低功耗可穿戴檢測系統(tǒng)設(shè)計

方 瑤， 劉和劍

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

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低功耗可穿戴檢測系統(tǒng)設(shè)計

方 瑤， 劉和劍

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

設(shè)計了便攜健康監(jiān)測系統(tǒng)，采用單片機及外圍電路設(shè)計，方便攜帶，完成心率情況的監(jiān)測并保存數(shù)據(jù)。醫(yī)護人員及家屬可以直接查看產(chǎn)品保存的有關(guān)所測的心率等各項信息，通過此產(chǎn)品既能隨時對身體健康狀況進行監(jiān)測，也能夠?qū)ζ溥M行長期地動態(tài)監(jiān)測，得到完整的各方面的關(guān)于臨床診斷的數(shù)據(jù)。

低功耗；可穿戴檢測系統(tǒng)；設(shè)計

1　系統(tǒng)功能需求及技術(shù)指標

(1)精確判斷使用者的心率；

(2)能將獲取到的心率顯示出來；

(3)將心率儲存到非易失鐵電中，并在下次使用時顯示；

(4)當心率異常的時候報警提示。

2　微處理器模塊設(shè)計

CC2541 是一款針對低能耗以及 2.4GHz 應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng) (SoC) 解決方案。 它使得使用低總體物料清單成本建立強健網(wǎng)絡(luò)節(jié)點成為可能。 CC2541 將領(lǐng)先 RF 收發(fā)器的出色性能和一個業(yè)界標準的增強型 8051 MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲器、8kb RAM 和很多其它功能強大的特性和外設(shè)組合在一起。 CC2541 非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。 這由多種不同的運行模式指定。 運行模式間較短的轉(zhuǎn)換時間進一步使低能耗變?yōu)榭赡埽?.4GHz符合低能耗規(guī)范和私有的 RF 片載系統(tǒng), 支持 250kbit/s、500kbit/s、1Mbit/s，2Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率。核心原理如圖1所示。

圖1　CC2541片載系統(tǒng)電路原理

3　心率監(jiān)測模塊設(shè)計

心率的含義是人在1 min內(nèi)心臟跳動的有效次數(shù)。人的身體健康狀態(tài)取決于人心臟跳動的是否規(guī)律。心率對人身體的健康影響很大，數(shù)據(jù)表明：同是處在安靜狀態(tài)下，心率偏快的人收縮壓和舒張壓都高于心率正常的人，如果長時間心率加快會促使人患上心血管疾病，最嚴重時可能會導(dǎo)致人死亡。所以在這種前提下，對心率進行實時監(jiān)控是很有必要的。

該設(shè)計具有使用光電容積法的心率傳感模塊，光電容積法主要是利用人體組織不同的透光率來對脈搏進行測量。傳感器的使用可分為兩部分：光源和光電轉(zhuǎn)換器，它們是通過不同的方法固定在患者的手指或耳垂上的。光源選用的發(fā)光二極管對動脈血中氧和血紅蛋白具有可以選擇的波長反應(yīng)。光束透過人體的動脈血管的時候，動脈搏動充血容積改變了，導(dǎo)致光的透光率也發(fā)生了改變，這時反射的光線被光電轉(zhuǎn)換器說接收，緊接著將其變?yōu)殡娦盘柡蠓糯筝敵?。由于脈搏和血管容積都是周期性變化的，所以可以得出結(jié)論：脈搏率可以看做是光電轉(zhuǎn)換器的電信號變化周期。研究表明，最適合提取脈搏信號的波是560nm 的波，它能將皮膚淺部微動脈的信息直接地顯示出來。此傳感器使用的綠光 LED的峰值波長為 515nm，是一款靈敏度高的環(huán)境光感受器，它具有565nm的感受峰值波長，峰值波長都很相似。除此之外，由于脈搏信號的頻帶、信號幅度均很小，所以抗干擾能力低。由于較低的抗干擾能力需要在感受器后面使用低通濾波器和放大器，用來放大信號。與此同時，需要把直流偏置電壓設(shè)置成電源電壓的一半，這樣單片機的AD就可以更容易收集到放大后的信號。其原理如圖2所示。

圖2心率監(jiān)測模塊電路原理

4　心率傳感器和心率的計算

心率傳感器在軟件上進行了心電信號預(yù)處理和基本特征點檢測的研究。由于脈搏信號的頻帶、信號幅度均很小，所以抗干擾能力低。由于較低的抗干擾能力需要在感受器后面使用低通濾波器和放大器，用來放大信號。與此同時，需要把直流偏置電壓設(shè)置成電源電壓的一半，這樣單片機的AD就可以更容易收集到放大后的信號。通過這樣來計算和判斷心率以及IBI等參數(shù)，具體流程圖如圖3所示。

5　結(jié)論

通過測試，該系統(tǒng)基本實現(xiàn)了設(shè)計目標，但在測量中，誤差難以避免，可以通過算法的優(yōu)化來減少誤差的產(chǎn)生，讓獲取到的值更加精確。在設(shè)計中，主要通過時間閥值方法,在定時器中斷中將ADC采樣到的數(shù)值進行判斷后得到心率。

[1]何健,趙怡冰.居家式社區(qū)養(yǎng)老模式可行性分析[J].市場周刊(理論研究), 2013.

[2]侯愛葒．便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低功耗設(shè)計與數(shù)據(jù)壓縮算法[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2005.

圖3　心率及IBI計算流程

[3]Casey R,Ben F．Processing語言權(quán)威指南[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[4]Ning J.AN-1023應(yīng)用筆記[R]．上海：亞德諾半導(dǎo)體，2011.

[5]吳亞峰,蘇亞光．Android應(yīng)用案例開發(fā)大全[M]．北京:人民郵電出版社，2010.

2016-06-22

方瑤(1993—)，男，蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)生。

劉和劍(1971—)，男，講師，主要從事電子信息科學(xué)與技術(shù)的教學(xué)與研究工作。

TP302.1

A

1674-9944(2016)16-0254-02