穿戴式心率監(jiān)測報(bào)警器設(shè)計(jì)與制作

浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字工程學(xué)院 李文祺 高佳鋒 尚玲瓏 藍(lán) 翔 肖志堅(jiān) 鄭定超

針對(duì)越來越多“猝死”事件的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)一個(gè)可穿戴式心率監(jiān)測報(bào)警器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測佩戴者的心率，統(tǒng)計(jì)其步數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)立即發(fā)送定位短信至目標(biāo)手機(jī)進(jìn)行報(bào)警。本設(shè)計(jì)采用STM32F103系列單片機(jī)作為控制芯片，HXDZ-30102-ACC血氧心率傳感器和3軸加速傳感器ADXL34負(fù)責(zé)采集心率、血氧、步數(shù)數(shù)據(jù)，SIM868 GSM/GPRS/GPS模塊實(shí)現(xiàn)GPS定位和發(fā)送短信。經(jīng)過測試與對(duì)比，心率監(jiān)測報(bào)警器正常工作，檢測到的數(shù)據(jù)在正常誤差范圍內(nèi)，運(yùn)行穩(wěn)定。

當(dāng)下，人們對(duì)健康的意識(shí)越來越強(qiáng)，跑步、游泳、登山等活動(dòng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷倪\(yùn)動(dòng)方式。微信還推出了微信運(yùn)動(dòng)功能，記錄行走的步數(shù)。與此同時(shí)，學(xué)生跑步猝死的新聞、戶外運(yùn)動(dòng)愛好人士因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)過量引發(fā)急性心衰導(dǎo)致猝死的新聞越來越多。

隨著智能電子產(chǎn)品的普及，智能穿戴設(shè)備越來越多，其中最常見的就是智能手環(huán)，一般智能手環(huán)包括時(shí)間、計(jì)步、睡眠記錄等功能，但其并不具備心率監(jiān)測、報(bào)警等功能。如果在運(yùn)動(dòng)或者日常生活中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測用戶心率，一旦出現(xiàn)異常能產(chǎn)生報(bào)警，那么就能減少由于心率問題產(chǎn)生的猝死案例。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文擬設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32的可穿戴式的心率監(jiān)測報(bào)警器，同時(shí)添加計(jì)步功能，用以統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)步數(shù)。系統(tǒng)通過加速度計(jì)檢測運(yùn)動(dòng)步數(shù)、血氧心率傳感器監(jiān)測心率與血氧，檢測到的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)處理后由顯示模塊顯示；如果檢測到的數(shù)據(jù)異常則會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警并發(fā)送定位信息短信至目標(biāo)聯(lián)系人，同時(shí)也可以手動(dòng)發(fā)送定位短信給目標(biāo)聯(lián)系人以尋求獲得幫助。

2 硬件設(shè)計(jì)

考慮到心率監(jiān)測報(bào)警器的可穿戴性，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需考慮到尺寸、功耗及外觀等因素。系統(tǒng)硬件的選取與設(shè)計(jì)傾向于尺寸小、功耗低的芯片與電子元器件，同時(shí)需要設(shè)計(jì)良好的PCB板布局與連線，以求獲得較佳的性能與外觀。

2.1 最小系統(tǒng)

系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用STM32F103系列的單片機(jī)。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的32位的微控制器，是一款48管腳封裝、低功耗的單片機(jī)，且性能穩(wěn)定價(jià)格實(shí)惠。最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、電源電路和晶振電路。32芯片的時(shí)鐘樹中需要有五個(gè)時(shí)鐘源，我們需要布置的便是外部高速時(shí)鐘和外部低速時(shí)鐘。其中，高速外部時(shí)鐘可接石英/陶瓷諧振器或者接外部時(shí)鐘源，頻率范圍為4MHz～16MHz。低速外部時(shí)鐘，可接頻率為32.768kHz的石英晶體。由于不同模塊供電電壓的不同，本系統(tǒng)主要采用5V與3.3V兩個(gè)電源規(guī)格，用AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用上電復(fù)位，方便用戶隨時(shí)復(fù)位。

圖1 心率監(jiān)測報(bào)警器電路圖

2.2 心率模塊

本裝置的心率監(jiān)測采用HXDZ-30102-ACC血氧心率傳感器來實(shí)現(xiàn)。模塊本身集成了一個(gè)紅光LED和紅外光LED、光電檢測器、光器件以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路，可以將其佩戴于手指、耳垂和手腕處，通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C通信接口將采集到的數(shù)值傳輸給STM32單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)的心率和血氧計(jì)算。通過軟件關(guān)斷，可以使待機(jī)電流接近為零，實(shí)現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài)。

2.3 定位報(bào)警模塊

系統(tǒng)的定位報(bào)警模塊采用SIM868 GSM/GPRS/GPS模塊，模塊集成了GPS定位于GSM網(wǎng)絡(luò)，支持中國移動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)通信。首先通過GPS定位實(shí)時(shí)獲取經(jīng)緯度信息，通過OLED顯示屏顯示；當(dāng)檢測到異常時(shí)，就通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的形式發(fā)送經(jīng)緯度信息以及監(jiān)測的心率、步數(shù)等信息至目標(biāo)關(guān)聯(lián)手機(jī)。GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大、信號(hào)穩(wěn)定，保證了信息的有效發(fā)送。

2.4 計(jì)步模塊

步數(shù)的統(tǒng)計(jì)由3軸加速傳感器ADXL345實(shí)現(xiàn)，其在測量模式下的功耗僅40uA，待機(jī)模式下為0.1uA，是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加速度計(jì)。當(dāng)傳感器固定在運(yùn)動(dòng)物體上后，隨著物體的運(yùn)動(dòng)，其X、Y、Z三個(gè)方向的加速度會(huì)發(fā)生變化。

心率監(jiān)測報(bào)警器的電路圖如圖1所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件采用單片機(jī)C語言實(shí)現(xiàn)，主要包括各傳感檢測模塊的信號(hào)采集與處理、單片機(jī)的邏輯控制與短信報(bào)警模塊的使用。

3.1 心率監(jiān)測

首先對(duì)HXDZ-30102-ACC血氧心率傳感器進(jìn)行模塊初始化，包括存儲(chǔ)器、中斷的配置，前500樣本的采集，然后傳感器通過I2C連接方式發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)，單片機(jī)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)并顯示。其中主要的部分函數(shù)如下：

uint8_t MAX30102_Write(uint8_t WriteAddr, uint8_t WriteData);//向模塊寫數(shù)據(jù)

uint8_t MAX30102_read(uint8_t ReadAddr);//從模塊中讀數(shù)據(jù)void Max30102_Init(void);//模塊初始化

void Max30102_Test(void);//移除舊數(shù)據(jù)，采集新100組數(shù)據(jù)

3.2 短信定位

SIM868 GSM/GPRS/GPS模塊獲取到的數(shù)據(jù)包括UTC時(shí)間、經(jīng)緯度信息等，該數(shù)據(jù)是一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)體的解析得到目標(biāo)數(shù)據(jù)；通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)至目標(biāo)手機(jī)。該模塊集成了GSM模塊并引出串口接口，只需要使用串口就能操作GSM數(shù)據(jù)。由于經(jīng)緯度坐標(biāo)的不同，根據(jù)不同的地圖需要轉(zhuǎn)換不同的坐標(biāo)。主要的部分函數(shù)如下：

void parseGpsBuffer(void);//解析GPS數(shù)據(jù)

void GPS_Transformation(void);//坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

void SendMessage(char *number,char *msg);//發(fā)送發(fā)短信命令

3.3 主函數(shù)

心率監(jiān)測報(bào)警器的工作模式主要分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種。自動(dòng)模式下，用戶佩戴穿戴式心率監(jiān)測報(bào)警器，監(jiān)測報(bào)警器可以監(jiān)測用戶的心率、血氧等參數(shù)，統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)步數(shù)。當(dāng)監(jiān)測的心率或血氧超過一個(gè)設(shè)定值時(shí)，裝置會(huì)自動(dòng)發(fā)送一條定位信息至目標(biāo)手機(jī)進(jìn)行報(bào)警。手動(dòng)模式下，佩戴者可以手動(dòng)點(diǎn)擊裝置上的按鈕發(fā)送定位信息至目標(biāo)手機(jī)以求獲取幫助。

4 系統(tǒng)測試

穿戴好心率監(jiān)測報(bào)警器后，其可以讀取用戶的心率、血氧，統(tǒng)計(jì)步數(shù)，經(jīng)過與專業(yè)儀器對(duì)比之后，稍有誤差，但在允許范圍內(nèi)，可以證明裝置正確與有效性。用戶在經(jīng)過適當(dāng)運(yùn)動(dòng)后，檢測到的數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過與專業(yè)儀器的對(duì)比，數(shù)據(jù)正確。在適當(dāng)調(diào)低報(bào)警閾值之后，經(jīng)過劇烈運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警短信，用戶點(diǎn)擊報(bào)警按鈕亦可產(chǎn)生報(bào)警短信至目標(biāo)手機(jī)。圖2是報(bào)警器的屏幕畫面，采用的是0.96in OLED顯示屏。

圖2 屏幕顯示

結(jié)束語：經(jīng)過系統(tǒng)測試，本設(shè)計(jì)基本能夠?qū)崿F(xiàn)心率監(jiān)測、步數(shù)統(tǒng)計(jì)、短信報(bào)警的功能。對(duì)于運(yùn)動(dòng)人士或老年人來講，可以有效地監(jiān)測心率狀態(tài)；發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)送報(bào)警短信，可以有效地減少事故的發(fā)生。當(dāng)然，該裝置還存在一定的不足，比如準(zhǔn)確性的提高，尺寸、功耗更進(jìn)一步的優(yōu)化，這都是以后改善的目標(biāo)。