孫惠康　李慶之　焦良葆　陳瑞

摘 要：基于藍牙4.0 提出了一種新型可穿戴心率監(jiān)測儀的設(shè)計方案。該系統(tǒng)由可穿戴部分和上位機兩部分構(gòu)成，可穿戴部分負責實時測量和采集心率信息，并將得到的實時數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送給上位機；上位機負責接收和分析收到的數(shù)據(jù)，并將分析數(shù)據(jù)顯示出來，從而實現(xiàn)心率的無線實時監(jiān)控。當檢測數(shù)值超過或低于正常閾值時，便發(fā)出警告。該設(shè)備便于攜帶、測量準確、拓展性好，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：藍牙4.0；心率監(jiān)測；可穿戴設(shè)備；實時監(jiān)測

中圖分類號：TN92；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）03-00-03

0 引 言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，心血管疾病已經(jīng)成為全球第一大死因[1]。其中，心臟性猝死又是人類健康的“第一殺手”。為了有效防止心臟性猝死的發(fā)生，需要對心臟進行監(jiān)護。而心率作為人體生理的一項重要指標，與心血管健康密切相關(guān)，且能夠較客觀的反映一個人的身體狀況，一直以來受到了醫(yī)學(xué)界和人們的廣泛重視。隨著科技的進步，心率監(jiān)測對于人體的作用也得到了強化。目前心率監(jiān)護主要有兩種手段，第一是使用心電監(jiān)護儀，主要應(yīng)用于大型醫(yī)院，其體積龐大，連接復(fù)雜，成本高昂，雖然具有比較準確的數(shù)據(jù)但不適合日常使用；第二為家用心率計，適用于受測者自己觀察，其結(jié)構(gòu)小巧，但便攜性差、報警功能不夠完善，且市面上的產(chǎn)品良莠不齊，很難保證其測試結(jié)果的準確性[2，3]?；诖?，本文采用微型脈搏傳感器實時測量和采集心率信息，利用藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行心率實時監(jiān)測，并實現(xiàn)報警功能。設(shè)計并完成一種有效測量和監(jiān)測心率、便攜性好、成本低廉的可穿戴心率監(jiān)測儀。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的可穿戴心率監(jiān)測儀由可穿戴部分和上位機兩部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中可穿戴部分主要由三部分構(gòu)成：（1）微型心率傳感器部分；（2）MCU主控部分；（3）藍牙模塊。微型心率傳感器負責將采集到的模擬信號傳輸給MCU主控，由MCU主控轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再經(jīng)過簡單計算得到心率數(shù)值。該心率數(shù)值與預(yù)先設(shè)置的閾值比較，若超出范圍則顯示心率過高/低的提醒信息。同時，心率的波動曲線通過藍牙串口上傳到上位機并顯示波形，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 MCU主控模塊

本設(shè)計采用ST公司研制的基于ARM V7架構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6作為MCU主控制器，其中主控與周邊電路原理圖如圖2所示。STM32F103C8T6控制器的成本低，性能好，在同樣的主頻下能處理更多的任務(wù)[4]。同時，該控制器的功耗極低，在72 MHz時鐘下，從Flash中執(zhí)行代碼，STM32的功耗僅為36 mA，即0.5 mA/MHz，是目前32位單片機中功耗最低的產(chǎn)品，大大提高了設(shè)備的續(xù)航能力[5]。

MCU主控模塊主要完成數(shù)據(jù)的接收、處理、系統(tǒng)設(shè)置、信息顯示以及報警控制等功能。

2.2 微型心率傳感器

心率傳感器作為本設(shè)備最重要的模塊之一，其體積大小直接決定了設(shè)備能否小型化，其精確度及穩(wěn)定性也直接影響著設(shè)備所測量出的心率的準確度。較低的傳感器精確度及較差的穩(wěn)定性不僅會導(dǎo)致設(shè)備所測出的心率數(shù)值出現(xiàn)偏差，同時也會增大濾波、動態(tài)閾值比較算法的難度，極大地制約了設(shè)備的擴展性。故微型心率傳感器的設(shè)計至關(guān)重要。

目前市面上較為常見的心率測量方法從原理上可分為心動電流測量法和光電透射測量法兩種。心動電流測量法多見于大型醫(yī)療器械，通過測量人體不同點的電勢變化，從而測量出心率變化。該方法的優(yōu)點為測量精準，可在運動中持續(xù)準確監(jiān)測，但其缺點體現(xiàn)在必須同時監(jiān)測人體的兩個部位，如胸部兩側(cè)，兩側(cè)手臂，故監(jiān)測設(shè)備體積較大，穿戴不便，對使用者自由活動阻礙較大，故無法做到小型化的持續(xù)監(jiān)測。

光電透射測量法多見于各類穿戴式設(shè)備，其工作原理是氧基血紅素能快速吸收綠光、黃光和紅外光等光線。這種方法的優(yōu)點是無需兩個部位同時監(jiān)測的胸帶或腕帶，但是由于信號微弱且容易受到外界干擾而造成測量數(shù)據(jù)不準確，對傳感器的濾波電路及設(shè)備的外形設(shè)計布局有較高的要求。此方法根據(jù)發(fā)射的光波類型的不同又可細分為紅外光光電測量法和綠光光電測量法。

采用紅外光光電測量法的傳感器通常包括紅外發(fā)射光束回路和接收反射回路[6]。其工作原理為傳感器發(fā)射特定光波，通過傳感器監(jiān)測血管內(nèi)血液血紅蛋白吸光度的變化并據(jù)此測量脈搏，但信號極為微弱且非常容易受到外界干擾，故對測量部位要求較高，一般需要在安靜的狀態(tài)下測量。

綠光光電測量法由特定綠色波長的發(fā)光LED和一個波長與之相對應(yīng)的光敏傳感器組成，其原理是基于手臂血管中的血液在脈動的時候會發(fā)生密度改變而引起透光率的變化。發(fā)光LED發(fā)出綠色波長的光波，光敏傳感器可以接受手臂皮膚的反射光并感測光場強度的變化將其換算成心率。利用這種方法制成的傳感器受外界影響較小，對穿戴要求較低，可在運動中持續(xù)準確測量心率。

根據(jù)設(shè)備穩(wěn)定性及可靠度等方面的需求，本文采用綠光光電測量法。傳感器的原理示意圖如圖3所示。

經(jīng)過比較，可選擇的綠光LED有520 nm，450 nm等波長，而環(huán)境光傳感器的感受峰值波長一般在550 nm左右?？紤]到照度及設(shè)備小型化需要較高的集成度，本文選擇波長525nm、亮度700 mcd的AM2520貼片綠光LED作為綠光光源，選擇靈敏度波長為555 nm的夏普GA1A1S202WP環(huán)境光傳感器作為接收綠光的傳感器。此傳感器在照度1 000 lx時輸出電流約為30 μA，為了讓其轉(zhuǎn)化為所需的電壓，我們需要加入電阻R1=12 kΩ，此時可算出電壓值為

U1=12×103 Ω×30×10-6 A=0.36 V。

心率傳感器的原理圖如圖4所示，主要由濾波和放大兩部分構(gòu)成。由于光電測量法容易受到設(shè)備內(nèi)電路其他電子設(shè)備引起的電壓波動和噪聲，首先需要進行濾波。本文采用C1=C2=4.7 μF，C3=2.2 μF，R2=10 kΩ組成的低通濾波電路，其臨界頻率為fc=1/2πRC≈1.4 kHz。此低通濾波器可濾除頻率1.4 kHz以上的波形，濾除電路中絕大部分的紋波，減少輸出波形毛刺。endprint

濾波后的信號放大采用MCP6001低功率運算放大器，其放大倍數(shù)為。同時，設(shè)置了分壓電阻R4=R5=100 kΩ，此時直流偏置電壓為電源電壓的1/2，便于傳感器的調(diào)試使用。

2.3 藍牙串口傳輸模塊

本設(shè)計使用的是XM-10B藍牙串口模塊。該藍牙模塊采用的是CC2540藍牙芯片，藍牙4.0BLE芯片解決方案。藍牙模塊連接示意圖如圖5所示。

藍牙低能耗（BLE）技術(shù)是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術(shù)，工作在免許可的2.4 GHz ISM射頻頻段[7]。它從一開始就設(shè)計為超低功耗（ULP）無線技術(shù)，利用許多智能手段最大限度地降低功耗。藍牙低能耗技術(shù)采用可變連接時間間隔，這個間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術(shù)采用非常快速的連接方式，因此平時可以處于“非連接”狀態(tài)以節(jié)省能耗，此時鏈路兩端相互間只是知曉對方，只有在必要時才開啟鏈路，然后在盡可能短的時間內(nèi)關(guān)閉鏈路[8]。此技術(shù)極大地提高了設(shè)備的續(xù)航能力。

3 數(shù)據(jù)處理及軟件設(shè)計

3.1 下位機軟件

下位機的程序主要完成對心率傳感器的讀數(shù)進行采樣和計算的功能[9，10]。本設(shè)計采用的測量裝置是利用光電透射測量法的光場強度傳感器，實質(zhì)上是一種電壓反饋。因此，微控制器算法的第一步就是利用ADC將電壓值轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。

具體而言，采樣值的處理算法就是一種基于動態(tài)電壓比較的擴展方法。如圖6所示，其中Pulse=True表示進入心跳區(qū)域，Pulse=False表示退出心跳區(qū)域；Thresh表示門檻電壓，用來判斷是否進入/退出心跳區(qū)域；Peak表示波形的峰值，Trough表示波形的谷值，兩者都用于實時更改Thresh以追蹤波形；IBI表示本次進入心跳區(qū)域點距上次心跳區(qū)域點的時間間隔，記作心跳間隔，用于計算心率。

程序初始化時將Thresh、Peak和Trough的值均設(shè)定為1.5V。該初始值的設(shè)定依據(jù)為傳感器無檢測對象時的輸出電壓，其正確設(shè)定用于保證佩戴傳感器后，Peak與Trough可以正確追蹤波峰及波谷。程序初始化完成后依照采樣頻率設(shè)定定時器，并在定時器觸發(fā)中斷后即啟動中斷服務(wù)函數(shù)。

設(shè)備剛剛啟動或者因采樣誤差超出閾值被重置時，采集到的第一個跳動周期僅用于采集Peak和Trough的值，并依公式Thresh=1/2（Peak-Trough）進行計算，確定新的閾值。然后將Peak和Trough重新設(shè)定為新的Thresh值。

當采樣值再次達到閾值時，判斷為Pulse=True，累加器開始累加計數(shù)，Peak與Trough繼續(xù)追蹤波形的峰谷值直到采樣值低于閾值，然后延遲3/5·IBI，對Pulse = False的部分進行屏蔽，期間繼續(xù)通過Peak和Trough更新Thresh，在下個波形觸發(fā)Pulse = True 時，用累加器的計數(shù)計算兩次Pulse = True 的進入點的時間差，作為第一個IBI，計入數(shù)組，并重置累加器，等待后續(xù)數(shù)據(jù)。

數(shù)組中包含十個數(shù)字，存放著最近十次心跳的時間間隔，每次Pulse = False時，將數(shù)組中十個元素依次前移，舍棄數(shù)組中最早的數(shù)據(jù)，寫入新的數(shù)據(jù)并計算平均值，再用公式60000/IBI的和，得出本組數(shù)據(jù)的每秒心跳次數(shù)。每秒心跳次數(shù)和IBI平均值作為中斷函數(shù)處理的結(jié)果返回到主函數(shù)中進行下一步處理和輸出。下位機流程圖如圖7所示。

3.2 上位機

心率傳感器采集到數(shù)據(jù)后，會通過藍牙4.0模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給移動端，實時地顯示被測者的心率情況，并通過程序?qū)崟r顯示被測者的心率波形。通過預(yù)先程序設(shè)置的閾值，當心率低于最低閾值或高于最高閾值時，即心率發(fā)生異常時，程序會顯示相應(yīng)的警告提醒。心率正常時和心率過快時的提醒如圖8所示。

4 結(jié) 語

本文將無線藍牙通信技術(shù)和心率傳感技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于藍牙4.0的無線心率監(jiān)測儀，具有測量準確、實時性好，以及體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、穿戴方便和成本低等優(yōu)點，且無線藍牙實時傳輸和自動檢測實時反饋等功能的結(jié)合使得本設(shè)計有著良好的實用性，解決了現(xiàn)有心率儀便攜性差、不能實時監(jiān)測、成本高等問題，適合日常家用及運動時檢測，相信在智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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