可穿戴式人體健康多參數檢測系統的研究

廣東海洋大學電子與信息工程學院 郭海亮 王 驥 劉詩恒 李鏡輝 莊冠冰

可穿戴式人體健康多參數檢測系統的研究

廣東海洋大學電子與信息工程學院 郭海亮 王 驥 劉詩恒 李鏡輝 莊冠冰

本文采用集成度高的傳感器、藍牙低功耗BLE通信和移動通信一體化融合技術構建了多參數可穿戴式系統的模型，闡明了它們的工作原理，分析了多參數可穿戴式系統的核心技術。

智能可穿戴；心率；計步；睡眠；移動通信；藍牙BLE；傳感器

1 引言

20世紀60年代，美國的學者提出了可穿戴技術這一概念，向人們展示了未來的技術方向，其核心在于那些與人體親密接觸的可穿戴的硬件設備，具備更加智能化的信息收集技術，可以實時地獲取重要的人體和外界環境的數據，并快速訪問網絡進行社交聯系與分享，還可以利用大數據和云計算參與分析。由于可穿戴設備與人體緊密聯系，可以實時獲取人體準確的運動和健康數據，在結合其他技術的配合，可以實現更加便利的健康服務以及社交上的互動分享等[1][2]。

可穿戴技術的重要分支和產品之一是智能手表以及智能手環產品。智能手表不僅可以滿足普通人對手表的要求，還可以完成諸如醫療健康和運動相關功能（心率監測，計步卡路里計算，睡眠監測等等），還可以完成即時通信，社交分享，定位跟蹤，甚至電話和信息管理和瀏覽網頁等一些智能手機才有的功能，不可否認，這是可穿戴技術發展的一大趨勢。

面對這樣一種主流趨勢，選用了藍牙4.0低功耗無線通信技術作為核心的通信技術，系統具備現有智能手表的特色功能，比如心率監測，計步測量及相關健康與運動分析功能，傳感器數據的顯示以及和專門設計的在安卓設備上運行的BLE應用程序以實現數據同步，提供數據分析和健康建議等功能[3][4]。

本系統主要的創新點在于整合了各種傳感器的數據和智能手機的統計、數據分析與提出健康建議等功能，具有簡潔的人機交互界面[5]，以及更多新穎性和實用性的特征。

2 多參數可穿戴式系統的模型

本系統主要分為兩大部分，手機硬件部分和安卓BLE客戶端APP部分。兩大部分的交互通過目前可穿戴技術非常流行的低功耗藍牙4.0BLE無線短距離通信技術來進行數據傳輸，以此為基礎實現特定的功能。硬件上主要分為主控核心MCU,內部運行嵌入式實時操作系統FreeRTOS，并且移植了FATFS文件系統用于管理文件和存儲數據；另外還有計步器模塊、心臟速率監測模塊、姿態傳感器和磁阻傳感器模塊、Micro-SD卡模塊、鋰電池和電源管理模塊、LCD與觸摸彩屏模塊、RTC備用電池模塊、2G移動網絡通信模塊等。圖1是整個系統的功能和結構框圖，如圖1所示。

3 系統硬件部分的設計

作為本設備的硬件實物，硬件的設計是最基礎也是最重要的部分之一，接下來，本文將從硬件電路原理圖的角度列出各個功能模塊的電路原理及大致的工作情況。

3.1 STM32F103RET6最小系統電路設計

本系統的硬件部分的核心微控制器采用了意法半導體的STM-32F103RET6芯片，該芯片的主要特別是集成了來自于ARM公司的cortex-M3內核的CPU，通過高速總線連接核心外非常豐富的外設資源（主要包含512kB Flash閃存空間；192kb SRAM內存空間；3個獨立ADC模塊；一個CAN總線控制器模塊；兩個I2C接口模塊；兩個I2S接口模塊；一路SDIO接口模塊；3個SPI接口模塊；6個定時器模塊；5個串口通信模塊以及一個全速USB接口模塊等）。圖2是這個芯片在本系統硬件電路中的核心電路圖。

圖1 本系統的硬件和功能結構框圖

圖2 STM32F103RET6核心控制電路原理與管腳配置圖

3.2 2.0寸TFT-LCD帶觸摸顯示屏電路設計

本系統采用的LCD屏幕是一款由信利電子有限公司與2012年出品的2.0寸LCD顯示面板模組，內部包含了來自韓國LG電子的觸摸控制器LGDP4522。圖3是該液晶顯示器與觸摸控制器XPT2046的驅動電路原理圖。

3.3 2G通信模塊SIM900A電路設計

本系統的SIM900A模塊是一款支持移動和聯通2G網絡的高度集成化，低成本，較低功耗的解決方案。利用該模塊可以完成本設備的基本通信功能，實際功能在操作中效果良好，圖4是該模塊的電路原理圖。

圖3 LCD顯示與觸摸屏電路原理圖

圖4 SIM900A模塊電路原理圖

3.4 藍牙4.0BLE模塊電路設計

由Nodic半導體公司推出的藍牙BLE芯片nRF51822單芯片解決方案，可以實現一個低功耗的短距離通信連接，非常適用于移動設備的領域，圖5是該藍牙BLE模塊的電路原理圖：

圖5 nRF51822藍牙BLE模塊電路原理圖

3.5 各類傳感器電路設計

（1）心率傳感器電路設計

本方案中傳感器采用市面上成熟穩定的心率傳感器模塊Pulse Sensor。相關資料如圖6所示。

圖6 心率傳感器的采集信號波形

心率監測模塊傳感器輸出的信號還是比較微弱的信號，幅值太低且存在環境雜波的干擾，為了便于軟件采集和算法上的處理，硬件上還要進一步做濾波和波形的整形處理。本設計中采用兩級濾波和運算放大器的濾波和一級滯回比較器的波形整形電路。經過濾波和整形，心率信號就變成規律性比較好的方波信號，并且雜波比較少，適合單片機的采集和處理。

在該電路中，心率傳感器模塊拾取和放大的信號經過Vout1端輸入到本電路進行波形整形，將模擬信號的心率波形通過滯回比較器電路而被處理成脈沖信號，其特征就是反應心率的跳動信息，該信號先對于模擬信號更有利于單片機的計數處理以及軟件濾波處理等，并且避免要使用ADC對信號采樣處理等一系列繁雜又耗費CPU資源的程序上的開銷，非常有利于開發。

心率信號處理電路圖如圖7所示：

圖7 心率傳感器波形整形電路圖

（2）計步器方案與睡眠監測方案設計

本設備的計步器方案為采用一款成熟的模塊——STP100M。STP100M是一套3D計步功能模塊。模塊提供了簡單的脈沖輸出接口，方便集成到計步器相關的設備中。STP100M的主要性能參數如表1所示：

表1 STP100M計步器模塊相關性能參數

睡眠監測姿態芯片采用MPU6050, MPU6050一款穩定、應用廣泛且性價比高的3軸陀螺儀+3軸加速度計的一體化集成芯片，控制單元可以通過IIC總線協議進行通信和獲取相關的數據并作進一步處理。HMC5883l也是一款應用廣泛而且低成本的磁力傳感器芯片，可以用于姿態數據的融合等。相關的電路原理圖如圖8所示：

圖8 傳感器組合電路原理圖

3.6 系統電源管理電路設計

本系統采用單節鋰電池進行供電，測試使用的時候是3.7V/1300MAh的容量來進行供電。該鋰電池自帶充電保護電路，在電池電量即將耗盡而需要充電的時候可以通過USB-micro數據線連接設備并進行充電。設備的主控制器通過ADC回路實時監測電池電壓并通過電量修正的模型對電池電量進行實時地統計以及顯示。

在電源管理電路方面，本設備主要采用了兩片低壓差線性穩壓器LDO——SGM2019(輸出電壓為3.3V版本，由國內知名的半導體廠商圣邦微電子SGM設計的低壓差線性穩壓器），具有較低靜態關斷漏電流（低至10nA），低輸入輸出壓差，具備過流保護功能，采用SOT23-5封裝，并且外圍電路簡單，占用空間小，滿足工業級別的溫度要求，是一款國產性價比不錯的LDO產品。

本設備的電路上采用兩片SGM2019的單獨電源設計，一方面是保證各個模塊的工作電路的需求，一方面是減少各個模塊之間的電源噪聲等干擾。提高器件工作的穩定性。

相關的電源管理電路圖如下圖所示，圖中U4這一片SGM2019是主要為主控MCU和LCD以及觸摸屏提供電源，另外一片U5則主要為藍牙BLE模塊以及各類傳感器提供電源，電源管理電路如下圖9所示：

圖9 電源管理電路原理圖

4 系統軟件部分的設計

4.1 圖形用戶界面軟件設計

本系統硬件上LCD顯示的圖形界面的繪制均通過電腦上的取模軟件對圖片和文字進行特定格式的編碼輸出圖像數組，使其可以應用于LCD屏幕的驅動軟件代碼完成圖片和文字的繪制顯示。深入到代碼的層面，主要的代碼流程可以這樣描述：

本軟件架構在FreeRTOS的內核上，當程序完成硬件啟動初始化后，自動跳轉到主函數執行，主函數先完成了系統得板級硬件初始化后開始創建FreeRTOS的一個主任務和一個監聽來電并作相應處理的任務等，主任務調用相關的LCD驅動函數來完成鎖屏界面的繪制顯示（用戶要進入下以及主菜單，需要完成一個滑動解鎖的步驟）。用戶在指定的屏幕區域完成解鎖的過程后，軟件將調用相關的LCD驅動函數完成主菜單界面的繪制顯示。進入主菜單界面，代碼繪制了包含通信錄管理、撥號管理、以及信息相關應用等三大塊基本的功能，用戶選擇進入到不同的應用，程序會根據觸摸檢測的區域判斷執行相應的處理代碼，同時會創建用于處理單獨應用的FreeRTOS任務，調用相關特定的圖形界面相關的繪制函數以完成界面的初始化繪制，然后再根據用戶的觸摸交互完成不同的功能。在用戶想退出上一級的菜單的時候，可以采用點擊屏幕左邊滑動到后面再釋放的方式完成退出至上一級菜單的操作。相關的程序執行基本結構的流程圖如圖10和圖11所示。

4.2 心率監測軟件處理部分

心率的采集和處理的基本原理是采用STM32F103RE單片機的GPIO引腳的外部中斷功能捕獲脈搏信號的上升沿，首先設置外部中斷為上升沿捕獲，當捕獲到上升沿的時刻后，馬上在外部中斷處理函數中開啟一個溢出中斷的周期為100Hz的定時器，并在每一次進入定時器中斷的中斷處理函數后使計數器CNT加1，但捕獲到下一個上升沿時刻的時候，又在外部中斷中關閉定時器中斷功能。則單次捕獲的脈搏數據為：

CNT/100*60 單位為BPM（次每分鐘）

單次采集的數據仍可能受到干擾，所以還需進一步采用濾波處理。

圖10 主要程序流程圖1

圖11 主要程序流程圖2

4.3 安卓端BLE客戶端APP軟件設計

（1）下面顯示了本系統的應用程序主界面，可以在大多數支持BLE的安卓手機上運行，該版本還是調試版本，還有很多功能還沒有完善，目前可以支持完整的BLE連接、BLE設備間通信和斷開BLE連接的功能，支持心率數據和計步數據的實時同步顯示，后期將可添加更多細節功能（比如利用智能手機更多的功能和聯網優勢實現比如統計與分析，健康建議等）。

圖12 安卓BLE APP交互界面

（2）BLE應用數據同步關鍵協議解析

本系統硬件與軟件的數據同步是基于藍牙BLE的GATT服務框架的，利用藍牙BLE模塊提供從UART接口到移動設備APP數據傳輸的透傳服務及其UUID，可以實現用戶MCU與移動設備APP的數據傳輸。在完成藍牙BLE設備間連接操作之后，移動設備APP根據用戶選擇操作執行相應的數據同步的功能，而相應的安卓APP源代碼數據解析部分見附錄1.3。

根據圖13藍牙BLE透傳的私有協議數據幀格式可以看出來，”#”字符作為數據幀起始標識，后三字節ASCII碼字符串是用于表示心率數據的，其后六字節則是用于表示計步數據，安卓APP將ASCII碼表示的數據轉換成的實際的數值，通過以類的靜態變量的定義方式共享到藍牙服務類中用于顯示和分析等操作?；镜乃接袇f議傳感器數據包格式各字段意義如下：

圖13 協議傳感器數據包格式各字段意義

5 總結

本文對智能手表這樣一種典型的智能可穿戴設備的基本原理和實現方法做了實踐的示范，主要從運動和健康這兩大可穿戴技術主要的發力點上深入研究，對計錄走路或跑步步數以及測量人體心率這樣一種可穿戴設備中出現率非常高的功能作為重點的研究與設計點，具有非常大的研究意義。本設計還采用了藍牙BLE技術實現了設備與智能手機之間的互聯互通，專門設計的APP用于同步數據和操作，其交互方式將更加簡潔直觀，同時功能更加完善，可開發性和擴展性也很強。

本設計至今已完成預期的大部分目標功能和設計要求，但在細節上還有很大的改進空間；系統的功耗還可以采取進一步的措施進行降低處理，提高待機續航時間；APP方面也還有很多可以改進的空間等。

[1]陳根.可穿戴醫療—移動醫療新浪潮[M].電子工業出版社,2016,10.

[2]宮繼兵.可穿戴健康監測系統數據融合[M].科學出版社,2015,11.

[3]李志強.心率檢測在智能手表上的應用[J].應用與開發,2014,06.

[4]譚振興.基于BLE技術的智能防丟器設計與實現[J].東大學學報,2015,04.

[5]譚浩.汽車人機交互界面設計[M].電子工業出版社,2015,01.

項目支持：廣東海洋大學創新強校工程科研項目（GDOU2014050240）；廣東海洋大學“海之帆一起航”計劃項目（hzfghjhkjfm2015b17）。

郭海亮（1992—），男，大學本科，研究方向：電子信息工程。