“心芯相印”智能手環

呂露嬋，李睿婕，張文博，惠宇琛，周陽

摘要：經考察現今市面所流行的多款智能手環，發現大多數手環定位用戶群為年輕一代，在交互性、健康檢測、健康協助等健康醫療方面依舊存在很多不足。而在當今社會，人口老齡化加劇，許多家庭面臨老人獨自生活，無法及時關注自身健康狀況的問題。為改善這些情況，開發設計了該款定位在健康醫療方面的“心芯相印”智能手環。幫助每個人都能隨時關注自身健康狀況，讓身體健康問題不再成為每一個家庭、每一個人的“心腹大患”，而成為隨時關注，隨時解決的日常。

關鍵詞：移動智能手環;醫療領域;睡眠;GPS系統;智慧養老

中圖分類號：TP3? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）20-0121-03

1 項目背景

現代社會科技發展日新月異，各種各樣的可穿戴設備使得人們的生活愈發便捷、娛樂，而在如今中老齡人群所占比重愈發增大。社會急切需要一款針對該群體所涉及的智能化手環設備改善使用者的健康監測情況，并且在使用者健康出現緊急情況時可及時獲得救援支持。本文研究的手環能定位在老年人，實時監測老人的心率、血壓和一些運動指標值，并能實時顯示這些數據，為老人的健康管理提供有效的參考[1]。

2系統設計

“心芯相印”智能手環主要服務于健康醫療市場，可以做到減少醫療資源的浪費、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警保護功能。該產品主要由設備和App構成：其中設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、藍牙模塊、存儲模塊、報警模塊、電源模塊、顯示器模塊。App主要為“心芯相印系統”“健康管家”“GPS定位”等功能。

2.1硬件電路設計部分

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、藍牙模塊、存儲模塊、“心芯相印”報警模塊、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模數轉換，再經單片機處理得到血氧和心率。

2.1.2藍牙模塊

系統與 Android 智能手機之間采用藍牙通信，藍牙模塊兼容 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 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、高時鐘頻率、支持 3.3V 供電等特點，還可用于記錄已配對的手環和設備。

2.1.4“心芯相印”報警模塊

該系統通過心率估計人體體溫，當心率在某一時間段內恒大于一 定值時，判斷為發熱（人體發熱時，心率會加快，體溫每升高 1℃，心率平均加快 12～18 次/分），蜂鳴器便報警。

2.1.5電源模塊

系統用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，經穩壓芯片穩壓后輸出。

2.1.6服務器模塊

系統采集到的數據發送到手機后，通過網絡上傳到服務器，在服務器端保存原始數據，便于研究人員進行后續的相關分析。

2.1.7顯示器模塊

系統將采集到的數據進行處理后，在液晶顯示屏上顯示出來。

2.2軟件部分功能介紹

2.2.1手環與App配對

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

2.2.2手環與手環配對

該系統還提供在競技模式下，手環可與其他手環配對并選擇出管理員，管理員可以看到各個隊員的狀態指標，可以提醒隊員是否需調整和隨時進行隊員更換，管理員手環在連接手機App的情況下，App會根據不同的競技項目，分析出那些隊員狀態不佳，或者需要更替。

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

2.2.3睡眠檢測

當人深度熟睡的時候基本上身體是基本不動的，睡眠開始入睡到淺睡，到深度再逐步轉入到淺睡眠。根據加速度傳感器記錄數據，并根據條件判斷是否進入睡眠。如圖3睡眠監測流程。

2.2.4運動檢測

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三個維度，有了這3個維度，手環就可以捕捉到手環在使用中的加速度變化，從而生成數據。如圖4運動檢測流程圖。

2.2.5血氧飽和度測量

血氧飽和度的測定是用LED交替打開或關閉使手環可以發出不同波段的光，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，進行信號萃取，從而測得。如圖5血氧飽和度監測流程圖。

2.2.6 測量血壓

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

2.2.7測量脈搏

通過測量反射光來監測心跳，具體過程如下：手環將一束光打在皮膚上，當心臟泵血時，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會產生顏色不同的反射光，手環正是通過檢測這些反射光來記錄心率的。