低功耗可穿戴檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方 瑤， 劉和劍

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

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低功耗可穿戴檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方 瑤， 劉和劍

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

設(shè)計(jì)了便攜健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)，方便攜帶，完成心率情況的監(jiān)測(cè)并保存數(shù)據(jù)。醫(yī)護(hù)人員及家屬可以直接查看產(chǎn)品保存的有關(guān)所測(cè)的心率等各項(xiàng)信息，通過此產(chǎn)品既能隨時(shí)對(duì)身體健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也能夠?qū)ζ溥M(jìn)行長(zhǎng)期地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得到完整的各方面的關(guān)于臨床診斷的數(shù)據(jù)。

低功耗；可穿戴檢測(cè)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1　系統(tǒng)功能需求及技術(shù)指標(biāo)

(1)精確判斷使用者的心率；

(2)能將獲取到的心率顯示出來(lái)；

(3)將心率儲(chǔ)存到非易失鐵電中，并在下次使用時(shí)顯示；

(4)當(dāng)心率異常的時(shí)候報(bào)警提示。

2　微處理器模塊設(shè)計(jì)

CC2541 是一款針對(duì)低能耗以及 2.4GHz 應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng) (SoC) 解決方案。 它使得使用低總體物料清單成本建立強(qiáng)健網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為可能。 CC2541 將領(lǐng)先 RF 收發(fā)器的出色性能和一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲(chǔ)器、8kb RAM 和很多其它功能強(qiáng)大的特性和外設(shè)組合在一起。 CC2541 非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。 這由多種不同的運(yùn)行模式指定。 運(yùn)行模式間較短的轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)一步使低能耗變?yōu)榭赡埽?.4GHz符合低能耗規(guī)范和私有的 RF 片載系統(tǒng), 支持 250kbit/s、500kbit/s、1Mbit/s，2Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率。核心原理如圖1所示。

圖1　CC2541片載系統(tǒng)電路原理

3　心率監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

心率的含義是人在1 min內(nèi)心臟跳動(dòng)的有效次數(shù)。人的身體健康狀態(tài)取決于人心臟跳動(dòng)的是否規(guī)律。心率對(duì)人身體的健康影響很大，數(shù)據(jù)表明：同是處在安靜狀態(tài)下，心率偏快的人收縮壓和舒張壓都高于心率正常的人，如果長(zhǎng)時(shí)間心率加快會(huì)促使人患上心血管疾病，最嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致人死亡。所以在這種前提下，對(duì)心率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是很有必要的。

該設(shè)計(jì)具有使用光電容積法的心率傳感模塊，光電容積法主要是利用人體組織不同的透光率來(lái)對(duì)脈搏進(jìn)行測(cè)量。傳感器的使用可分為兩部分：光源和光電轉(zhuǎn)換器，它們是通過不同的方法固定在患者的手指或耳垂上的。光源選用的發(fā)光二極管對(duì)動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白具有可以選擇的波長(zhǎng)反應(yīng)。光束透過人體的動(dòng)脈血管的時(shí)候，動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積改變了，導(dǎo)致光的透光率也發(fā)生了改變，這時(shí)反射的光線被光電轉(zhuǎn)換器說接收，緊接著將其變?yōu)殡娦盘?hào)后放大輸出。由于脈搏和血管容積都是周期性變化的，所以可以得出結(jié)論：脈搏率可以看做是光電轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)變化周期。研究表明，最適合提取脈搏信號(hào)的波是560nm 的波，它能將皮膚淺部微動(dòng)脈的信息直接地顯示出來(lái)。此傳感器使用的綠光 LED的峰值波長(zhǎng)為 515nm，是一款靈敏度高的環(huán)境光感受器，它具有565nm的感受峰值波長(zhǎng)，峰值波長(zhǎng)都很相似。除此之外，由于脈搏信號(hào)的頻帶、信號(hào)幅度均很小，所以抗干擾能力低。由于較低的抗干擾能力需要在感受器后面使用低通濾波器和放大器，用來(lái)放大信號(hào)。與此同時(shí)，需要把直流偏置電壓設(shè)置成電源電壓的一半，這樣單片機(jī)的AD就可以更容易收集到放大后的信號(hào)。其原理如圖2所示。

圖2心率監(jiān)測(cè)模塊電路原理

4　心率傳感器和心率的計(jì)算

心率傳感器在軟件上進(jìn)行了心電信號(hào)預(yù)處理和基本特征點(diǎn)檢測(cè)的研究。由于脈搏信號(hào)的頻帶、信號(hào)幅度均很小，所以抗干擾能力低。由于較低的抗干擾能力需要在感受器后面使用低通濾波器和放大器，用來(lái)放大信號(hào)。與此同時(shí)，需要把直流偏置電壓設(shè)置成電源電壓的一半，這樣單片機(jī)的AD就可以更容易收集到放大后的信號(hào)。通過這樣來(lái)計(jì)算和判斷心率以及IBI等參數(shù)，具體流程圖如圖3所示。

5　結(jié)論

通過測(cè)試，該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，但在測(cè)量中，誤差難以避免，可以通過算法的優(yōu)化來(lái)減少誤差的產(chǎn)生，讓獲取到的值更加精確。在設(shè)計(jì)中，主要通過時(shí)間閥值方法,在定時(shí)器中斷中將ADC采樣到的數(shù)值進(jìn)行判斷后得到心率。

[1]何健,趙怡冰.居家式社區(qū)養(yǎng)老模式可行性分析[J].市場(chǎng)周刊(理論研究), 2013.

[2]侯愛葒．便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)壓縮算法[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2005.

圖3　心率及IBI計(jì)算流程

[3]Casey R,Ben F．Processing語(yǔ)言權(quán)威指南[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[4]Ning J.AN-1023應(yīng)用筆記[R]．上海：亞德諾半導(dǎo)體，2011.

[5]吳亞峰,蘇亞光．Android應(yīng)用案例開發(fā)大全[M]．北京:人民郵電出版社，2010.

2016-06-22

方瑤(1993—)，男，蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)生。

劉和劍(1971—)，男，講師，主要從事電子信息科學(xué)與技術(shù)的教學(xué)與研究工作。

TP302.1

A

1674-9944(2016)16-0254-02