“心芯相印”智能手環(huán)

呂露嬋，李睿婕，張文博，惠宇琛，周陽

摘要：經(jīng)考察現(xiàn)今市面所流行的多款智能手環(huán)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)手環(huán)定位用戶群為年輕一代，在交互性、健康檢測、健康協(xié)助等健康醫(yī)療方面依舊存在很多不足。而在當(dāng)今社會，人口老齡化加劇，許多家庭面臨老人獨(dú)自生活，無法及時(shí)關(guān)注自身健康狀況的問題。為改善這些情況，開發(fā)設(shè)計(jì)了該款定位在健康醫(yī)療方面的“心芯相印”智能手環(huán)。幫助每個(gè)人都能隨時(shí)關(guān)注自身健康狀況，讓身體健康問題不再成為每一個(gè)家庭、每一個(gè)人的“心腹大患”，而成為隨時(shí)關(guān)注，隨時(shí)解決的日常。

關(guān)鍵詞：移動智能手環(huán);醫(yī)療領(lǐng)域;睡眠;GPS系統(tǒng);智慧養(yǎng)老

中圖分類號：TP3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）20-0121-03

1 項(xiàng)目背景

現(xiàn)代社會科技發(fā)展日新月異，各種各樣的可穿戴設(shè)備使得人們的生活愈發(fā)便捷、娛樂，而在如今中老齡人群所占比重愈發(fā)增大。社會急切需要一款針對該群體所涉及的智能化手環(huán)設(shè)備改善使用者的健康監(jiān)測情況，并且在使用者健康出現(xiàn)緊急情況時(shí)可及時(shí)獲得救援支持。本文研究的手環(huán)能定位在老年人，實(shí)時(shí)監(jiān)測老人的心率、血壓和一些運(yùn)動指標(biāo)值，并能實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)，為老人的健康管理提供有效的參考[1]。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“心芯相印”智能手環(huán)主要服務(wù)于健康醫(yī)療市場，可以做到減少醫(yī)療資源的浪費(fèi)、用戶更便捷獲知自身健康狀況以及對使用者的健康情況報(bào)警保護(hù)功能。該產(chǎn)品主要由設(shè)備和App構(gòu)成：其中設(shè)備模塊中主要為加速度傳感器模塊、血氧傳感器模塊、心率傳感模塊、藍(lán)牙模塊、存儲模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、顯示器模塊。App主要為“心芯相印系統(tǒng)”“健康管家”“GPS定位”等功能。

2.1硬件電路設(shè)計(jì)部分

硬件模塊部分為加速度傳感器模塊、血氧傳感器模塊、心率傳感模塊、藍(lán)牙模塊、存儲模塊、“心芯相印”報(bào)警模塊、電源模塊、顯示器模塊。

2.1.1血氧傳感器模塊

血氧飽和度檢測采用反射式血氧傳感器模塊，傳感器采集到的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)單片機(jī)處理得到血氧和心率。

2.1.2藍(lán)牙模塊

系統(tǒng)與 Android 智能手機(jī)之間采用藍(lán)牙通信，藍(lán)牙模塊兼容 3.3V/5V 供電，配對中電流 30～40mA，通信完畢未通信 電流 1～8mA，通信時(shí) 5～20mA（跟串口通信頻繁程度呈正比）。

2.1.3存儲模塊

存儲芯片選用具有低功耗、高時(shí)鐘頻率、支持 3.3V 供電等特點(diǎn)，還可用于記錄已配對的手環(huán)和設(shè)備。

2.1.4“心芯相印”報(bào)警模塊

該系統(tǒng)通過心率估計(jì)人體體溫，當(dāng)心率在某一時(shí)間段內(nèi)恒大于一 定值時(shí)，判斷為發(fā)熱（人體發(fā)熱時(shí)，心率會加快，體溫每升高 1℃，心率平均加快 12～18 次/分），蜂鳴器便報(bào)警。

2.1.5電源模塊

系統(tǒng)用3.3V供電，具有可充電功能。選用可充電聚合物鋰電池做輸入，經(jīng)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后輸出。

2.1.6服務(wù)器模塊

系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)后，通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，在服務(wù)器端保存原始數(shù)據(jù)，便于研究人員進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)分析。

2.1.7顯示器模塊

系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，在液晶顯示屏上顯示出來。

2.2軟件部分功能介紹

2.2.1手環(huán)與App配對

當(dāng)手環(huán)與App首次配對后會主動檢測人的身體各項(xiàng)指標(biāo)，App會根據(jù)指標(biāo)分析你的年齡，并根據(jù)年齡推薦不同年齡段人，生活娛樂所需。手環(huán)會長時(shí)間的記錄日常生活習(xí)慣，給予用戶更細(xì)致的推薦和分析，同時(shí)會根據(jù)目前身體健康和狀態(tài)，在合適的時(shí)間給用戶推薦改善身體作息計(jì)劃和方案，并且如果是年輕人可以打開推“薦朋友選項(xiàng)”會推薦身體數(shù)值相仿的異性，幫助人際交流困難人群，真正做到“心芯相印”。如圖1手環(huán)與App配對流程圖。

2.2.2手環(huán)與手環(huán)配對

該系統(tǒng)還提供在競技模式下，手環(huán)可與其他手環(huán)配對并選擇出管理員，管理員可以看到各個(gè)隊(duì)員的狀態(tài)指標(biāo)，可以提醒隊(duì)員是否需調(diào)整和隨時(shí)進(jìn)行隊(duì)員更換，管理員手環(huán)在連接手機(jī)App的情況下，App會根據(jù)不同的競技項(xiàng)目，分析出那些隊(duì)員狀態(tài)不佳，或者需要更替。

當(dāng)處于普通模式下，手環(huán)可以配對家人或者朋友、愛人，當(dāng)家人或者愛人身體出現(xiàn)問題時(shí)手環(huán)會給予提醒，同時(shí)可以主動向家人朋友發(fā)出提醒消息。（例：一起出去玩）在此功能模式下，可以在心連著芯的同時(shí)，更加心連著心。如圖2手環(huán)與手環(huán)流程圖。

2.2.3睡眠檢測

當(dāng)人深度熟睡的時(shí)候基本上身體是基本不動的，睡眠開始入睡到淺睡，到深度再逐步轉(zhuǎn)入到淺睡眠。根據(jù)加速度傳感器記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)條件判斷是否進(jìn)入睡眠。如圖3睡眠監(jiān)測流程。

2.2.4運(yùn)動檢測

使用三軸加速度傳感器，三軸加速度傳感器的三軸是指空間中的X， Y， Z三個(gè)維度，有了這3個(gè)維度，手環(huán)就可以捕捉到手環(huán)在使用中的加速度變化，從而生成數(shù)據(jù)。如圖4運(yùn)動檢測流程圖。

2.2.5血氧飽和度測量

血氧飽和度的測定是用LED交替打開或關(guān)閉使手環(huán)可以發(fā)出不同波段的光，利用含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對特定光的反射吸收率不同的特點(diǎn)，進(jìn)行信號萃取，從而測得。如圖5血氧飽和度監(jiān)測流程圖。

2.2.6 測量血壓

光電感器能夠采集我們手腕處的脈搏，并對其進(jìn)行分析，從而估算我們的血壓高低。如圖6監(jiān)測血壓流程圖。

2.2.7測量脈搏

通過測量反射光來監(jiān)測心跳，具體過程如下：手環(huán)將一束光打在皮膚上，當(dāng)心臟泵血時(shí)，血管中充滿血液。血液傾向于吸收綠光反射紅光，因此心臟在收縮和舒張時(shí)會產(chǎn)生顏色不同的反射光，手環(huán)正是通過檢測這些反射光來記錄心率的。