基于智能手表的可穿戴無線健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)

徐明 李子豪 周杰

摘 要：本文以近年來蓬勃發(fā)展的健康監(jiān)測市場為研究對象，設計了一種基于智能手表的可穿戴無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要功能是能夠將智能手表監(jiān)測到的各種生物信號通過藍牙方式傳輸并存儲到智能手機或計算機中，通過后期的驗證測試，證明了本系統(tǒng)在實際的應用中非常成功的，但在某些功能上還需要進一步擴展，以滿足不同用戶的定制化需求。

關鍵詞：智能手表;可穿戴;健康監(jiān)測

醫(yī)療保健是當今社會中最重要的組成要素。在這個瞬息萬變的世界里，病人護理的遠程實時監(jiān)控需求正在日益增長。健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個由測量心電圖、脈搏率、血氧飽和度、血壓等組成的設備，這些設備體積龐大，一般只能在醫(yī)院和診所使用，且生產(chǎn)成本很高，價格高昂。由于上述原因，本文致力于設計一個價格低廉的無線便攜式可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)，讓患者能夠在醫(yī)院以外自主監(jiān)測自己的健康狀況。

本文提出的可穿戴無線健康監(jiān)測系統(tǒng)是基于智能手表設計的，包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和傳輸模塊。由傳感器采集的信號通過藍牙通信傳輸?shù)浇邮斩耍鳛榻邮斩说挠嬎銠C接收采集信號，并在屏幕上顯示數(shù)據(jù)。相關硬件和軟件的具體實現(xiàn)說明如下。

硬件系統(tǒng)由手表、用于檢測腕部生物電信號的傳感器模塊、采集信號放大器、微處理器以及藍牙通信模塊等組成，將放大處理后的信號從微控制器發(fā)送到計算機進行監(jiān)控。通過對整個硬件模塊的特殊設計，使其能夠方便地安裝在表帶上。

傳感器模塊裝有IR LED和紅色發(fā)光LED，用于將光線入射到手腕上;額外的光電二極管用于捕捉手腕反射信號中的數(shù)據(jù)。LED驅動芯片采用了L293DD。從光電二極管獲取的信號被發(fā)送到放大和處理模塊，然后通過藍牙無線通信的方式發(fā)送到接收端的計算機。

通常，從傳感器模塊獲取的生物電信號在微伏到毫伏之間。由于采集到的信號幅度很小，所以需要對信號進行放大。采集信號中還存在一些由內(nèi)部和外部源產(chǎn)生的噪聲。為了減少這些噪聲，使用了一定帶寬的濾波器。因此，為了獲得高質量的數(shù)字信號，用特定的增益對信號進行放大、濾波以供進一步處理。

放大模塊為單通道設計，單通道放大模塊由三級組成，即：儀表放大器、帶高通濾波器的運算放大器、帶高通濾波器和二階低通濾波器的第三級運算放大器。采用INA114作為高共模抑制比的儀表放大器，TLC 272作為運算放大器。

數(shù)字處理模塊由微控制器組成，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉換（A/D）。用于處理信號的微處理器是由Atmel公司設計的AT mega328P，AT mega328P微控制器是一種高性能、低功耗的8位微控制器。該微控制器的主要特點包括：低功耗，先進的RISC結構，具有高持久性的非易失存儲器段，具有上電復位和靈活的可編程功能等。mega328P的工作電壓在1.8V到5.5V之間，溫度范圍在40℃到85℃之間。

本系統(tǒng)的微控制器工作電壓為5V，主要流程描述如下：來自模擬放大器的放大濾波數(shù)據(jù)被傳送到微控制器，在微控制器中進行A/D轉換，用數(shù)字數(shù)據(jù)計算SpO2值，并對紅外發(fā)光二極管和紅色發(fā)光二極管的峰值進行了檢測、比較，分別得到了它們對應的SpO2值，然后將這些SpO2值通過藍牙通信模塊發(fā)送到接收器。

微控制器由電池供電，軟件算法首先初始化定時器、UART、I/O端口和A/D轉換器，設置中斷標志位;當中斷觸發(fā)以后，則進行A/D轉換。在A/D轉換完成之后，微控制器將數(shù)據(jù)串行寫入UART，然后檢查計時器是否溢出。如果數(shù)據(jù)寫入已經(jīng)完成，中斷標志復位，程序將對下一批數(shù)據(jù)重新進行A/D轉換。3.7V和220mA的鋰離子電池作為數(shù)據(jù)發(fā)射端的供電，LM4041和電荷泵用于將模塊中使用的組件電壓提高到5V供電。

藍牙模塊連同傳感器和微處理模塊一起安裝在手表帶上，這使得手表更容易佩戴。藍牙通信標準是根據(jù)需要從各種無線通信標準中選擇的，最適合低功耗通信系統(tǒng)。藍牙的工作頻率為2.4GHz，在藍牙通信期間，傳感器的藍牙模塊在打開電源后廣播SPP;數(shù)據(jù)接收端（智能手機或PC）通過解析匹配的協(xié)議來發(fā)現(xiàn)傳感器模塊。如果匹配協(xié)議解析完成，則握手成功。之后，傳感器模塊請求與接收器設備進行配對。這里通過請求4位pin碼進行授權配對，成功配對后，設備請求SPP連接。成功連接SPP后，設備開始從傳感器接收數(shù)據(jù)。以上就是藍牙通信如何啟動并通過無線方式向設備發(fā)送數(shù)據(jù)的方式。

在接收端設備上，利用MATLAB編程平臺對發(fā)送端處理和發(fā)送的數(shù)據(jù)進行了軟件分析。以純軟件形式實現(xiàn)了PPG信號的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和與計算出的血氧飽和度水平預期的輸出顯示。程序中還加入了藍牙通信算法來獲取無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

基于以上設計，我們實現(xiàn)了基于智能手表的可穿戴無線健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)，通過實際驗證、測試與分析，獲得了理想的檢測效果。但是，該系統(tǒng)只是一種原理型驗證樣機，還需要進一步提高系統(tǒng)的工作性能，并根據(jù)用戶的實際體驗改進結構及軟硬件設計。

本文對今后的工作提出以下幾點建議：

1）參考已開發(fā)的原型樣機，可以單獨設計傳感器模塊，以提高模塊中特殊傳感器的位置和數(shù)據(jù)測量精度，尤其在手表佩戴不夠緊湊的情況下也能獲得較好的性能。

2）運動導致的虛假信號剔除方法應當設計在系統(tǒng)軟件中，以便在人體、手或手腕運動時可以獲得更好的效果。

3）GSM模塊可以添加到無線系統(tǒng)中，實現(xiàn)與其他設備或服務器的通信，以便由其他人（如親屬和醫(yī)生）進行監(jiān)控，并在出現(xiàn)緊急情況時通知相關人員。這一點對于重癥病人是非常有必要的。

4）可在系統(tǒng)中添加GPS系統(tǒng)，以便在緊急情況下，能夠通過定位找到使用該系統(tǒng)的病人，并立即向該地點派出救援人員。

5）在體積上，應充分考慮到人體穿戴的特點，盡量能夠靈活適應不同手腕的具體特征;在功耗上，降低設備耗電以延長電池使用時間，同時降低設計成本，是本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)大批量供貨的重要前提條件。

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