可穿戴式多生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張選 金珊 王菲 黃志強(qiáng) 賴珠瓊

吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130012

引言

隨著對(duì)當(dāng)代學(xué)生體質(zhì)健康狀況的關(guān)心，針對(duì)學(xué)生的各種體育活動(dòng)得到不斷重視。但原本應(yīng)該是斗志昂揚(yáng)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，卻因?yàn)楦鞣N因素發(fā)生很多學(xué)生身體不適而暈倒猝死的事情。社會(huì)上的諸如以上的學(xué)生在校進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)突發(fā)暈倒甚至猝死的現(xiàn)象常有發(fā)生，所以對(duì)學(xué)生運(yùn)動(dòng)時(shí)的多項(xiàng)生理特征實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一件急需解決的任務(wù)[1]。本文主要研究一種可對(duì)學(xué)生的體溫、心率、呼吸率等多項(xiàng)生理特征進(jìn)行一體化監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，并可以應(yīng)用到可穿戴式智能服裝上。本穿戴式學(xué)生體育運(yùn)動(dòng)體質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用傳感器、藍(lán)牙、手機(jī)App等組成。人體可穿戴式智能服裝能夠?qū)W(xué)生體育運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率、呼吸、體溫等多項(xiàng)生理指標(biāo)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生運(yùn)動(dòng)的距離，然后通過(guò)藍(lán)牙傳遞到手機(jī)端，當(dāng)穿戴者生理數(shù)據(jù)嚴(yán)重異常時(shí)，蜂鳴報(bào)警器立即報(bào)警，相關(guān)教官、教師可立即采取措施，對(duì)學(xué)生的訓(xùn)練量進(jìn)行及時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，做到科學(xué)有效防止學(xué)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(shí)的軍訓(xùn)生活，同時(shí)也是為了通過(guò)實(shí)際訓(xùn)練來(lái)增強(qiáng)學(xué)生體質(zhì)，但由于現(xiàn)在學(xué)生身體素質(zhì)較差，亞健康現(xiàn)象普遍，原本應(yīng)該是斗志昂揚(yáng)的軍訓(xùn)場(chǎng)，卻因?yàn)楦鞣N不同原因，有很多學(xué)生“暈倒”。 據(jù)相關(guān)報(bào)道，某市某高中招收了1300名新生，在軍訓(xùn)期間，前后有130多名學(xué)生暈倒，占參加軍訓(xùn)學(xué)生總數(shù)的10%。然而這還不是最嚴(yán)重的，最悲劇的是有人在軍訓(xùn)中暈倒身亡：武漢一名年僅14歲中學(xué)生夜跑時(shí)突然倒地，市某高校女大學(xué)生小雯（化名）在軍訓(xùn)時(shí)意外摔倒，心臟驟停，120急救車趕到時(shí)已沒(méi)了生命體征[2]。可見，及時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)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(dǎo)致身體高熱，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致死亡。可見，及時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的呼吸與溫度等生理數(shù)據(jù)的重要性。社會(huì)上的諸如以上的學(xué)生在校進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)突發(fā)暈倒甚至猝死的現(xiàn)象常有發(fā)生，所以對(duì)學(xué)生運(yùn)動(dòng)時(shí)的多項(xiàng)生理特征實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一件急需解決的任務(wù)。

2 國(guó)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(guò)傳感器采集各種參數(shù)，再通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理分析、遠(yuǎn)程控制等，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析、遠(yuǎn)程傳輸各種生理指標(biāo)，這樣的設(shè)備稱為可穿戴式設(shè)備。隨著小型電子設(shè)備、智能手機(jī)和通信技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。最早出現(xiàn)的可穿戴式設(shè)備由于芯片集成度不夠高，電池體積大，導(dǎo)致設(shè)備略顯笨重，需要頻繁充電，使用起來(lái)很不方便[3]。隨著穿戴式設(shè)備的發(fā)展，技術(shù)越來(lái)越成熟，不斷朝著多參融合的目標(biāo)努力，芯片集成度越來(lái)越高，監(jiān)測(cè)的生理指標(biāo)越來(lái)越多，設(shè)備越來(lái)越精巧，舒適度大大提高。其中監(jiān)測(cè)的生理指標(biāo)主要有溫度、心率、呼吸率及一些運(yùn)動(dòng)信號(hào)參數(shù)如加速度、步數(shù)等等。近年來(lái)，人們的生活品質(zhì)逐漸提高，對(duì)醫(yī)療質(zhì)量的要求不斷提高，這極大地推動(dòng)了可穿戴式設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，掀起了國(guó)內(nèi)外發(fā)展可穿戴式設(shè)備的熱潮。世界首個(gè)研究穿戴式主板的機(jī)構(gòu)——美國(guó)佐治亞理工學(xué)院，開發(fā)出一個(gè)集心率、呼吸頻率、體溫等生理參數(shù)監(jiān)測(cè)于一體的監(jiān)測(cè)設(shè)備[4]。美國(guó)森沙特公司也于2008年推出一款醫(yī)護(hù)襯衫，它能夠直接監(jiān)測(cè)穿著者的呼吸、體溫等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給醫(yī)院[5]。美國(guó)海軍與美國(guó)GeorgiaTech共同研發(fā)的智能監(jiān)測(cè)服裝的母板（GTWM）是將塑料光纖和電纖維織入織物中，通過(guò)與傳感器和控制單元的連接，可以對(duì)人體生理狀況進(jìn)行評(píng)估，如測(cè)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(huì)更加方便，用戶感受零負(fù)擔(dān)，實(shí)時(shí)性也更好，且可以預(yù)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(diǎn)

具有多生理參數(shù)采集系統(tǒng)的智能服裝具有以下特點(diǎn)。

3.1 可以同時(shí)對(duì)多種生理參數(shù)采集

相對(duì)于傳統(tǒng)的血氧儀，溫度計(jì)等醫(yī)療器械只能對(duì)單一的生理參數(shù)采集，該智能服裝可以同時(shí)對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，節(jié)約了大量的監(jiān)測(cè)時(shí)間

3.2 可穿戴性

相對(duì)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(cè)得穿戴者在運(yùn)動(dòng)中的生理情況，讓穿戴者可以對(duì)自己的身體情況有了更清楚的認(rèn)知，如果放在運(yùn)動(dòng)員，軍人或者是學(xué)生的軍訓(xùn)中都有者光明的前景。

3.3 操作簡(jiǎn)單

該多生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的App操作界面簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單明了，而且配備了一個(gè)OLED顯示屏，在沒(méi)有智能手機(jī)的情況下也可以對(duì)自己的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)。

3.4 具有預(yù)警功能

該多生理參數(shù)采集系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)用戶的多種生理數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶的多種生理數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重異常的情況下，就會(huì)通過(guò)蜂鳴報(bào)警器進(jìn)行預(yù)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(guò)與手機(jī)藍(lán)牙連接，實(shí)時(shí)地把數(shù)據(jù)傳遞在手機(jī)上，用戶可以實(shí)時(shí)看到自己的生理數(shù)據(jù)的情況，讓用戶可以對(duì)自己的身體情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能衣服上的多生理參數(shù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)W(xué)生體育運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率、體溫、呼吸等生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，最終通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端，并且設(shè)置閾值，當(dāng)學(xué)生生理數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重異常的時(shí)候，蜂鳴器立即報(bào)警，方便老師和教官對(duì)學(xué)生訓(xùn)練進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)心率、體溫、呼吸等生理參數(shù)的采集。數(shù)據(jù)的傳遞通過(guò)藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，藍(lán)牙模塊與手機(jī)配對(duì)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳遞到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)對(duì)生理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

5 主要模塊電路的設(shè)計(jì)

5.1 JDY-31藍(lán)牙傳輸模塊

本藍(lán)牙模塊就是專門為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸打造的，支持SP藍(lán)牙串口協(xié)議，通過(guò)與用戶手機(jī)的藍(lán)牙配對(duì)，就可以實(shí)時(shí)地將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳遞到手機(jī)App端，完成由機(jī)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(xiàng)目是采用MQ-R光電傳感器，它可以檢測(cè)心率、血氧、呼吸率3項(xiàng)參數(shù)。通過(guò)該模塊，可以完成對(duì)穿戴者心率、血氧、呼吸率3項(xiàng)參數(shù)的采集，并且因?yàn)榧啥雀叻浅７现悄芤路拈_發(fā)。

5.2.2 溫度監(jiān)測(cè)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(hào)，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。其測(cè)溫范圍-55℃～+125℃，完全可以應(yīng)對(duì)穿戴者所處的各種環(huán)境，并且可以支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。通過(guò)DS18B20對(duì)人體體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，之后通過(guò)32單片機(jī)采集和轉(zhuǎn)發(fā)，完成對(duì)人體溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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(zhuǎn)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(duì)穿戴者加速度數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)STM32單片機(jī)的采集、傳遞和中斷計(jì)數(shù)，就可以對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

6 多生理參數(shù)采集系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的手機(jī)App的開發(fā)

本項(xiàng)目通過(guò)軟件Appinventor進(jìn)行開發(fā)的，Google App Inventor是一個(gè)完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境，拋棄復(fù)雜的程式代碼而使用積木式的堆疊法來(lái)完成Android程式，開發(fā)簡(jiǎn)單快捷。

主界面會(huì)顯示用戶的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖1所示，用戶就可以對(duì)自己的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，操作簡(jiǎn)單明了。

圖1 App主界面

7 智能服裝的創(chuàng)新點(diǎn)

與通常的衣服相比較本項(xiàng)目可以穿戴者的心率，血氧，溫度，運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)了一塊OLED實(shí)時(shí)顯示屏，使得用戶對(duì)自己生理數(shù)據(jù)觀察時(shí)候，可以不借助手機(jī)，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(zhǔn)。

硬件上還設(shè)置了報(bào)警裝置，當(dāng)用戶的生理數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重異常時(shí)，提醒用戶注意，或者是，當(dāng)用戶出現(xiàn)中暑或者是心率驟停的時(shí)候，能夠及時(shí)吸引周圍人的注意。

8 結(jié)束語(yǔ)

軍訓(xùn)學(xué)生等特殊人群都需要對(duì)身體情況進(jìn)行特別關(guān)心，但是正常情況難以對(duì)其生理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，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(duì)穿戴者訓(xùn)練過(guò)程中生理數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)距離的實(shí)時(shí)采集，配套的App可以幫助教官和老師了解到學(xué)生訓(xùn)練的具體情況，合理調(diào)整學(xué)生的訓(xùn)練強(qiáng)度。可以預(yù)測(cè)，一旦產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，一定會(huì)有很大需求，在市場(chǎng)中肯定頗具競(jìng)爭(zhēng)力。相信本文的研究會(huì)為未來(lái)智能衣服的研制和開發(fā)奠定自己的基礎(chǔ)。