可穿戴式多生理參數(shù)采集系統(tǒng)設計*

張選 金珊 王菲 黃志強 賴珠瓊

吉林大學 通信工程學院 吉林 長春 130012

引言

隨著對當代學生體質(zhì)健康狀況的關心，針對學生的各種體育活動得到不斷重視。但原本應該是斗志昂揚的運動場，卻因為各種因素發(fā)生很多學生身體不適而暈倒猝死的事情。社會上的諸如以上的學生在校進行體育運動時突發(fā)暈倒甚至猝死的現(xiàn)象常有發(fā)生，所以對學生運動時的多項生理特征實時進行監(jiān)測是一件急需解決的任務[1]。本文主要研究一種可對學生的體溫、心率、呼吸率等多項生理特征進行一體化監(jiān)測的系統(tǒng)，并可以應用到可穿戴式智能服裝上。本穿戴式學生體育運動體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)使用傳感器、藍牙、手機App等組成。人體可穿戴式智能服裝能夠?qū)W生體育運動時的心率、呼吸、體溫等多項生理指標能夠?qū)崟r檢測，同時監(jiān)測學生運動的距離，然后通過藍牙傳遞到手機端，當穿戴者生理數(shù)據(jù)嚴重異常時，蜂鳴報警器立即報警，相關教官、教師可立即采取措施，對學生的訓練量進行及時適當?shù)恼{(diào)整，做到科學有效防止學生發(fā)生摔倒、猝死等意外情況。

1 研究目的、意義

基于培養(yǎng)集體主義意識的軍訓生活，同時也是為了通過實際訓練來增強學生體質(zhì)，但由于現(xiàn)在學生身體素質(zhì)較差，亞健康現(xiàn)象普遍，原本應該是斗志昂揚的軍訓場，卻因為各種不同原因，有很多學生“暈倒”。 據(jù)相關報道，某市某高中招收了1300名新生，在軍訓期間，前后有130多名學生暈倒，占參加軍訓學生總數(shù)的10%。然而這還不是最嚴重的，最悲劇的是有人在軍訓中暈倒身亡：武漢一名年僅14歲中學生夜跑時突然倒地，市某高校女大學生小雯（化名）在軍訓時意外摔倒，心臟驟停，120急救車趕到時已沒了生命體征[2]?？梢?，及時監(jiān)測學生的心率的重要性；熱射病，俗稱中暑，由于人體散熱不到位，導致身體高熱，嚴重者可能導致死亡?？梢?，及時監(jiān)測學生的呼吸與溫度等生理數(shù)據(jù)的重要性。社會上的諸如以上的學生在校進行體育運動時突發(fā)暈倒甚至猝死的現(xiàn)象常有發(fā)生，所以對學生運動時的多項生理特征實時進行監(jiān)測是一件急需解決的任務。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析

可以直接放在皮膚附近或者表面上的微控制器，通過傳感器采集各種參數(shù)，再通過連接網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理分析、遠程控制等，可以實時檢測、分析、遠程傳輸各種生理指標，這樣的設備稱為可穿戴式設備。隨著小型電子設備、智能手機和通信技術的進步，可穿戴設備呈現(xiàn)爆炸式增長。最早出現(xiàn)的可穿戴式設備由于芯片集成度不夠高，電池體積大，導致設備略顯笨重，需要頻繁充電，使用起來很不方便[3]。隨著穿戴式設備的發(fā)展，技術越來越成熟，不斷朝著多參融合的目標努力，芯片集成度越來越高，監(jiān)測的生理指標越來越多，設備越來越精巧，舒適度大大提高。其中監(jiān)測的生理指標主要有溫度、心率、呼吸率及一些運動信號參數(shù)如加速度、步數(shù)等等。近年來，人們的生活品質(zhì)逐漸提高，對醫(yī)療質(zhì)量的要求不斷提高，這極大地推動了可穿戴式設備的技術發(fā)展，掀起了國內(nèi)外發(fā)展可穿戴式設備的熱潮。世界首個研究穿戴式主板的機構——美國佐治亞理工學院，開發(fā)出一個集心率、呼吸頻率、體溫等生理參數(shù)監(jiān)測于一體的監(jiān)測設備[4]。美國森沙特公司也于2008年推出一款醫(yī)護襯衫，它能夠直接監(jiān)測穿著者的呼吸、體溫等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時傳送給醫(yī)院[5]。美國海軍與美國GeorgiaTech共同研發(fā)的智能監(jiān)測服裝的母板（GTWM）是將塑料光纖和電纖維織入織物中，通過與傳感器和控制單元的連接，可以對人體生理狀況進行評估，如測量人的體溫、呼吸等。這種嵌入到服裝中的可穿戴式多生理參數(shù)采集系統(tǒng)，使用會更加方便，用戶感受零負擔，實時性也更好，且可以預留足夠的空間放置各種傳感器和控制芯片。

3 本系統(tǒng)特點

具有多生理參數(shù)采集系統(tǒng)的智能服裝具有以下特點。

3.1 可以同時對多種生理參數(shù)采集

相對于傳統(tǒng)的血氧儀，溫度計等醫(yī)療器械只能對單一的生理參數(shù)采集，該智能服裝可以同時對多種數(shù)據(jù)進行采集，節(jié)約了大量的監(jiān)測時間

3.2 可穿戴性

相對于傳統(tǒng)的醫(yī)療器械，該多生理參數(shù)采集系統(tǒng)嵌套在了衣服里面，使得它可以測得穿戴者在運動中的生理情況，讓穿戴者可以對自己的身體情況有了更清楚的認知，如果放在運動員，軍人或者是學生的軍訓中都有者光明的前景。

3.3 操作簡單

該多生理參數(shù)采集系統(tǒng)設計開發(fā)的App操作界面簡單，簡單明了，而且配備了一個OLED顯示屏，在沒有智能手機的情況下也可以對自己的生理數(shù)據(jù)進行觀測。

3.4 具有預警功能

該多生理參數(shù)采集系統(tǒng)通過監(jiān)測用戶的多種生理數(shù)據(jù)，當用戶的多種生理數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴重異常的情況下，就會通過蜂鳴報警器進行預警，可以在一定程度上保證穿戴者的安全。

3.5 可交互性

智能服裝通過與手機藍牙連接，實時地把數(shù)據(jù)傳遞在手機上，用戶可以實時看到自己的生理數(shù)據(jù)的情況，讓用戶可以對自己的身體情況進行實時監(jiān)測。

4 系統(tǒng)總體結構設計

本文設計的智能衣服上的多生理參數(shù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)W生體育運動時的心率、體溫、呼吸等生理參數(shù)進行實時采集，最終通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機端，并且設置閾值，當學生生理數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴重異常的時候，蜂鳴器立即報警，方便老師和教官對學生訓練進行智能化監(jiān)測管理。數(shù)據(jù)的采集主要采用呼吸、心率和血氧采集模塊和DS18B20溫度采集模塊和ADXL345三軸重力加速度采集模塊，實現(xiàn)對心率、體溫、呼吸等生理參數(shù)的采集。數(shù)據(jù)的傳遞通過藍牙模塊來實現(xiàn)的，藍牙模塊與手機配對，將數(shù)據(jù)實時的傳遞到手機端，實現(xiàn)對生理數(shù)據(jù)的實時檢測。

5 主要模塊電路的設計

5.1 JDY-31藍牙傳輸模塊

本藍牙模塊就是專門為無線數(shù)據(jù)傳輸打造的，支持SP藍牙串口協(xié)議，通過與用戶手機的藍牙配對，就可以實時地將單片機采集到的數(shù)據(jù)傳遞到手機App端，完成由機器到人的交互。

5.2 心電、呼吸和溫度采集模塊

5.2.1 呼吸、心率、血氧采集模塊。本項目是采用MQ-R光電傳感器，它可以檢測心率、血氧、呼吸率3項參數(shù)。通過該模塊，可以完成對穿戴者心率、血氧、呼吸率3項參數(shù)的采集，并且因為集成度高非常符合智能衣服的開發(fā)。

5.2.2 溫度監(jiān)測模塊。DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。其測溫范圍-55℃～+125℃，完全可以應對穿戴者所處的各種環(huán)境，并且可以支持多點組網(wǎng)功能，實現(xiàn)多點測溫。通過DS18B20對人體體溫數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，之后通過32單片機采集和轉發(fā)，完成對人體溫數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

5.3 ADXL345三軸加速度傳感器模塊

ADXL345加速度傳感器是一款體積較小的超低功耗數(shù)字化加速度傳感器，它由三軸加速度傳感器、敏感電子元件、模數(shù)轉換、數(shù)字濾波、電源管理和邏輯控制、串行端口組成，可以完成對穿戴者加速度數(shù)據(jù)的采集。通過STM32單片機的采集、傳遞和中斷計數(shù)，就可以對穿戴者運動距離進行監(jiān)測。

6 多生理參數(shù)采集系統(tǒng)對應的手機App的開發(fā)

本項目通過軟件Appinventor進行開發(fā)的，Google App Inventor是一個完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境，拋棄復雜的程式代碼而使用積木式的堆疊法來完成Android程式，開發(fā)簡單快捷。

主界面會顯示用戶的實時數(shù)據(jù)，如圖1所示，用戶就可以對自己的生理數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)測，操作簡單明了。

圖1 App主界面

7 智能服裝的創(chuàng)新點

與通常的衣服相比較本項目可以穿戴者的心率，血氧，溫度，運動距離等多種數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)多，集成度高，衣服智能化程度高。

該智能衣服除了配套的App外，還設計了一塊OLED實時顯示屏，使得用戶對自己生理數(shù)據(jù)觀察時候，可以不借助手機，提高了智能衣服的便利性。

本系統(tǒng)采用了柔性電路板，除使得衣服更舒服外，傳感器與身體接觸的更好了，采集的數(shù)據(jù)更加精準。

硬件上還設置了報警裝置，當用戶的生理數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴重異常時，提醒用戶注意，或者是，當用戶出現(xiàn)中暑或者是心率驟停的時候，能夠及時吸引周圍人的注意。

8 結束語

軍訓學生等特殊人群都需要對身體情況進行特別關心，但是正常情況難以對其生理數(shù)據(jù)進行實時的檢測，基于此方面的需求開發(fā)了一套智能衣服上的多生理參數(shù)采集系統(tǒng)，可以完成對穿戴者訓練過程中生理數(shù)據(jù)和運動距離的實時采集，配套的App可以幫助教官和老師了解到學生訓練的具體情況，合理調(diào)整學生的訓練強度。可以預測，一旦產(chǎn)品進入市場，一定會有很大需求，在市場中肯定頗具競爭力。相信本文的研究會為未來智能衣服的研制和開發(fā)奠定自己的基礎。