一種基于反射式光電傳感器的智能心率腕表

趙志勇等

摘 要：老年人的身體健康問題已受到社會的廣泛關注，面臨突發疾病，無法及時就醫，在很大程度上提高了老年疾病的致死率。本文通過對發射式光電傳感器的研究，提出了一種用于監測心率的智能腕表，可應用于突發老年疾病的監測與報警，文章將就該產品的系統框架、主要模塊原理、應用價值等方面做詳細的闡述。

關鍵詞：反射式光電傳感器；心率監測；脈搏；老年人；藍牙；腕表

1 引言

近年來心腦血管疾病極大的影響了老年人的健康，因此心腦血管疾病的預防和治療成為了醫學領域的一大課題，心腦血管發病急，致命性強，但發病時如果能及時進行救治會大大減輕其危害，針對此特點市場上出現了一批用于檢測心率的儀器設備，但由于其心率采集方式多為擠壓式而不能長時間使用。在此我們提出了這種基于反射式光電傳感器的智能心率監測腕表，可長時間佩戴不影響老人的正常活動。另外最近社會上在老人摔倒后出現了扶與不扶的問題，就此我們在腕表中加入自動錄音模塊，此功能可為發生意外是責任人的認定提供一定依據。

2 系統總體設計

2.1 系統整體框架

本智能心率監測腕表由數據采集終端和核心數據處理器組成。數據采集終端采用腕表形式將最新科技的反射式光電感應心率感應傳感器、藍牙發送模塊封裝于其內。通過心率感應傳感器采集人體心率數據，并通過藍牙將采集的心率數據傳輸到數據處理器，數據處理器的藍牙將接收的數據傳送到處理器STM32f103中，STM32f103進行數據比對，當心率實測值≥最高警戒值或心率實測值<最低警戒值時，STM32f103將控制GSM模塊向監護人的手機撥打報警電話，并啟動GPS定位系統，然后將定位信息以短消息的形式發送到監護人手機，以便監護人能及時了解心臟病突發病人的具體信息，在第一時間進行救治，另外，在腕表側面裝有SOS鍵，在緊急時刻可以進行一鍵報警，內部裝有自動錄音裝置，在發生意外時進行自動錄音，為責任方的確認提供事實依據。系統總體框圖如圖1-1

3 系統硬件設計

3.1 心率測量

3.1.1 測量原理

利用波長為960nm的光束照射皮膚表面，光束將通過反射的方式傳送到光電接收器。在此過程中由于受到皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器監測到的光強度將減弱，其中皮膚、肌肉、組織等對光的吸收再整個血液循環中是保持恒定不變的，而皮膚內的血液容積在心臟作用下呈現搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大，檢測到的光強最少，當心臟舒張時，正好相反，檢測到光強最大，是光接收器檢測到的光強度隨之成脈動性變化，將此光強度變化信號轉化為電信號便可獲得脈搏的相關信息。

3.1.2 反射式光電傳感器

反射式光電傳感器與皮膚接觸時紅外發光管發出波長為960nm的紅外光經反射后進入紅外接收管此時光強已減弱，并此時光強信號呈脈動性變化，經光電轉換后使其輸出電流發生同樣規律的改變，這樣就實現了對心率信號的提取。傳感器及外圍電路框圖如圖1-2。

紅外發射電路為紅外發光管提供適當的驅動電流使其發出960nm的紅外光.紅外檢測電路為光敏管設置一合適的靜態工作點。由于傳感器的輸出阻抗較大，且輸出電流很小，若直接進行放大則信號的損失過大，因此通過阻抗變換電路對傳感器的輸出電阻進行變換，以使放大電路獲得較高的增益。

3.1.3 信號處理電路

由傳感器提取出的脈搏信號極其微弱很小，并且含有較高頻率的干擾信號，為從中獲取有效信號需對此信號進行一系列的處理.信號處理電路框圖如圖1-3

由于脈搏的頻率很低，而干擾信號又具有較高的頻率，因此采用二階低通濾波電路對干擾信號進行濾波。傳感器輸出的信號非常小，采用多級放大電路進行信號放大。經過放大的信號如果直接利用遲滯比較器進行整形將引人新的干擾，為此在遲滯比較器前設計了積分電路保證最終獲得可靠的心率信號。

3.2 系統運算處理單元電路

信號運算處理單元電路由STM32f103、藍牙模塊、GPS模塊、GSM模塊、錄音模塊、聲光器件構成，STM32負責對提取出的脈搏信號進行處理，根據處理結果控制其它模塊進行工作，實現心率監測、報警、定位、錄音等功能。

4 結論

本文所提出的智能心率監測腕表解決了傳統擠壓式心率監測儀器不便攜帶的缺陷，可進行廣時間區間的心率監測。其攜帶的由聲光報警、一鍵SOS與GSM求救短信發送功能所組成的緊急情況自救系統，能夠在很大程度上提高中老年人在突發疾病情況下的存活率，具有明顯的實用價值。隨著單孩家庭的普遍，老齡化社會的趨近，該產品的社會意義也將日益體現，得到廣泛應用。

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