董文斌 閆思卿 朱明玉 田明銘 楊振潔 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)

一款健康穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究

董文斌 閆思卿 朱明玉 田明銘 楊振潔 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)

現(xiàn)如今預(yù)防和及時(shí)應(yīng)對(duì)老年人突發(fā)疾病，為老年人健康保駕護(hù)航成為亟待解決的問(wèn)題。本文介紹了一種基于STM32、ThinkGear腦電波采集模塊、Pulse Sensor心率傳感器，MPU6050模塊，藍(lán)牙模塊為核心的智能可穿戴硬件的設(shè)計(jì)與研究方案。本方案中各傳感器分工協(xié)作，采集佩戴者的各方面健康信息，并通過(guò)核心MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、整合，最終通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄⑿畔⒎答伒脚宕髡叩氖謾C(jī)APP中，用戶可實(shí)時(shí)、直觀、清晰的了解自身的健康狀況。

互聯(lián)網(wǎng)+健康 智能可穿戴 腦電波 心率 無(wú)線傳輸

1 引言

近幾年來(lái)，中國(guó)老齡化程度不斷加重。預(yù)計(jì)在2020年，老年人數(shù)量將達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%，其中80歲及以上老年人將達(dá)到3067萬(wàn)，空巢老人數(shù)量激增，如何有效預(yù)防和應(yīng)對(duì)老年人突發(fā)狀況成為一大難題。對(duì)于身體較差老年人需有專人時(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)其健康狀況，耗費(fèi)大量人力、時(shí)間和資金。對(duì)此，我們利用Gokit2,Thinkgear,Pulse Sensor心率傳感器等開發(fā)設(shè)計(jì)了一套可以實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋用戶健康狀況的智能可穿戴硬件有效改善這一現(xiàn)狀。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以智能可穿戴設(shè)備為依托，通過(guò)便攜式微型傳感器采集人的腦電波、心率等指標(biāo)，并將采集到的腦電波、心率等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以藍(lán)牙無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸，并配備專門app分析接收數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比、曲線擬合等大數(shù)據(jù)運(yùn)維及分析技術(shù)，向佩戴者及其家屬反饋被測(cè)人健康信息，并附加運(yùn)動(dòng)度，久坐提醒、情緒波動(dòng)程度等方面的監(jiān)控，完成疾病預(yù)防與健康檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)便捷準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的了解及應(yīng)對(duì)老年人突發(fā)狀況問(wèn)題。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備包括三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、無(wú)線傳輸部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集部分

3.1.1 ThinkGear模塊

美國(guó)Neurosky公司全力研發(fā)的腦電圖傳感器不同于普通醫(yī)院中需要涂抹導(dǎo)電膠的濕性傳感器而且具有強(qiáng)大的降噪功能，因此更適合用于可佩戴硬件的設(shè)計(jì)，此模塊通過(guò)單EEG腦電通道+地線+參考電極的采集方式，可獲得512Hz原始腦電信號(hào)，及佩戴者α、β、γ等腦電波形及專注度眨眼等狀態(tài)。

3.1.2 Pulse Sensor心率傳感器

Pulse Sensor是一種可以測(cè)量心率脈搏的光電反射式的模擬類型傳感器。此模塊根據(jù)人體組織在血管搏動(dòng)所造成的透光率不同的原理——光電容積法來(lái)測(cè)量心率，此模塊由光發(fā)射器、光接收器、低通濾波器、運(yùn)算放大器等組成，客服了心電信號(hào)提取、血壓測(cè)量等傳統(tǒng)測(cè)量方式長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量造成使用者心理與生理上的不舒適感的弊端。

3.1.3 mpu6050角度傳感器

6050是一個(gè)集成了3軸加速度計(jì)和三軸MEMS陀螺儀的9軸運(yùn)動(dòng)傳感器，其運(yùn)用3路ADC采集模擬量并將其輸出為數(shù)字量，系統(tǒng)通過(guò)I2C協(xié)議從EEPROM寫入或者讀取數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)使用者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和步數(shù)的計(jì)算。

3.2 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分采用32位stm32微控制器，其具有運(yùn)算速度迅速，資源豐富，便于開發(fā)，微控制器將各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)整合處理，并將其通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)客戶端。

3.3 無(wú)線傳輸部分

HC-05無(wú)線傳輸。模塊本身采用BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.0標(biāo)準(zhǔn)+EDR協(xié)議，且擁有2.4Ghz PCB射頻天線，通過(guò)AT指令配置其工作模式可以使其實(shí)現(xiàn)硬件本身與手機(jī)客戶端通過(guò)UART的方式進(jìn)行通信傳輸，傳輸距離達(dá)到20米以上可以保證極高的傳輸質(zhì)量。

4 軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)初始化，其中包括主控MCU及ThinkGear、Pulse Sensor、mpu6050、hc-05等各個(gè)傳感器的初始參數(shù)的配置。

（2）藍(lán)牙模塊與app客戶端進(jìn)行鏈接，為數(shù)據(jù)傳輸提供前提。

（3）各個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳遞給主控芯片，主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，并將整合好的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸給手機(jī)客戶端。

（4）客戶端獲取數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)波形，以直觀的數(shù)值形式將用戶的專注度，疲勞度，心率，行走量等數(shù)據(jù)反饋給用戶。

腦電信號(hào)采集過(guò)程如圖1。

圖1 腦電采集流程圖

心率信號(hào)采集過(guò)程如圖2。

5 客戶端設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端首先具有綁定硬件本身功能，其次是顯示基本用戶信息，如心率、專注度、疲勞狀態(tài)、每日行走量等，其接收到從攜帶設(shè)備上傳輸?shù)男畔⒑?，采用圖形仿真、智能分析、曲線擬合等方式匯出數(shù)據(jù)圖形與正常數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行對(duì)比得出差異性從而判斷使用者的身體狀況和精神狀態(tài)，從而進(jìn)行健康性分析與疾病預(yù)測(cè)等。

圖2 心率采集流程圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可穿戴智能硬件設(shè)備，用戶及其家屬通過(guò)該穿戴設(shè)備直觀的體會(huì)到佩戴的精神狀況與健康狀態(tài)，并根據(jù)相關(guān)建議改善自身生活習(xí)慣等，其對(duì)疾病監(jiān)測(cè)、疾病預(yù)防、健康生活具有極其深遠(yuǎn)的影響。

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