基于防溺水智能手環(huán)的心率監(jiān)測設(shè)計

周覃潔，魏芳波

（漢江師范學(xué)院，湖北 十堰 442000）

0 引言

當(dāng)今時代智能手環(huán)的出現(xiàn)便利了人們的生活，市面上現(xiàn)有的智能手環(huán)具有記錄人們運動情況、監(jiān)測健康狀況等功能［1］。防溺水智能手環(huán)心率監(jiān)測系統(tǒng)增添了心率監(jiān)測功能。目前國內(nèi)領(lǐng)域?qū)π穆时O(jiān)測的研究較為普遍，李文祺等［2］采用HXDZ－30102－ACC血氧心率傳感器來實現(xiàn)心率的監(jiān)測；彭安娜等［3］借助MK 986脈沖心率傳感器，采用紅外模塊來采集心率信號；謝佳玲等［4］利用EGG信號粗?；幚淼囊环N心率監(jiān)測的算法對信號進行了分析并計算出了心率值。

從心率監(jiān)測的無錯性和高效性的實際要求出發(fā)，有必要借助較為成熟的光電容積脈搏波描記法(PPG），設(shè)計一個能夠準(zhǔn)確監(jiān)測心率的防溺水智能手環(huán)心率監(jiān)測系統(tǒng)。

1 防溺水智能手環(huán)的設(shè)計

1.1 光電容積脈搏波描記法（PPG）

光電容積脈搏波描記法(PPG）通過光照射人體脈搏皮膚處后，血容量隨脈搏波動而變化，經(jīng)反射后光強度也隨之變化的原理來測量人體在不同時刻的心率電信號后由光感測器感測放射光［5］，其原理如圖1所示。一般而言，光學(xué)心率傳感器主要基于這一原理工作，并通過光、電、數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換得出不同情況下人體的心率值。

圖1 光電容積脈搏描記法（PPG）原理

1.2 防溺水智能手環(huán)的心率監(jiān)測設(shè)計

1.2.1 總體框架

如圖2所示，本設(shè)計主要由傳感器模塊、處理器模塊、接收器模塊、顯示模塊和指示器模塊組成。首先，由傳感器測模塊測得心率電信號，然后將該信號傳輸?shù)教幚砥髂K進行數(shù)據(jù)化處理和分析，接收器模塊和指示器模塊在處理器模塊給出的不同指令的條件下做出相應(yīng)的操作，同時顯示器模塊從接收器模塊接收到信號后在顯示器上給出相應(yīng)的數(shù)值和信息。

圖2 防溺水智能手環(huán)總體構(gòu)架框

1.2.2 本設(shè)計的主要功能

(1）完成基本的心率值的測量。

人在游泳時心臟需氧量增多，心率會適當(dāng)加快，皮膚內(nèi)的血液容積在心臟的作用下發(fā)生變化。根據(jù)流過人體脈搏處血容量的不同，借助光學(xué)心率傳感器接收不同時刻的心率電信號，進而得到不同時刻人體的心率值。

(2）實時監(jiān)控心率值波動的范圍。

在溺水發(fā)生時，人的心跳會不斷加快，心率值增高。隨著危險程度的增加，大量水進入肺毛細血管從而進入血循環(huán)，導(dǎo)致電解質(zhì)紊亂，該過程中人的心率值在不斷發(fā)生波動，通過變化的心率數(shù)據(jù)的收集可實時監(jiān)測游泳者心率值波動的范圍。

(3）及時反映異常并給予救援措施。

當(dāng)心率值異于正常值且短時間安內(nèi)出現(xiàn)較大波動，心率監(jiān)測系統(tǒng)在接收到異常信號后將實時的心率值通過無線藍牙傳輸傳送到手機App端，將定位及求救信號通過短信方式發(fā)送至溺水者緊急聯(lián)系人手機中，同時腰間安全氣囊受指令爆破，蜂鳴器發(fā)出報警信號。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 主程序設(shè)計

主程序主要將整個系統(tǒng)分支連接起來，對系統(tǒng)內(nèi)所有接口及通信進行初始化處理［6］，同時將采集到的心率值進行預(yù)處理及分析，判斷心率值是否在正常范圍內(nèi)波動，并對下一步操作發(fā)出指令，直至整個過程結(jié)束，促進整個過程高效有序地進行，具體程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

1.3.2 心率監(jiān)測程序設(shè)計

(1）硬件方面。

本設(shè)計以STC89C52單片機為硬件，借助C語言進行模塊化編程［7］，將A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號送入其中進行數(shù)據(jù)化處理得到心率值，同時該單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器對測量到的心率值進行存儲，方便使用者日后查看；單片機也可與手環(huán)LED顯示器直接相連，顯示出使用者使用時的心率。

(2）軟件方面。

如圖4所示，首先將手環(huán)硬件部分初始化，此時心率值顯示為0，接著運動心率傳感器將光發(fā)射器發(fā)射出來的光信號經(jīng)皮膚反射后轉(zhuǎn)化為電信號，并被光接收器接收，后將該信號作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，又由A/D轉(zhuǎn)換器將得到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這些信號經(jīng)主控芯片處理后得出具體的心率值，此后經(jīng)過無線藍牙進行傳輸。該程序在每完成一次心率測量后將從頭開始重復(fù)該過程且進入循環(huán)，并將每一次的時間控制在50 ms內(nèi)。

圖4 心率計算流程

1.3.3 無線藍牙傳輸

當(dāng)游泳者心率異常時，為了能夠快熟準(zhǔn)確地向手機App端傳輸心率值，本設(shè)計采用無線藍牙傳輸，能夠擺脫短距離內(nèi)有線的束縛，靈活應(yīng)用于心率數(shù)據(jù)傳輸中［8］。此模塊與STC89C52單片機輸出相連，將具體的心率值傳輸至終端。

2 心率區(qū)間估算及實驗分析

2.1 最優(yōu)區(qū)間估算

隨著人年齡的增長，游泳時心率的最優(yōu)區(qū)間會隨年齡的變化而變化，經(jīng)研究，心率T的最優(yōu)區(qū)間的計算公式為：

其中，220表示人體每分鐘心率的上限值［9］。

以年齡為a歲的青年游泳者為例，基于公式(1）估算得其正常游泳時的心率上、下限值如表1所示。

表1 正常游泳時的心率限值

由表1得出，該青年正常游泳時的心率最優(yōu)區(qū)間為(154－0.7a）次/min≤T≤(187－0.85a）次/min，此時心率監(jiān)測系統(tǒng)將設(shè)定上限值為(154－0.7a）次/min，下限值為(187－0.85a）次/min。當(dāng)此青年的心率超出該范圍出現(xiàn)急劇的上升或下降的情況時，可判斷其此刻可能處于溺水狀態(tài)。

2.2 模擬實驗

鑒于真實測試的危險系數(shù)較高，通過向心率監(jiān)測模塊傳輸不同電壓的信號來模擬人游泳時變化的心率值，并在表1所得結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)置了不同的心率區(qū)間進行了實驗。從本次模擬實驗看出，當(dāng)心率在設(shè)定區(qū)間內(nèi)自由波動時，系統(tǒng)將正常心率值通過無線藍牙傳輸至手機端；當(dāng)心率超過設(shè)置的區(qū)間時，系統(tǒng)顯示心率異常，并快速準(zhǔn)確地進行報警、定位、自救、求救的功能。

3 結(jié)語

隨著大眾生活質(zhì)量的普遍提高，智能手環(huán)得到普及，防溺水智能手環(huán)也將逐漸進入大眾的生活。本設(shè)計借助運動心率傳感器，基于光電容積脈搏波描記法，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號得到心率值。在正常的游泳狀態(tài)時，該手環(huán)通過藍牙將人體的心率值傳輸至手機App終端；溺水時還能自動爆破腰帶氣囊進行自救并發(fā)出警報和定位信息，大大地降低了人溺水身亡的風(fēng)險，具有較好的推廣前景和應(yīng)用價值。