“心芯相印”智能手環(huán)

呂露嬋，李睿婕，張文博，惠宇琛，周陽

摘要：經(jīng)考察現(xiàn)今市面所流行的多款智能手環(huán)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)手環(huán)定位用戶群為年輕一代，在交互性、健康檢測(cè)、健康協(xié)助等健康醫(yī)療方面依舊存在很多不足。而在當(dāng)今社會(huì)，人口老齡化加劇，許多家庭面臨老人獨(dú)自生活，無法及時(shí)關(guān)注自身健康狀況的問題。為改善這些情況，開發(fā)設(shè)計(jì)了該款定位在健康醫(yī)療方面的“心芯相印”智能手環(huán)。幫助每個(gè)人都能隨時(shí)關(guān)注自身健康狀況，讓身體健康問題不再成為每一個(gè)家庭、每一個(gè)人的“心腹大患”，而成為隨時(shí)關(guān)注，隨時(shí)解決的日常。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)智能手環(huán);醫(yī)療領(lǐng)域;睡眠;GPS系統(tǒng);智慧養(yǎng)老

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）20-0121-03

1 項(xiàng)目背景

現(xiàn)代社會(huì)科技發(fā)展日新月異，各種各樣的可穿戴設(shè)備使得人們的生活愈發(fā)便捷、娛樂，而在如今中老齡人群所占比重愈發(fā)增大。社會(huì)急切需要一款針對(duì)該群體所涉及的智能化手環(huán)設(shè)備改善使用者的健康監(jiān)測(cè)情況，并且在使用者健康出現(xiàn)緊急情況時(shí)可及時(shí)獲得救援支持。本文研究的手環(huán)能定位在老年人，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人的心率、血壓和一些運(yùn)動(dòng)指標(biāo)值，并能實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)，為老人的健康管理提供有效的參考[1]。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“心芯相印”智能手環(huán)主要服務(wù)于健康醫(yī)療市場(chǎng)，可以做到減少醫(yī)療資源的浪費(fèi)、用戶更便捷獲知自身健康狀況以及對(duì)使用者的健康情況報(bào)警保護(hù)功能。該產(chǎn)品主要由設(shè)備和App構(gòu)成：其中設(shè)備模塊中主要為加速度傳感器模塊、血氧傳感器模塊、心率傳感模塊、藍(lán)牙模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、顯示器模塊。App主要為“心芯相印系統(tǒng)”“健康管家”“GPS定位”等功能。

2.1硬件電路設(shè)計(jì)部分

硬件模塊部分為加速度傳感器模塊、血氧傳感器模塊、心率傳感模塊、藍(lán)牙模塊、存儲(chǔ)模塊、“心芯相印”報(bào)警模塊、電源模塊、顯示器模塊。

2.1.1血氧傳感器模塊

血氧飽和度檢測(cè)采用反射式血氧傳感器模塊，傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)單片機(jī)處理得到血氧和心率。

2.1.2藍(lán)牙模塊

系統(tǒng)與 Android 智能手機(jī)之間采用藍(lán)牙通信，藍(lán)牙模塊兼容 3.3V/5V 供電，配對(duì)中電流 30～40mA，通信完畢未通信 電流 1～8mA，通信時(shí) 5～20mA（跟串口通信頻繁程度呈正比）。

2.1.3存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)芯片選用具有低功耗、高時(shí)鐘頻率、支持 3.3V 供電等特點(diǎn)，還可用于記錄已配對(duì)的手環(huán)和設(shè)備。

2.1.4“心芯相印”報(bào)警模塊

該系統(tǒng)通過心率估計(jì)人體體溫，當(dāng)心率在某一時(shí)間段內(nèi)恒大于一 定值時(shí)，判斷為發(fā)熱（人體發(fā)熱時(shí)，心率會(huì)加快，體溫每升高 1℃，心率平均加快 12～18 次/分），蜂鳴器便報(bào)警。

2.1.5電源模塊

系統(tǒng)用3.3V供電，具有可充電功能。選用可充電聚合物鋰電池做輸入，經(jīng)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后輸出。

2.1.6服務(wù)器模塊

系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)后，通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，在服務(wù)器端保存原始數(shù)據(jù)，便于研究人員進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)分析。

2.1.7顯示器模塊

系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，在液晶顯示屏上顯示出來。

2.2軟件部分功能介紹

2.2.1手環(huán)與App配對(duì)

當(dāng)手環(huán)與App首次配對(duì)后會(huì)主動(dòng)檢測(cè)人的身體各項(xiàng)指標(biāo)，App會(huì)根據(jù)指標(biāo)分析你的年齡，并根據(jù)年齡推薦不同年齡段人，生活?yuàn)蕵匪琛Ｊ汁h(huán)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間的記錄日常生活習(xí)慣，給予用戶更細(xì)致的推薦和分析，同時(shí)會(huì)根據(jù)目前身體健康和狀態(tài)，在合適的時(shí)間給用戶推薦改善身體作息計(jì)劃和方案，并且如果是年輕人可以打開推“薦朋友選項(xiàng)”會(huì)推薦身體數(shù)值相仿的異性，幫助人際交流困難人群，真正做到“心芯相印”。如圖1手環(huán)與App配對(duì)流程圖。

2.2.2手環(huán)與手環(huán)配對(duì)

該系統(tǒng)還提供在競(jìng)技模式下，手環(huán)可與其他手環(huán)配對(duì)并選擇出管理員，管理員可以看到各個(gè)隊(duì)員的狀態(tài)指標(biāo)，可以提醒隊(duì)員是否需調(diào)整和隨時(shí)進(jìn)行隊(duì)員更換，管理員手環(huán)在連接手機(jī)App的情況下，App會(huì)根據(jù)不同的競(jìng)技項(xiàng)目，分析出那些隊(duì)員狀態(tài)不佳，或者需要更替。

當(dāng)處于普通模式下，手環(huán)可以配對(duì)家人或者朋友、愛人，當(dāng)家人或者愛人身體出現(xiàn)問題時(shí)手環(huán)會(huì)給予提醒，同時(shí)可以主動(dòng)向家人朋友發(fā)出提醒消息。（例：一起出去玩）在此功能模式下，可以在心連著芯的同時(shí)，更加心連著心。如圖2手環(huán)與手環(huán)流程圖。

2.2.3睡眠檢測(cè)

當(dāng)人深度熟睡的時(shí)候基本上身體是基本不動(dòng)的，睡眠開始入睡到淺睡，到深度再逐步轉(zhuǎn)入到淺睡眠。根據(jù)加速度傳感器記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)條件判斷是否進(jìn)入睡眠。如圖3睡眠監(jiān)測(cè)流程。

2.2.4運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

使用三軸加速度傳感器，三軸加速度傳感器的三軸是指空間中的X， Y， Z三個(gè)維度，有了這3個(gè)維度，手環(huán)就可以捕捉到手環(huán)在使用中的加速度變化，從而生成數(shù)據(jù)。如圖4運(yùn)動(dòng)檢測(cè)流程圖。

2.2.5血氧飽和度測(cè)量

血氧飽和度的測(cè)定是用LED交替打開或關(guān)閉使手環(huán)可以發(fā)出不同波段的光，利用含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對(duì)特定光的反射吸收率不同的特點(diǎn)，進(jìn)行信號(hào)萃取，從而測(cè)得。如圖5血氧飽和度監(jiān)測(cè)流程圖。

2.2.6 測(cè)量血壓

光電感器能夠采集我們手腕處的脈搏，并對(duì)其進(jìn)行分析，從而估算我們的血壓高低。如圖6監(jiān)測(cè)血壓流程圖。

2.2.7測(cè)量脈搏

通過測(cè)量反射光來監(jiān)測(cè)心跳，具體過程如下：手環(huán)將一束光打在皮膚上，當(dāng)心臟泵血時(shí)，血管中充滿血液。血液傾向于吸收綠光反射紅光，因此心臟在收縮和舒張時(shí)會(huì)產(chǎn)生顏色不同的反射光，手環(huán)正是通過檢測(cè)這些反射光來記錄心率的。