面向智能服裝的心率采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

趙　婧，范秀娟

面向智能服裝的心率采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

趙婧，范秀娟

（北京服裝學(xué)院信息工程學(xué)院，北京100029）

結(jié)合智能服裝與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用一種新型的光電反射式模擬傳感器，設(shè)計(jì)出一款可以隨身攜帶的心率采集監(jiān)測模塊。該模塊不僅可以實(shí)時(shí)地采集脈搏心率情況，同時(shí)可以將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測的數(shù)值超過或者低于正常的閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，方便救援人員及時(shí)救助。此心率采集模塊體積小、方便攜帶，將其嵌入到服裝設(shè)計(jì)中，同樣可以應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、野外探險(xiǎn)等多個(gè)領(lǐng)域，這種設(shè)計(jì)是服裝藝術(shù)和無線電子相結(jié)合的又一新興產(chǎn)物，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

智能服裝；心率；脈搏；ZigBee；實(shí)時(shí)監(jiān)測；pulsesensor

0　引言

從2013年開始，智能腕表、手環(huán)、眼鏡陸續(xù)進(jìn)入大眾視野，成為“潮人”們追捧的對象，這一年更被業(yè)界認(rèn)定為“可穿戴設(shè)備元年”。簡單來說，可穿戴設(shè)備就是指可以直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件上的一種便攜式設(shè)備。然而隨著無線傳感器技術(shù)的發(fā)展，各式各樣的可穿戴的智能服裝也逐步出現(xiàn)在人們的生活中，智能服裝就是把小型的芯片、電子元器件、電源等設(shè)備嵌入到服裝中，可以實(shí)現(xiàn)特定的功能，以此方便人們的生活［1］。本文所設(shè)計(jì)的心率采集監(jiān)測模塊采用市面上最先進(jìn)的光電反射式傳感器，它不同于以往的壓電式、壓膜式傳感器，具有很高的靈敏度。同時(shí)，本文專門對服裝的口袋進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，對脈搏傳感器進(jìn)行安放，可以更加方便地對人體的脈搏進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測。

1　光電反射式傳感器工作原理

Pulsesensor是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。采用光電容積法的原理對信號進(jìn)行采集，將其佩戴于手指或耳垂等處，利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率的不同來測量脈搏。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏頻率［2］。

1.1系統(tǒng)功能模塊劃分

本文整體系統(tǒng)的功能模塊劃分如圖1所示，包括采集模塊、微處理模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊等。

圖1　系統(tǒng)功能模塊圖

1.2整形電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整形電路采用四電壓比較器LM339和若干電阻電容構(gòu)成單限電壓比較電路［3］。圖2所示為整形部分的電路原理圖，由于脈搏信號經(jīng)整形后為幅值為2～3 V的方波信號，因此將閾值電壓設(shè)定為2.5 V較為合適，整個(gè)電路由+5 V直流電壓源供電，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定后，R2的最佳值為10 kΩ。通過整形電路可以方便實(shí)現(xiàn)對脈搏數(shù)目的統(tǒng)計(jì)，為后期上位機(jī)的監(jiān)測提供條件。

圖2　整形電路原理圖

2　心率信號處理模塊的設(shè)計(jì)

為了得到正確的脈搏頻率，可用設(shè)置中斷的手段來實(shí)現(xiàn)功能［4］。將I/O口P1.3設(shè)置為外部中斷口，輸入信號下降沿可觸發(fā)外部中斷使系統(tǒng)進(jìn)入外部中斷服務(wù)子程序，每進(jìn)入一次服務(wù)子程序脈搏計(jì)數(shù)器加1，與此同時(shí)定時(shí)器1定時(shí)用戶自定義的時(shí)間周期。一旦到達(dá)定時(shí)時(shí)間則讀取計(jì)數(shù)器里的值，讀完清空各寄存器以便下次計(jì)數(shù)。圖3為本系統(tǒng)脈搏采集模塊的協(xié)調(diào)器流程圖，圖4為心率采集過程流程圖。

圖3　脈搏采集模塊協(xié)調(diào)器流程圖

圖4　心率采集流程圖

3　心率采集監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

當(dāng)傳感器采集到脈搏數(shù)值后，會(huì)通過ZigBee協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程終端［5］，實(shí)時(shí)地顯示被測者的心率情況，通過編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)折線圖的繪制，對心率變化的趨勢進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，一旦發(fā)生異常時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警［6］，以方便救援，把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。圖5為某測試者心率正常時(shí)（基本穩(wěn)定在84次/min）的監(jiān)測曲線，圖6為另一測試者心率不正常時(shí)（如50次/min）觸發(fā)報(bào)警，綠燈變紅燈同時(shí)發(fā)出鳴笛聲。

圖5　某測試者心率正常時(shí)監(jiān)測界面

圖6　心率有問題時(shí)的監(jiān)測界面

4　心率采集裝置在智能服裝上的測試結(jié)果

本文將脈搏采集裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、電源模塊等進(jìn)行了封裝處理，同時(shí)，設(shè)計(jì)了特殊的口袋對采集模塊進(jìn)行了固定和安置，在口袋的底部設(shè)計(jì)有特殊的小孔可以走線，使光電傳感器外露，如圖7所示。為了保證所測心率的精度，本文對傳感器進(jìn)行了黑色遮光處理，可以套在手指上，如圖8所示，方便測量。

圖7　智能服裝上的心率采集裝置

圖8　心率傳感器遮光采集

5　結(jié)論

可穿戴技術(shù)既面臨機(jī)遇又面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［7］，本文基于ZigBee協(xié)議采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一

款可穿戴的脈搏心率采集監(jiān)測裝置，該裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)對脈搏的實(shí)時(shí)采集，也可以通過遠(yuǎn)程終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。大數(shù)據(jù)的時(shí)代背景以及信息化智能化的科技產(chǎn)品會(huì)在今后改變?nèi)藗兊纳罘绞剑?］，而本文設(shè)計(jì)的可穿戴脈搏監(jiān)測系統(tǒng)也是服裝領(lǐng)域和電子通信領(lǐng)域相結(jié)合的又一新興產(chǎn)物，在智能服裝的發(fā)展方面有著非常重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

［1］田苗，李俊.智能服裝的設(shè)計(jì)模式與發(fā)展趨勢［J］.紡織學(xué)報(bào)，2014，35（2）：109-115.

［2］徐偉.光電傳感器的研究與應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010 （12）：42，44.

［3］盧超.PVDF型脈搏傳感器信號處理電路的設(shè)計(jì)［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，25（6）：6-10.

［4］黃麗卿.基于光電容積脈搏波的心率變異度檢測方法研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

［5］王秀芳.基于VS2010動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2012，29（5）：3668-3671.

［6］鄭捷文.可穿戴實(shí)時(shí)診斷、報(bào)警、移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)［D］.北京：中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院，2008.

［7］曾惜.可穿戴技術(shù)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇［J］.科技風(fēng)，2014（4）：233，236.

［8］可穿戴技術(shù)大暢想：2015年將人變機(jī)器［J］.奇聞怪事，2013（10）：56-57.

Design of heart rate collection and monitoring system for smart clothing

Zhao Jing，F(xiàn)an Xiujuan
（Institute of Information Engineering，Beijing Institute of Fashion Technology，Beijing 100029，China）

Based on smart clothing technology and wireless sensor network technology，a portable cardiac rate monitoring module was designed in this paper by employing a new type of photoelectric reflection analog sensor.The module can not only capture the pulse of the real-time heart rate，but also send the collected data further to the host computer，thus achieving the goal of remote and real-time monitoring.Once the monitored value is above or below the normal threshold，an alarm signal will be transmitted to facilitate timely rescue by aid workers.Embedded to clothing design，the cardiac rate monitoring module，with a small volume and great convenience to carry，can also be widely applied to many fields like medical science，outdoor adventures，etc.By combining apparel art and wireless electronic technology，the design in the paper can serve as another emerging product of very important practical significance.

smart clothing；heart rate；pulse；ZigBee；real-time monitoring；pulsesensor

TP391.4

A

1674-7720（2015）04-0020-02

北京市人才強(qiáng)校計(jì)劃——?jiǎng)?chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（PTTBIFT_TD_002）；研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（X2014-066）

（2014-09-24）

趙婧（1988-），通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：模式識別與智能控制。E-mail：610129412@qq.com。

范秀娟（1962-），女，碩士，教授，主要研究方向：模式識別與智能控制。