基于智能穿戴的心率測量系統設計

摘要：針對傳統心率測量受專業知識和工作環境的限制，設計一種低功耗心率測量智能穿戴系統。該設計以STC15W401AS單片機為控制核心，采用NJL5303集成收發光電傳感采樣脈搏信號，經二階帶通濾波放大處理后由微控制器處理得到心率值，通過藍牙無線通信將結果發送到手機端App軟件顯示。系統可開發為指套、手環、腳環和耳釘等產品，在不影響使用者日常活動的情況下，可以長時間對心率值進行實時測量，具有較高的實用性。

【關鍵詞】智能穿戴 心率測量 光電傳感器藍牙通信 單片機

隨著國民生活水平的不斷提高，人們對健康的意識也不斷加強。受專業知識、儀器設備和工作環境等條件的限制，在醫院進行檢測身體指標的傳統方式已經遠遠不能滿足日常生活自我保健的需求。為此提出一種基于智能穿戴的心率測量系統設計方案，以STC15W401AS單片機為控制核心，采用反射式光電傳感器為脈搏信號采集方法，通過將傳感單元佩戴于手指、耳垂等處，在不影響使用者日常活動的情況下，實時測量心率，并通過藍牙通信與智能手機互聯，將實時的數據結果顯示在智能手機上。

1 心率檢測方法

傳統的心率測量方法有心電圖信號法、壓電法等，受使用條件的限制，這些方法一般只在醫院臨床方而應用。光電容積脈搏描記法（PPG）是一種新的測量方法，被廣泛應用于智能穿戴設備上，傳感部件由光電發射器、接收器組成。根據該傳感部件與人體接觸部位不同有透射式和反射式兩種，其中透射式適合安放在人體組織比較薄的耳垂等位置，反射式則無此要求，使用更為靈活。反射式光電積脈搏法的工作原理是當脈搏隨心臟的搏動而呈現周期性變化時，動脈血管的容積也隨之呈現周期性的變化，利用人體組織在血管搏動時造成吸光率的不同進行心率測量。依據朗伯.比爾定律（Beer-Lambert），入射波長為X、光強為IO

藉此可知，當動脈血液容積變化時會導致接收光強成正比變化，從而將動脈容積變化率轉化為電流強度變化率，對該變化電流信號拾取可實現心率信號的檢測。

2 系統設計

若要在不影響使用者日常活動的情況下，能長時問實時測量心率，因此設計上要求結構巧、體積小、重量輕、攜帶方便，同時由于受使用環境的限制，應采用電池供電，故還要求系統耗電要低。考慮到使用人群的不確定性，操作上應簡單明了，測試結果直觀。系統設計框圖如圖1所示。系統通過反射式光電傳感器感知人體脈搏信號的變化，并將其轉換為電信號，經過后級電路濾波、放大后輸入單片機內部進行A/D轉換。在單片機內部通過算法計算出人體實時心率、平均心率，并將結果通過藍牙通信傳輸智能手機顯示，實現人體脈搏心率實時監測。

3 硬件設計

3.1 光電傳感器

使用反射式光電傳感器采集人體的脈搏信號并轉換成電信號。光電傳感器分發射源、受光源兩部分。研究表明500-700nm光源光波對動脈血中氧紅蛋白有較好的選擇性，560nm波長光波能反映皮膚淺部的微動脈信號，適合用于提取脈搏信號。選用JRC公司NJL5303收發一體反射式光電傳感器，其發射光源波長570nm，體積尺寸僅為1.9×2.6×0.8mm。NJL5303發射管工作電壓設定為2V，工作電流設定為8mA，具體光電檢測電路如圖2所示。

3.2 信號處理電路

光電傳感器感知輸出的脈搏電信號非常微弱，且容易受到干擾，因此需進行濾波和放大。圖3為脈搏信號放大、濾波電路，主要以運算放大器為核心的2級結構完全相同的帶通濾波、放大電路構成。選用型號為MCP602運算放大器，其為軌到軌輸出的高精度運放，2.7-6V單電源供電，增益帶寬為2.8MHz。經過C₁、R₁組成無源高通濾波器，濾除傳感器輸出信號V₀中的直流分量，UIA，R₂、C₂組成有源低通濾波器濾除V₀中包含50Hz在內的高頻干擾并將其放大。該電路高通截止頻率f_H、低通截止頻率f_L、增益G分別為

UIB為核心組成第二級濾波放大電路，性能參數同UIA。兩級放大電路總的增益可達到10201（≈80db）。光電傳感器輸出的毫伏以下的信號到圖3電路后，經Ul放大可輸出伏特級信號送后級電路處理。

3.3 USB充電電路

該設備采用鋰電池供電，通過USB口進行充電，設計由MCP73831組成的USB充電電路如圖4所示。MCP73831為單芯片鋰、鋰聚合物電池充電電路，SOT-23-5 5腳小尺寸封裝可選，充電電壓4.2～4.5V可選，充電電流通過外接電阻可在15mA-500mA編程設定。

3.4 主控電路

主控制電路控制器選用STC15W401AS新型8051內核單片機，該單片機為增強型8051內核單片機，可在2.5～5.5V寬電壓范圍工作，功耗低。單片機內置512個字節SRAM數據存儲器，2KB個FLASH程序存儲器，8通道lObit A/D轉換器，使用串口IAP在線下載程序，SOP16腳封裝，體積小巧。設計主控電路如圖5所示，傳感器感知脈搏信號Vsensor輸入到單片機的Pl.0口，該口同時也是ADCO輸入引腳。

本設備不帶顯示單元，測量結果通過藍牙方式傳輸到智能手機，通過在智能手機上運行App顯示測量結果。為實現與智能手機問的無線數據傳輸，主控電路設計藍牙接口連接XM-15B藍牙模塊。該藍牙模塊支持藍牙2.1協議，模塊無需編程，控制器通過串口給模塊發送Ar命令直接配置即可使用。

4 軟件設計

4.1 心率測算方法

心率有瞬時值測量和平均值測量。類似信號頻率測量法，通過在單位時問內統計輸入脈搏信號的個數并通過公式計算后即可得到心率瞬時值I_HRendprint

I_HR= 60×T×N

（4）

式中T為單位時問1秒，N為單位時問統計的脈搏脈沖個數，單位為bpm（beat perminute）。此法受元件特性及外界干擾較大，可靠性差，統計測量時響應差，故測量精度度和魯棒性較差。兩相鄰脈搏波（R波）之問的問隔時問為脈搏周期T_HR，若f₀為頻率遠大于I_HR的脈沖，并以T_HR為閘門時問對f進行計數，計數值為N，顯然

依照（6）式編寫I_HR測量程序，實現思路為啟動單片機定時器定時（分辨率luS），V_sensor脈搏信號輸入單片機內部比較器，當輸入信號幅度超過比較器設置閥值后比較器狀態產生翻轉，將其整形為矩形波。比較器每次發生翻轉觸發中斷，通過中斷服務讀取定時器計數值，并與上一次讀取到的計數值相減后得到N，代入（6）式即可得到瞬時心率值I_HR，多次累加除權后可得到其平均值，程序流程圖如圖6所示。

5 結語

依據以上原理及電路設計實測模擬信號波形如圖7所示。本系統可以實時測量人體心率，結果及時顯示在智能手機上，數據信息讀取方便。將系統應用于智能穿戴設備之上，可以制作成手環、腳環等產品，亦可以制成耳釘或植入耳塞，具有體積小、成本低、實用價值高等特點。

參考文獻

[1]徐禮勝，靳雁冰.多傳感器融合的穿戴式心率監測系統[J].哈爾濱工業大學學報，2015， 47（05）： 97-103.

[2]靳雪斌.基于光電容積脈搏波形描記法的智能嬰兒腳環設計[D].開封：河南大 學，2016： 5-6.

[3]龔渝順，吳寶明，高丹丹等.一種抗干擾穿戴式血氧飽和度監測儀的研制[J].傳感技術學報，2012，25（01）：6-10.

[4]華晨惠，王曉飛，邵海明等，紐扣式無線心率監測系統設計[J].實驗室研究與探索，2017，36 （01）：65-68.

[5] Microchip， Technology， Inc.MCP7383x' datash-eet，Miniature Single-Cell Fully Integrated Li-Ion Li-Polymer Charge Management Controllers [Z].2014.

[6]宏晶科技（深圳）有限公司.STC15W401AS系列單片機器件手冊[S].

[7]朱海洋，歐陽明星，張俊武.基于Android控制的LED點陣顯示設計與實現[J]，液晶與顯示，2016，35（03）：1064-1069.

（8]管芳，黃新，胡鴻志，便攜式心率監測計的設計[J].儀表技術，2014 （01）： 37-39.endprint