法之一，其具有使用簡單、佩戴方便和可靠性高等特點。

光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行心率測量的[4]。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化，導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵?。由于脈搏是隨心臟的搏動而呈周期變化的信號，動脈血管的容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。

1.2.2 硬件電路

此系統(tǒng)使用了光電式心率傳感器，該傳感器采用了AM2520綠光LED，峰值波長為515 nm；而光接收器為APDS-9008環(huán)境光感受器，感受峰值波長為565 nm；兩者的峰值波長相近，靈敏度較高。此外，由于脈搏信號的頻帶一般在0.05～200 Hz之間，信號幅值小，在毫伏級水平，容易受到干擾。因此，在信號采集之后，還需要通過濾波電路、放大電路來濾除干擾，獲取較為準(zhǔn)確的脈搏信號。電路原理圖如圖2所示。

圖2 心率檢測電路原理圖

1.3 預(yù)警機制的設(shè)計

該系統(tǒng)的通信部分使用的是SIMCOM公司的sim908集成芯片，它是一款集成GPS導(dǎo)航技術(shù)完整的四頻GSM/GPRS芯片，將GPRS和GPS整合在SMT封裝里，為客戶實現(xiàn)內(nèi)嵌GPS的應(yīng)用顯著節(jié)省了開發(fā)時間和費用。整塊芯片的工作電壓為3.2～4.5 V，低功耗，能夠?qū)崿F(xiàn)短信、語音、GPRS數(shù)據(jù)和CSD數(shù)據(jù)的傳輸[5]。

1.3.1 GPS與GPRS介紹

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，以全球24顆人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，是指利用定位衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)實時進行定位的系統(tǒng)，最早由美國國防部研制，具有全方位和高精度的特點，綜合定位的精度可達(dá)厘米級別，目前民用領(lǐng)域則只開放了10米左右的定位精度。

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡稱，是全球移動通信系統(tǒng)（GSM）的延續(xù)和發(fā)展，不同于以往占用整個頻道來傳輸數(shù)據(jù)的方式，GPRS是封包式傳輸，使得信道資源得以共享，提高了資源的利用率[6]。它能同時兼容電容型數(shù)據(jù)和分組交換數(shù)據(jù)，連接因特網(wǎng)。

1.3.2 預(yù)警機制的實現(xiàn)

手環(huán)可使用該系統(tǒng)的通信部分與外界聯(lián)系而實現(xiàn)預(yù)警功能。當(dāng)心率監(jiān)測部分發(fā)現(xiàn)人體脈搏不穩(wěn)定，處于異常狀態(tài)時，就向處理器發(fā)出異常信號；處理器接收到信號之后，驅(qū)動GPS部分獲取當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)；系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分已經(jīng)添加了高德地圖的API，可以把經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地圖上的地點標(biāo)識，給出網(wǎng)址鏈接。由于采用的是集成GPS/GSM的SIM908芯片，手環(huán)就能夠把網(wǎng)址鏈接以短消息的形式發(fā)送到手機上，起到了預(yù)警作用。

1.4 刷卡實現(xiàn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線射頻（RFID）技術(shù)普及已久，它改變了人類的生活方式，對科技發(fā)展造成了長足的影響，目前該項技術(shù)也非常成熟。該系統(tǒng)中的刷卡功能就是采用了RFID技術(shù)，使用的是Philips電子公司生產(chǎn)的Mifare 1 S50，該卡的RFID芯片所具有的獨特的非接觸式接口標(biāo)準(zhǔn)已被制定為國際ISO/IEC 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)[7]。

Mifare 1 S50卡的電氣部分由天線和RFID芯片組成，天線為幾組繞線線圈，封裝到ISO卡片中?？ㄅc讀寫器之間的通訊采用國際通用的DES和RES保密交叉算法，保密性能較高。該卡的工作頻率為13.56 MHz，可在100 mm范圍內(nèi)在同一時間處理多張卡[8]。

手環(huán)的機械結(jié)構(gòu)主要由顯示屏、射頻卡、系統(tǒng)PCBA和手環(huán)底座及表腕組成，其分層示意圖如圖3所示。由于刷卡工作在高頻范圍，這部分的電磁強度比較大，射頻卡和系統(tǒng)PCB之間增加一個隔離層，以便減少電磁干擾。

圖3 手環(huán)機械結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 電源管理

生理信號的特點是信號幅度特別小，往往都是微伏或者毫伏級別，信噪比極其微弱，因此一個小小的干擾都會超過生理信號大小而將其淹沒。而這些干擾包括運動干擾、環(huán)境光干擾、電磁干擾和工頻干擾等。其中，來自電源的工頻干擾是最主要也是最容易讓人忽略的干擾源[9]。

我們平常使用的220 V交流市電并不純凈，里面含有很多噪聲，這些噪聲可以通過電源線竄入心率測量的系統(tǒng)電源，影響傳感器的工作環(huán)境導(dǎo)致輸出不正常。工頻干擾示意如圖4所示。

圖4 工頻干擾示意圖

為解決上述問題，系統(tǒng)采用鋰電池供電，在充電過程中使用電源管理芯片控制整個充電流程，讀取電池電量，實現(xiàn)過低提醒、充滿自動斷電等功能[10]；鋰電池放電電路與濾波電路結(jié)合，使傳感器得到更純凈的電源。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作流程如圖5所示，其中字母“S”表示系統(tǒng)接收到的觸發(fā)信號類型，“S1”、“S2”、“S3”、“S4”分別代指電磁波信號、體征信號、GPS觸發(fā)信號和GSM觸發(fā)信號。

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，如果有與手環(huán)內(nèi)置S50卡相對應(yīng)的閱讀器發(fā)出電磁波信號，該IC卡便能感應(yīng)到而且與之相匹配，完成讀卡或?qū)懣ǖ炔僮?。與此同時，系統(tǒng)也一直在監(jiān)測人體的心率特征，當(dāng)心率處于正常范圍時，便顯示在手環(huán)的LED屏幕上；當(dāng)人體發(fā)生異常，心率不齊時，便發(fā)出信號觸發(fā)GPS模塊獲取使用者當(dāng)前的位置；GPS一旦被觸發(fā)并且完成獲取地理位置的操作后，它便告知控制器觸發(fā)GSM模塊開始工作，即將此刻的位置信息以短消息的形式發(fā)送到預(yù)先設(shè)定好的通訊設(shè)備上。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

3 系統(tǒng)實際工作情況

3.1 功耗測試

在實際工作情況下，采用5 V電壓供電。其功耗情況如表1所示。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，在一個工作周期中，系統(tǒng)工作狀態(tài)的最大功率為0.75 W，而處于休眠狀態(tài)時只有0.10 W。因此，手環(huán)的整體功耗較低。

3.2 心率數(shù)據(jù)

為了測試該手環(huán)所具備的心率監(jiān)測功能的準(zhǔn)確性，對測試者同時用聽診器和本文所設(shè)計的手環(huán)對脈搏進行計數(shù)，得到如表2所列的心率數(shù)據(jù)。

在實際測量時，人工使用聽診器的測量數(shù)值與手環(huán)自動測量的數(shù)值相比，有一定的誤差，平均誤差值為1.8，在允許范圍之內(nèi)。這種誤差可能也是由于人工測量時的起始時間和終止時間把握不準(zhǔn)導(dǎo)致的。

3.3 定位測試

用信號發(fā)生器給心率監(jiān)測部分提供一個頻率為100 Hz以上的信號，讓手環(huán)采取預(yù)警機制，進行定位和短信發(fā)送。測試結(jié)果如圖6所示。

（a）手機端接收到的短信 （b）鏈接內(nèi)容

圖6 手機端接收到的短信及打開鏈接后的內(nèi)容

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計的手環(huán)不但實現(xiàn)了對人體體征信號——心率的監(jiān)測，能夠針對特殊情況采取預(yù)警機制，防止意外的發(fā)生；還結(jié)合了射頻刷卡功能，小巧實用，此外，系統(tǒng)設(shè)計整體無外部指令輸入，使用方便；數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確度較高，應(yīng)用性廣泛；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較精簡，便于維護。

該手環(huán)適合于家庭中的嬰幼兒及老年人使用，讓家人隨時隨地了解他們的安全狀況；也適合用于醫(yī)院，構(gòu)建一個關(guān)護和消費系統(tǒng)，為患者提供自動化和人性化的服務(wù)。

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