基于防溺水智能手環的心率監測設計

周覃潔，魏芳波

（漢江師范學院，湖北 十堰 442000）

0 引言

當今時代智能手環的出現便利了人們的生活，市面上現有的智能手環具有記錄人們運動情況、監測健康狀況等功能［1］。防溺水智能手環心率監測系統增添了心率監測功能。目前國內領域對心率監測的研究較為普遍，李文祺等［2］采用HXDZ－30102－ACC血氧心率傳感器來實現心率的監測；彭安娜等［3］借助MK 986脈沖心率傳感器，采用紅外模塊來采集心率信號；謝佳玲等［4］利用EGG信號粗粒化處理的一種心率監測的算法對信號進行了分析并計算出了心率值。

從心率監測的無錯性和高效性的實際要求出發，有必要借助較為成熟的光電容積脈搏波描記法(PPG），設計一個能夠準確監測心率的防溺水智能手環心率監測系統。

1 防溺水智能手環的設計

1.1 光電容積脈搏波描記法（PPG）

光電容積脈搏波描記法(PPG）通過光照射人體脈搏皮膚處后，血容量隨脈搏波動而變化，經反射后光強度也隨之變化的原理來測量人體在不同時刻的心率電信號后由光感測器感測放射光［5］，其原理如圖1所示。一般而言，光學心率傳感器主要基于這一原理工作，并通過光、電、數字信號的轉換得出不同情況下人體的心率值。

圖1 光電容積脈搏描記法（PPG）原理

1.2 防溺水智能手環的心率監測設計

1.2.1 總體框架

如圖2所示，本設計主要由傳感器模塊、處理器模塊、接收器模塊、顯示模塊和指示器模塊組成。首先，由傳感器測模塊測得心率電信號，然后將該信號傳輸到處理器模塊進行數據化處理和分析，接收器模塊和指示器模塊在處理器模塊給出的不同指令的條件下做出相應的操作，同時顯示器模塊從接收器模塊接收到信號后在顯示器上給出相應的數值和信息。

圖2 防溺水智能手環總體構架框

1.2.2 本設計的主要功能

(1）完成基本的心率值的測量。

人在游泳時心臟需氧量增多，心率會適當加快，皮膚內的血液容積在心臟的作用下發生變化。根據流過人體脈搏處血容量的不同，借助光學心率傳感器接收不同時刻的心率電信號，進而得到不同時刻人體的心率值。

(2）實時監控心率值波動的范圍。

在溺水發生時，人的心跳會不斷加快，心率值增高。隨著危險程度的增加，大量水進入肺毛細血管從而進入血循環，導致電解質紊亂，該過程中人的心率值在不斷發生波動，通過變化的心率數據的收集可實時監測游泳者心率值波動的范圍。

(3）及時反映異常并給予救援措施。

當心率值異于正常值且短時間安內出現較大波動，心率監測系統在接收到異常信號后將實時的心率值通過無線藍牙傳輸傳送到手機App端，將定位及求救信號通過短信方式發送至溺水者緊急聯系人手機中，同時腰間安全氣囊受指令爆破，蜂鳴器發出報警信號。

1.3 系統設計

1.3.1 主程序設計

主程序主要將整個系統分支連接起來，對系統內所有接口及通信進行初始化處理［6］，同時將采集到的心率值進行預處理及分析，判斷心率值是否在正常范圍內波動，并對下一步操作發出指令，直至整個過程結束，促進整個過程高效有序地進行，具體程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

1.3.2 心率監測程序設計

(1）硬件方面。

本設計以STC89C52單片機為硬件，借助C語言進行模塊化編程［7］，將A/D轉化器轉化后的數字信號送入其中進行數據化處理得到心率值，同時該單片機內部數據存儲器對測量到的心率值進行存儲，方便使用者日后查看；單片機也可與手環LED顯示器直接相連，顯示出使用者使用時的心率。

(2）軟件方面。

如圖4所示，首先將手環硬件部分初始化，此時心率值顯示為0，接著運動心率傳感器將光發射器發射出來的光信號經皮膚反射后轉化為電信號，并被光接收器接收，后將該信號作為A/D轉換器的輸入，又由A/D轉換器將得到的模擬信號轉化為數字信號，這些信號經主控芯片處理后得出具體的心率值，此后經過無線藍牙進行傳輸。該程序在每完成一次心率測量后將從頭開始重復該過程且進入循環，并將每一次的時間控制在50 ms內。

圖4 心率計算流程

1.3.3 無線藍牙傳輸

當游泳者心率異常時，為了能夠快熟準確地向手機App端傳輸心率值，本設計采用無線藍牙傳輸，能夠擺脫短距離內有線的束縛，靈活應用于心率數據傳輸中［8］。此模塊與STC89C52單片機輸出相連，將具體的心率值傳輸至終端。

2 心率區間估算及實驗分析

2.1 最優區間估算

隨著人年齡的增長，游泳時心率的最優區間會隨年齡的變化而變化，經研究，心率T的最優區間的計算公式為：

其中，220表示人體每分鐘心率的上限值［9］。

以年齡為a歲的青年游泳者為例，基于公式(1）估算得其正常游泳時的心率上、下限值如表1所示。

表1 正常游泳時的心率限值

由表1得出，該青年正常游泳時的心率最優區間為(154－0.7a）次/min≤T≤(187－0.85a）次/min，此時心率監測系統將設定上限值為(154－0.7a）次/min，下限值為(187－0.85a）次/min。當此青年的心率超出該范圍出現急劇的上升或下降的情況時，可判斷其此刻可能處于溺水狀態。

2.2 模擬實驗

鑒于真實測試的危險系數較高，通過向心率監測模塊傳輸不同電壓的信號來模擬人游泳時變化的心率值，并在表1所得結果的基礎上設置了不同的心率區間進行了實驗。從本次模擬實驗看出，當心率在設定區間內自由波動時，系統將正常心率值通過無線藍牙傳輸至手機端；當心率超過設置的區間時，系統顯示心率異常，并快速準確地進行報警、定位、自救、求救的功能。

3 結語

隨著大眾生活質量的普遍提高，智能手環得到普及，防溺水智能手環也將逐漸進入大眾的生活。本設計借助運動心率傳感器，基于光電容積脈搏波描記法，將光信號轉化為電信號，并通過A/D轉換器將電信號轉化為數字信號得到心率值。在正常的游泳狀態時，該手環通過藍牙將人體的心率值傳輸至手機App終端；溺水時還能自動爆破腰帶氣囊進行自救并發出警報和定位信息，大大地降低了人溺水身亡的風險，具有較好的推廣前景和應用價值。