物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計*

黃軍輝 黃曉紅 葉廷東 沈世華 譚新業(yè)

(1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510507；2.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計*

黃軍輝1黃曉紅2葉廷東2沈世華1譚新業(yè)1

(1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510507；2.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300)

許多人由于沒有及時預(yù)警而錯過最佳施救時間，為避免錯過及時報警情況的發(fā)生，設(shè)計了利用光電容積法的微型心率傳感器與低功耗無線Bluetooth Low Energy 4.0無線通信技術(shù)以及個人手機(jī)相結(jié)合的可穿戴技術(shù)的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，具備價格低廉、學(xué)習(xí)成本低和可靠性高的特點。提出采用硬件與軟件相結(jié)合的方法實時采集用戶的心率數(shù)據(jù)，通過計算與分析來判斷用戶是否處于危險狀態(tài)，并自動將當(dāng)前的GPS定位信息通過GSM短信功能發(fā)送至親人、醫(yī)院或警方處置，確保提高急救成功率。

心率監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；智能健康；監(jiān)測系統(tǒng)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，老齡化問題日益突出，伴隨出現(xiàn)的“空巢老人”、“獨居老人”與“孤寡老人”等日益增多，而老年人同時又是疾病與意外的高發(fā)人群[1]，常常因為出現(xiàn)意外得不到及時的救助而造成無可挽救的事故，對家庭與社會造成重大的傷害。目前市場上關(guān)于健康監(jiān)控的設(shè)備不少，但是基本上都用于運動監(jiān)控、運動追蹤等，并不適用以上的情況與問題。因此專門針對以上情況設(shè)計了一種可穿戴技術(shù)的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)。

本系統(tǒng)是利用人體在遭遇絕大部分突發(fā)情況時，心率活動隨之發(fā)生變化，因此可以實時的采集人體的心率數(shù)據(jù)，通過運算和分析來判斷人體當(dāng)前是處于正常還是危險的狀態(tài)，如果處于非正常的狀態(tài)，則自動進(jìn)行報警處理，聯(lián)系醫(yī)院和通知親人，從而能有效減少因為未及時發(fā)現(xiàn)而造成悲劇的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

要實現(xiàn)這套物聯(lián)網(wǎng)健康檢測智能系統(tǒng)，首先需要一個可以檢測心率變化的傳感器，需要一個控制芯片來把傳感器檢測到的AD信號經(jīng)過數(shù)學(xué)運算與分析轉(zhuǎn)化成一般人能讀懂的心率信息，接著需要一個無線通信模塊將心率信息傳送到終端，最后由終端判斷用戶是否為正常狀態(tài)，是否需要進(jìn)行通知處理。設(shè)計思路如圖1。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本套可穿戴技術(shù)的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖2，由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分包括心率探測傳感器、單片機(jī)控制芯片、藍(lán)牙BLE(Bluetooth Low Energy )4.0通信模塊組成。藍(lán)牙低能耗架構(gòu)共有兩種芯片構(gòu)成：單模芯片和雙模芯片。藍(lán)牙單模器件是新出現(xiàn)的一種只支持藍(lán)牙低能耗技術(shù)的芯片——是專門針對ULP操作優(yōu)化的技術(shù)的一部分。藍(lán)牙單模芯片可以和其它單模芯片及雙模芯片通信，此時后者需要使用自身架構(gòu)中的藍(lán)牙低能耗技術(shù)部分進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。雙模芯片也能與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)及使用傳統(tǒng)藍(lán)牙架構(gòu)的其它雙模芯片通信。如今社會基本上每人都有一臺手機(jī)，所以軟件選擇在手機(jī)上進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，利用手機(jī)自帶的GSM、GPS與藍(lán)牙通信的功能組合實現(xiàn)整套系統(tǒng)的運行。圖中“被監(jiān)測方”為硬件部分的佩戴用戶，“監(jiān)測方”用戶包括警方、醫(yī)院、佩戴用戶的親人與專門為本系統(tǒng)進(jìn)行運維的機(jī)構(gòu)和組織。

圖1 設(shè)計思路

在硬件部分，心率探測傳感器檢測用戶的心率數(shù)據(jù)，由控制芯片處理采集的數(shù)據(jù)后通過BLE4.0藍(lán)牙通信模塊發(fā)送至手機(jī)端；在軟件部分，軟件利用手機(jī)自身的藍(lán)牙模塊接收硬件部分發(fā)送的用戶心率信息，對信息進(jìn)行運算和分析，在信息處于非正常情況下讀取當(dāng)前的GPS位置信息，并通過GSM功能發(fā)送短信至檢測方。

圖2 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件部分選擇使用光電容積法測量的心率傳感器、8位超低功耗控制芯片與BLE4.0藍(lán)牙通信技術(shù)作為無線通信方式。

2.1 心率檢測

如今的心率測量方式主要有三種：第一種是從心電信號中提取出心率值；第二種是在測量血壓時,通過壓力傳感器測到的波動來計算心率值；第三種是光電容積法。前兩種方法在提取心率信號都會讓使用者的活動受到限制，并且在長時間地使用時，會對使用者的心理與生理造成不適感。光電容積法測量是現(xiàn)在作為監(jiān)護(hù)測量中最普遍使用的方法之一，具有穩(wěn)定性高、操作簡單、方便攜帶等特點[2]。

光電容積法的原理是利用人體組織在血管搏動時造成血管透光率的差異來進(jìn)行心率的測量。光電容積法使用的傳感器是由光源與光電應(yīng)變器組成，光源通常采用對動脈血中氧與血紅蛋白有選擇性的發(fā)光二極管, 波長選擇在500nm～700nm之間[3]，當(dāng)光源透過人體外圍的血管，由于動脈搏動充血導(dǎo)致容積的變化，從而影響光源的透光率，此時由光電變換器接收到經(jīng)過人體外圍血管反射后的光信號，轉(zhuǎn)換成電信號放大后輸出。此心率檢測傳感器的信號流向如圖3。

圖3 心率檢測傳感器的信號流向圖

心率測量部分選擇光電容積法的光電反射模擬傳感器，由光源和光電變換器組成，通過人體組織在血管搏動時造成血管的透光率差異進(jìn)行測量。傳感器的電路原理如圖4，因為560nm左右的波能對皮膚淺部微動脈的信號進(jìn)行反應(yīng)，所以采用峰值波長為515nm的綠光的發(fā)光二極管AM25200[4]。光電應(yīng)變器選擇APDS-90080[5]，是一款感受峰值波長為565nm的環(huán)境光感受器。兩者配合能達(dá)到較高的靈敏度。由于心率信號的幅度很小，頻帶在0.05～200Hz之間，很容易被其他信號干擾，因此同時使用低通濾波器、由MCP6001構(gòu)成的放大器、與采用分壓式電阻設(shè)置直流偏置電壓作為電源電壓的二分之一，使得信號在放大330倍后能容易地被采集。

圖4 心率傳感器電路原理圖

2.2 控制中樞

根據(jù)本系統(tǒng)的需求，控制芯片需要有多路A/D轉(zhuǎn)換功能、URAT通信功能、高速運算的性能與低功耗的特點，本系統(tǒng)選擇ATMEL公司ATmega系列的ATMEGA328P-AU芯片[6]。此芯片是一款高性能、超低功耗AVR 8位微控制器，擁有先進(jìn)的RISC體系結(jié)構(gòu)與體積小的特點。如圖5所示，配合時鐘電路、復(fù)位電路和電源電路組成的單片機(jī)控制系統(tǒng)，順利地將心率傳感器采集到的AD信號通過運算轉(zhuǎn)換成心率數(shù)據(jù)，并控制藍(lán)牙模塊與上位機(jī)(即手機(jī)端)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.3 無線通信

無線通訊選擇藍(lán)牙BLE4.0無線通信，這是一種短距離、低成本、可互操作的無線通信技術(shù)，利用多種智能方式最大限度地降低功耗，以提高硬件設(shè)備的續(xù)航能力。

在本系統(tǒng)中使用的是CC25410[7]，這是一款針對2.4GHz應(yīng)用的功率優(yōu)化的低切耗芯片，結(jié)合多種功能與出色的性能，如將RF收發(fā)器的性能和一個增強(qiáng)版的8051MCU、系統(tǒng)可編程閃存、8K的RAM等結(jié)合起來[8]，非常適用于本系統(tǒng)。根據(jù)CC2541數(shù)據(jù)手冊，其工作電路環(huán)境如圖6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分由下位機(jī)程序(即硬件的程序部分)與上位機(jī)程序(手機(jī)端軟件程序部分)組成，其二者分工合作保證整個系統(tǒng)的正常運作。

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計

程序的主要思想：心率探測傳感器根據(jù)返回的光照強(qiáng)度，輸出脈搏的電壓波形曲線。下位機(jī)采樣電壓曲線，數(shù)字化后發(fā)送到上位機(jī)，同時隨時計算相鄰兩個脈搏波的峰值點的時間差并且進(jìn)行濾波，得到兩次心跳之間的時間，即為IBI數(shù)值，由此數(shù)值進(jìn)行運算可得到心率值BPM。運算公式如下：

BPM=60/IBI

(1)

為了得到BPM值，下位機(jī)程序需要有四個功能：采樣、濾波、計算與輸出。

采樣：主要通過ADC單元來采樣傳感器輸出的心率模擬信號，采樣率500HZ、10位精度的AD精度選擇。

濾波：由于脈搏波在動脈中的反射，往往會出現(xiàn)一個重搏波。為了避免重搏波的干擾，在程序中每隔0.6個IBI的值才開始跟蹤脈搏的上升，

圖5 控制電路原理圖

圖6 BLE4.0藍(lán)牙通信電路

即可避開重搏波峰值，提高準(zhǔn)確率。

計算：心率的計算是根據(jù)相鄰的兩個脈搏上升段的中間值之差來確定IBI的數(shù)值，由此就可以算出BPM的數(shù)值，如圖7。

圖7 IBI分析圖

輸出：程序主要通過串口輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式均為ASCII碼，其中包含三種數(shù)據(jù)：以“S”為前綴的表示心率波數(shù)據(jù)(主要用于脈象圖的繪制顯示與研究)；以“B”為前綴的表示BPM數(shù)值(即心率值)；以“Q”為前綴的表示IBI數(shù)值(即相鄰兩個心跳之間的時間)。這三個數(shù)據(jù)通過下位機(jī)的串口發(fā)送給上位機(jī)，由于要成功地繪制可用于研究的脈象圖，“S”數(shù)據(jù)至少需要20ms發(fā)送一次，數(shù)據(jù)量大，不利于節(jié)省功耗的目的，所以在不需要的情況下為不發(fā)送狀態(tài)；“B”數(shù)據(jù)與“Q”數(shù)據(jù)只有在檢測到有效的脈搏后才會出現(xiàn)，即在每次心跳后會出現(xiàn)一次，根據(jù)需求可選擇一段時間內(nèi)連續(xù)發(fā)送，或者選擇在BPM值出現(xiàn)突變時再連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)，以此來達(dá)到節(jié)省功耗的目的。串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)如圖8。

圖8 串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)圖

其中，BPM為心率值，IBI為心拍間隔時間，QS為判斷是否發(fā)現(xiàn)心跳，Ps為上位機(jī)。在下位機(jī)上電后，進(jìn)行IO口的初始化，UART通信方式初始化，定時器初始化為2ms以及中斷服務(wù)程序初始化。直接發(fā)送傳感器檢測到的AD心率電壓信號到上位機(jī)，接著判斷是否發(fā)現(xiàn)心跳(即QS是否為真)，如果發(fā)現(xiàn)心跳，則計算IBI與BPM后將其發(fā)送到上位機(jī)，并且把QS清零后繼續(xù)檢測心率電壓信號；如果沒有發(fā)現(xiàn)心跳，則繼續(xù)檢測AD信號。在中斷服務(wù)程序與定時器服務(wù)程序中，實現(xiàn)每2ms檢測一次傳感器的AD值。在低功耗模式下，選擇每次檢查完AD值后不發(fā)送出去，直到出現(xiàn)上位機(jī)

的請求，和出現(xiàn)異常心率時候再發(fā)送心率值到上位機(jī)，從而實現(xiàn)設(shè)備的低功耗。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計

軟件部分是基于Android系統(tǒng)自主設(shè)計的軟件，進(jìn)行與硬件部分的互動通信。一級用戶可以通過軟件得知自身的心率情況，軟件通過算法和數(shù)學(xué)模型告訴用戶現(xiàn)在的身體處于哪種狀態(tài)(健康、亞健康、正常、非正常等)。軟件調(diào)用手機(jī)自身的GPS功能用于用戶定位與調(diào)用GSM功能用于短信息的發(fā)送。由專門的醫(yī)生根據(jù)使用者自身的情況設(shè)立心率的警報值，如果使用者達(dá)到這個警報值，則自動把一級用戶的當(dāng)前心率值與當(dāng)前位置坐標(biāo)發(fā)送短信指定的二級用戶。在軟件端同時保存多個二級用戶，包括警方、醫(yī)院和個人，只要軟件判斷一級用戶出現(xiàn)異常，則同時發(fā)送當(dāng)前信息到所有的二級用戶，減少事故的發(fā)生。

圖9 上位機(jī)軟件部分主流程圖

圖9是上位機(jī)軟件主流程圖，在軟件打開時，進(jìn)行系統(tǒng)功能的初始化，分別對手機(jī)的GPS定位、GSM功能初始化，設(shè)置心率閥值與設(shè)置二級用戶的聯(lián)系電話，進(jìn)行BLE4.0藍(lán)牙配對，等待下位機(jī)發(fā)送心率數(shù)據(jù)。如果無數(shù)據(jù)則不響應(yīng)操作，如果接收到數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析，判斷一級用戶是否處于危險狀態(tài)，連續(xù)處于危險狀態(tài)則發(fā)送短信通知二級用戶。在軟件空閑狀態(tài)，可由一級用戶主動發(fā)送自身的信息到指定的二級用戶，也可由指定的二級用戶發(fā)送短信到一級用戶的手機(jī)端進(jìn)行心率與位置的查詢，關(guān)系如圖10。

圖10 用戶關(guān)系圖

4 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

1)通過手機(jī)的藍(lán)牙成功讀取到硬件部分通過BLE4.0發(fā)送的數(shù)據(jù)，顯示到屏幕上，根據(jù)數(shù)據(jù)畫出脈象圖；2)使用手機(jī)的GPS 功能成功讀取手機(jī)當(dāng)前的GPS定位信息；3)通過GSM功能發(fā)送檢測到的位置信息與接收到的心率信息給指定的手機(jī)號碼；4)可預(yù)先設(shè)定心率的閾值，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)達(dá)到或者超過設(shè)定的閾值，則自動發(fā)出通知；5)在自動模式下能根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行自動通知功能；6)在手動模式下能主動發(fā)送定位信息與心率信息到指定的用戶。軟件界面及發(fā)送的短信內(nèi)容如圖11。

圖11 軟件界面及發(fā)送的短信內(nèi)容

5 結(jié)語

本系統(tǒng)本著低功耗、準(zhǔn)確探測、及時反饋為目的設(shè)計，與現(xiàn)在市場上的心率檢測設(shè)備相比，具有體積小、重量輕、功耗低、成本低與智能管理信息等優(yōu)點。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，即使與親人相隔千里，也可以隨時得知親人的身體狀況，從而無后顧之憂的工作與生活，能直接減少空巢老人發(fā)生的事故，直接提高社會的生產(chǎn)力，具備市場推廣價值。

[1]月曉玲. 和諧世界，從“心”開始——讓我們用心關(guān)愛“空巢老人”[J]. 都市家教(上半月), 2014 (11): 266-266.

[2]張曉林, 李賡, 劉承橋, 等.遠(yuǎn)程心率監(jiān)護(hù)及急救系統(tǒng)設(shè)計[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2015 (9): 29-31.

[3]趙婧.基于可穿戴技術(shù)的信息處理與數(shù)據(jù)融合算法研究[D].北京:北京服裝學(xué)院,2014.

[4]Kingbright.AM2520ZGC09 Data Sheet[Z].Taiwan: Kingbright,2013:2-3.

[5]Avago.APDS-9008 Data Sheet[Z].USA: Avago,2008:1-12.

[6]Atmel.ATMEGA328P-AU Data Sheet[Z]. USA: Atmel,2009:1-12.

[7]德州儀器.CC2541技術(shù)手冊[Z]. 美國: 德州儀器,2012:24-25.

[8]馮步云.基于嵌入式系統(tǒng)智能家居控制中心的研究[D].青島:青島科技大學(xué),2014.

Research and Design for the Internet Intelligent Health Monitoring System

HUANG Junhui1HUANG Xiaohong2YE Tingdong2SHENG Shihua1TAN Xinye1

(1.Guangdong Agriculture Industry Business Polytechnic, Guangzhou510507,China;2. Guangdong Industry Polytechnic,Guangzhou510300,China)

Nowadays, many people can not be saved within the best rescue time because of the late warning. In order to avoid the situation, the paper designed a wearable intelligent health monitoring system that can connect to personal cell phone, that used miniature heart rate sensor based on photoelectric volume method and wireless communication technology of low power wireless Bluetooth Low Energy4.0. This system is cheap in both price and learning cost. Meanwhile, it has high reliability. Therefore, this paper proposed a method of hardware and software to collect the user’s heart rate data in real time, and then calculated and analyzed to judge whether the user is in a dangerous state，and automatically sanded the current GPS location information to relatives, hospitals or police by GSM, to ensure to improve the success rate of first aid.

heart rate monitor; internet; intelligent health; monitor system.

2016-11-16

廣東省科技計劃項目(2015A020214025；2015A070710030;2012B040201049)；2014年省級“千百十工程”人才培養(yǎng)對象項目(RC2016-005);廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院創(chuàng)新強(qiáng)校工程項目(2A11105)

黃軍輝(1969—)，男，副教授，碩士。

TP311.52

A

1672-1950(2016)04-0001-07