低功耗可穿戴檢測系統設計

方 瑤， 劉和劍

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

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低功耗可穿戴檢測系統設計

方 瑤， 劉和劍

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

設計了便攜健康監測系統，采用單片機及外圍電路設計，方便攜帶，完成心率情況的監測并保存數據。醫護人員及家屬可以直接查看產品保存的有關所測的心率等各項信息，通過此產品既能隨時對身體健康狀況進行監測，也能夠對其進行長期地動態監測，得到完整的各方面的關于臨床診斷的數據。

低功耗；可穿戴檢測系統；設計

1　系統功能需求及技術指標

(1)精確判斷使用者的心率；

(2)能將獲取到的心率顯示出來；

(3)將心率儲存到非易失鐵電中，并在下次使用時顯示；

(4)當心率異常的時候報警提示。

2　微處理器模塊設計

CC2541 是一款針對低能耗以及 2.4GHz 應用的功率優化的真正片載系統 (SoC) 解決方案。 它使得使用低總體物料清單成本建立強健網絡節點成為可能。 CC2541 將領先 RF 收發器的出色性能和一個業界標準的增強型 8051 MCU、系統內可編程閃存存儲器、8kb RAM 和很多其它功能強大的特性和外設組合在一起。 CC2541 非常適合應用于需要超低能耗的系統。 這由多種不同的運行模式指定。 運行模式間較短的轉換時間進一步使低能耗變為可能，2.4GHz符合低能耗規范和私有的 RF 片載系統, 支持 250kbit/s、500kbit/s、1Mbit/s，2Mbit/s 的數據速率。核心原理如圖1所示。

圖1　CC2541片載系統電路原理

3　心率監測模塊設計

心率的含義是人在1 min內心臟跳動的有效次數。人的身體健康狀態取決于人心臟跳動的是否規律。心率對人身體的健康影響很大，數據表明：同是處在安靜狀態下，心率偏快的人收縮壓和舒張壓都高于心率正常的人，如果長時間心率加快會促使人患上心血管疾病，最嚴重時可能會導致人死亡。所以在這種前提下，對心率進行實時監控是很有必要的。

該設計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對脈搏進行測量。傳感器的使用可分為兩部分：光源和光電轉換器，它們是通過不同的方法固定在患者的手指或耳垂上的。光源選用的發光二極管對動脈血中氧和血紅蛋白具有可以選擇的波長反應。光束透過人體的動脈血管的時候，動脈搏動充血容積改變了，導致光的透光率也發生了改變，這時反射的光線被光電轉換器說接收，緊接著將其變為電信號后放大輸出。由于脈搏和血管容積都是周期性變化的，所以可以得出結論：脈搏率可以看做是光電轉換器的電信號變化周期。研究表明，最適合提取脈搏信號的波是560nm 的波，它能將皮膚淺部微動脈的信息直接地顯示出來。此傳感器使用的綠光 LED的峰值波長為 515nm，是一款靈敏度高的環境光感受器，它具有565nm的感受峰值波長，峰值波長都很相似。除此之外，由于脈搏信號的頻帶、信號幅度均很小，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，用來放大信號。與此同時，需要把直流偏置電壓設置成電源電壓的一半，這樣單片機的AD就可以更容易收集到放大后的信號。其原理如圖2所示。

圖2心率監測模塊電路原理

4　心率傳感器和心率的計算

心率傳感器在軟件上進行了心電信號預處理和基本特征點檢測的研究。由于脈搏信號的頻帶、信號幅度均很小，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，用來放大信號。與此同時，需要把直流偏置電壓設置成電源電壓的一半，這樣單片機的AD就可以更容易收集到放大后的信號。通過這樣來計算和判斷心率以及IBI等參數，具體流程圖如圖3所示。

5　結論

通過測試，該系統基本實現了設計目標，但在測量中，誤差難以避免，可以通過算法的優化來減少誤差的產生，讓獲取到的值更加精確。在設計中，主要通過時間閥值方法,在定時器中斷中將ADC采樣到的數值進行判斷后得到心率。

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

[2]侯愛葒．便攜式數據采集系統的低功耗設計與數據壓縮算法[M]．北京：航空航天大學出版社，2005.

圖3　心率及IBI計算流程

[3]Casey R,Ben F．Processing語言權威指南[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[4]Ning J.AN-1023應用筆記[R]．上海：亞德諾半導體，2011.

[5]吳亞峰,蘇亞光．Android應用案例開發大全[M]．北京:人民郵電出版社，2010.

2016-06-22

方瑤(1993—)，男，蘇州大學應用技術學院學生。

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

TP302.1

A

1674-9944(2016)16-0254-02