一款健康穿戴設備的設計與研究

董文斌 閆思卿 朱明玉 田明銘 楊振潔 河北農業大學

一款健康穿戴設備的設計與研究

董文斌 閆思卿 朱明玉 田明銘 楊振潔 河北農業大學

現如今預防和及時應對老年人突發疾病，為老年人健康保駕護航成為亟待解決的問題。本文介紹了一種基于STM32、ThinkGear腦電波采集模塊、Pulse Sensor心率傳感器，MPU6050模塊，藍牙模塊為核心的智能可穿戴硬件的設計與研究方案。本方案中各傳感器分工協作，采集佩戴者的各方面健康信息，并通過核心MCU進行數據處理、分析、整合，最終通過無線傳輸的方式將信息反饋到佩戴者的手機APP中，用戶可實時、直觀、清晰的了解自身的健康狀況。

互聯網+健康 智能可穿戴 腦電波 心率 無線傳輸

1 引言

近幾年來，中國老齡化程度不斷加重。預計在2020年，老年人數量將達到2.48億，老齡化水平達到17.17%，其中80歲及以上老年人將達到3067萬，空巢老人數量激增，如何有效預防和應對老年人突發狀況成為一大難題。對于身體較差老年人需有專人時時監護其健康狀況，耗費大量人力、時間和資金。對此，我們利用Gokit2,Thinkgear,Pulse Sensor心率傳感器等開發設計了一套可以實時檢測反饋用戶健康狀況的智能可穿戴硬件有效改善這一現狀。

2 總體設計方案

本設計以智能可穿戴設備為依托，通過便攜式微型傳感器采集人的腦電波、心率等指標，并將采集到的腦電波、心率等模擬信號轉換成數字信號，以藍牙無線模塊進行傳輸，并配備專門app分析接收數據，通過數據對比、曲線擬合等大數據運維及分析技術，向佩戴者及其家屬反饋被測人健康信息，并附加運動度，久坐提醒、情緒波動程度等方面的監控，完成疾病預防與健康檢測功能，實現便捷準確實時的了解及應對老年人突發狀況問題。

3 系統硬件設計

本設備包括三個部分：數據采集部分、數據處理部分、無線傳輸部分。

3.1 數據采集部分

3.1.1 ThinkGear模塊

美國Neurosky公司全力研發的腦電圖傳感器不同于普通醫院中需要涂抹導電膠的濕性傳感器而且具有強大的降噪功能，因此更適合用于可佩戴硬件的設計，此模塊通過單EEG腦電通道+地線+參考電極的采集方式，可獲得512Hz原始腦電信號，及佩戴者α、β、γ等腦電波形及專注度眨眼等狀態。

3.1.2 Pulse Sensor心率傳感器

Pulse Sensor是一種可以測量心率脈搏的光電反射式的模擬類型傳感器。此模塊根據人體組織在血管搏動所造成的透光率不同的原理——光電容積法來測量心率，此模塊由光發射器、光接收器、低通濾波器、運算放大器等組成，客服了心電信號提取、血壓測量等傳統測量方式長時間測量造成使用者心理與生理上的不舒適感的弊端。

3.1.3 mpu6050角度傳感器

6050是一個集成了3軸加速度計和三軸MEMS陀螺儀的9軸運動傳感器，其運用3路ADC采集模擬量并將其輸出為數字量，系統通過I2C協議從EEPROM寫入或者讀取數據，以實現使用者運動狀態的監測和步數的計算。

3.2 數據處理部分

數據處理部分采用32位stm32微控制器，其具有運算速度迅速，資源豐富，便于開發，微控制器將各個傳感器采集到的數據整合處理，并將其通過藍牙發送給手機客戶端。

3.3 無線傳輸部分

HC-05無線傳輸。模塊本身采用BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.0標準+EDR協議，且擁有2.4Ghz PCB射頻天線，通過AT指令配置其工作模式可以使其實現硬件本身與手機客戶端通過UART的方式進行通信傳輸，傳輸距離達到20米以上可以保證極高的傳輸質量。

4 軟件設計

（1）系統初始化，其中包括主控MCU及ThinkGear、Pulse Sensor、mpu6050、hc-05等各個傳感器的初始參數的配置。

（2）藍牙模塊與app客戶端進行鏈接，為數據傳輸提供前提。

（3）各個傳感器進行數據采集并傳遞給主控芯片，主控芯片進行數據分析與處理，并將整合好的數據通過藍牙傳輸給手機客戶端。

（4）客戶端獲取數據，顯示數據波形，以直觀的數值形式將用戶的專注度，疲勞度，心率，行走量等數據反饋給用戶。

腦電信號采集過程如圖1。

圖1 腦電采集流程圖

心率信號采集過程如圖2。

5 客戶端設計

手機客戶端首先具有綁定硬件本身功能，其次是顯示基本用戶信息，如心率、專注度、疲勞狀態、每日行走量等，其接收到從攜帶設備上傳輸的信息后，采用圖形仿真、智能分析、曲線擬合等方式匯出數據圖形與正常數據圖形進行對比得出差異性從而判斷使用者的身體狀況和精神狀態，從而進行健康性分析與疾病預測等。

圖2 心率采集流程圖

6 結語

本文設計了一種可穿戴智能硬件設備，用戶及其家屬通過該穿戴設備直觀的體會到佩戴的精神狀況與健康狀態，并根據相關建議改善自身生活習慣等，其對疾病監測、疾病預防、健康生活具有極其深遠的影響。

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