肖昂弘 劉沭鋼 陳銘林 蘇偉康 李耿超

摘要：本文將光電容積脈搏波監(jiān)測（PPG）技術(shù)應(yīng)用于藍(lán)牙智能手表，使用戶可以實(shí)時(shí)在手表上觀測到自己脈搏，并在手機(jī)上開發(fā)相應(yīng)應(yīng)用程序，通過藍(lán)牙與手表通信，從而共同對用戶的生理狀況進(jìn)行監(jiān)護(hù)。手表以Silicon公司的Sim3U164芯片作為主控芯片，并改進(jìn)PPG探頭，創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)非接觸式信號監(jiān)測，提高用戶使用舒適度，同時(shí)提供一種低成本的藍(lán)牙智能手表的解決方案。

關(guān)鍵詞：PPG 藍(lán)牙 脈搏波監(jiān)測 智能手表

中圖分類號：R443 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

1引言

步入2013年，穿戴式設(shè)備，智能手表市場方興未艾，各種產(chǎn)品充斥著市場。但是，大多數(shù)產(chǎn)品都存在價(jià)格昂貴，實(shí)用性低的缺點(diǎn)。針對這種現(xiàn)象，我們提出一種基于藍(lán)牙技術(shù)的低成本智能手表。

由于社會的發(fā)展，生活水平的提高，人們對自身的健康越來越重視，為了迎合消費(fèi)者的保健意識，提高消費(fèi)者的健康水平，我們在智能手表上，利用PPG技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶的脈搏。人們可以在手表上實(shí)時(shí)觀看自己的脈搏，當(dāng)脈搏異常時(shí)候，手表會發(fā)出報(bào)警，提醒用戶，對用戶的健康提供有力保障。

同時(shí)，我們在PC上開發(fā)配套軟件，用戶可以通過手表將脈搏數(shù)據(jù)傳遞到PC上，軟件通過數(shù)據(jù)分析，評估用戶的健康情況。用戶可以通過軟件的數(shù)據(jù)分析，及時(shí)調(diào)整自己的保健計(jì)劃。

2 系統(tǒng)的主要硬件部分

2.1 系統(tǒng)框架圖1

2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊采用臺灣創(chuàng)杰科技（ISSC）的IS1681SM，該模塊是藍(lán)牙3.0。在功耗方面，比藍(lán)牙4.0差，但是在穩(wěn)定性方面，比現(xiàn)在市場上大部分藍(lán)牙4.0要好（藍(lán)牙4.0與手機(jī)相連經(jīng)常會出現(xiàn)斷線情況，此外，暫時(shí)大部分手機(jī)沒有藍(lán)牙4.0）。另外，此芯片待機(jī)電流可低至2mA，滿足便攜式產(chǎn)品低功耗的要求。與藍(lán)牙4.0相比，此芯片在價(jià)格上有絕對的優(yōu)勢。

2.3 PPG模塊

光電容積脈搏波描記法（ Photo--PlethysmoGraphy，PPG），是利用光束照射到活體組織表面，光束進(jìn)入體內(nèi)后通過反射或者透射的方式返回到光電傳感器，通過信號處理得到了人體脈搏參數(shù)，具有無創(chuàng)性、便捷性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

傳統(tǒng)的光電脈搏波描記方法分為透射式和反射式，測量時(shí)都是需要緊貼皮膚表面的，這給使用者帶來不便。特別在冬天衣服厚重的情況下，測量者需要除去衣服，露出皮膚，測量脈搏波就顯得更加困難

采用改進(jìn)型PPG技術(shù)，利用紅外反射光檢測方式，通過差分放大器、濾波器、程控放大器后實(shí)現(xiàn)PPG信號采集，得到用戶的實(shí)時(shí)脈搏信號。PPG模塊流程如圖2。

2.4 主控MCU

本次系統(tǒng)采用的主控芯片是Silicon公司的Sim3U164芯片，該芯片是32位的Cortex-M3內(nèi)核。芯片自帶時(shí)鐘管理，最高時(shí)鐘為80M，滿足高速運(yùn)行；在休眠模式時(shí)可以將時(shí)鐘調(diào)整到2.5M，滿足便攜式產(chǎn)品低功耗的要求。

此外，該芯片自帶ADC、PWM、DAC、兩路串口、兩路SPI、RTC、中斷管理、低功耗模式，完全滿足藍(lán)牙手表的設(shè)計(jì)要求。

利用該公司提供的AppBuilder軟件，方便代碼生成，提高了開發(fā)效率。Appbuilder 是專為Openbiz Cubi平臺而設(shè)計(jì)的元數(shù)據(jù)集成開發(fā)環(huán)境。具有交互性圖形界面。它包含了兩個(gè)功能強(qiáng)大且簡單易用的生成向?qū)?以及 直觀的元數(shù)據(jù)編輯器。加入ucosII系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加完善。

3系統(tǒng)工作流程圖

圖3為系統(tǒng)工作流程圖。

手表只設(shè)置了兩個(gè)按鍵，通過左鍵短按、右鍵短按、左鍵雙擊、右鍵雙擊、左鍵長按、右鍵長按、左右按鍵同時(shí)按下在各個(gè)模式間進(jìn)行切換。正常模式下，OLED顯示時(shí)間，電池電量，藍(lán)牙是否連接，音樂是否播放還有音量值。在無任何操作（按鍵操作或者藍(lán)牙返回指令）時(shí)間達(dá)到15s時(shí)，進(jìn)入休眠模式。休眠模式下，只有串口接收到藍(lán)牙數(shù)據(jù)和按鍵才可以喚醒MCU，喚醒后返回正常模式。此外，手表還有關(guān)機(jī)模式，設(shè)置模式，秒表模式，更新模式等。

4 系統(tǒng)測試

圖4是我們在測試板上測試整體系統(tǒng)架構(gòu)的照片。

為了便于觀察PPG模塊工作情況，測試時(shí)我們將程控放大器的輸出端接入數(shù)字示波器輔助觀察。對直接緊貼皮膚檢測后的濾波結(jié)果進(jìn)行分析。如右圖，是測試對象在緊貼皮膚，沒有間隔衣服的情況下，測試手腕位置的脈搏波?？梢钥闯雒}搏波被清晰的描記出來。

4.1功耗分析

所有穿戴式產(chǎn)品都要面對一個(gè)關(guān)鍵問題——功耗，如何降低產(chǎn)品的功耗，是穿戴式產(chǎn)品能否取得成功的關(guān)鍵。

為了節(jié)省功耗，做了以下設(shè)計(jì)：（1）設(shè)置了睡眠模式，在睡眠模式下關(guān)閉處理串口外的其他外設(shè)，將OLED設(shè)置為休眠模式；（2）電機(jī)震動采用震動2s停止2s的方式間隔震動；（3）在手機(jī)沒有播放音樂或者不需要語音報(bào)號時(shí)，關(guān)閉喇叭，在播放音樂或者語音報(bào)號時(shí)，才開啟喇叭。

4.2關(guān)機(jī)模式下斷開藍(lán)牙供電

經(jīng)過一年的努力，我們完成了最終的智能手表成品，手表基于藍(lán)牙3.0與智能手機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)電話接聽、撥打、電話本同步、MP3等功能，并實(shí)現(xiàn)人體脈搏波信號的可穿戴設(shè)備監(jiān)測，通過改進(jìn)PPG探頭，實(shí)現(xiàn)信號非接觸檢測，提高用戶使用舒適度。

5結(jié)語

本課題自2014年5月正式開始，我們利用課余空閑時(shí)間，在課題計(jì)劃的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)新知識，并將知識付諸于實(shí)踐當(dāng)中。

在不斷的調(diào)試過程中，我們遇到許多不同種類的問題，屏幕無法顯示，程序沒有按照我們的預(yù)想進(jìn)行；硬件知識不足夠，無法制作出合適的濾波電路；器件意外燒毀，一次次的失敗雖然打擊我們，也給了我們戰(zhàn)勝它的決心。

在和指導(dǎo)老師的不斷溝通中，我們對我們遇到的問題進(jìn)行了總結(jié)，和組員重新思考了整體程序結(jié)構(gòu)，在這個(gè)過程中，既鍛煉了我們的溝通能力，又讓我們的專業(yè)技能得到了明顯的提升，我們每個(gè)人也學(xué)會了如何從整體出發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)定制的應(yīng)用系統(tǒng)。

從去年開始課題，除寒假中斷了一段時(shí)間外，我們一起合作，共同克服困難，不斷進(jìn)步不斷飛躍。進(jìn)行至今，我們已經(jīng)完成了生理監(jiān)護(hù)藍(lán)牙智能手表的整體設(shè)計(jì)，論文撰寫，實(shí)物制作，調(diào)試通過。

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