張楓沛， 肖世德， 陶 濤， 趙梓辛

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

當今社會人口老齡化日趨嚴重，而老年人屬于心血管疾病高發(fā)人群。在心率監(jiān)測領域，文獻[1]提出了一種基于藍牙和全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile commumication,GSM)的心率監(jiān)測系統(tǒng)，可通過GSM查詢信息和報警；文獻[2，3]提出了以藍牙為通信方式、平臺為數(shù)據(jù)處理中心和顯示器的心率檢測系統(tǒng)；文獻[4]設計了一種腕式心率監(jiān)測裝置，通過無線收發(fā)模塊進行遠程監(jiān)測；文獻[5]設計了一種人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測人體體溫和心率。以上系統(tǒng)主要針對青壯年，但對老年人群體所需求的預警功能、遠程傳輸?shù)确矫娌荒芡耆珴M足監(jiān)測要求。

本文設計了一種穿戴式老年人心率監(jiān)測系統(tǒng)，上位機為Android端，考慮到老年人自我預警能力有限，預警接收方為子女或醫(yī)護人員，且考慮及時性和遠程傳輸能力，通信方式選用通用分組天線業(yè)務(general packet radio service,GPRS)結合云平臺的通信方式。系統(tǒng)體積小、數(shù)據(jù)傳輸精準、預警及時準確，滿足老年人遠程心率監(jiān)測的要求。

1 系統(tǒng)總體方案

選用接觸式光電容積法采集腕部脈搏波，光檢測器選用波長515 nm綠色光發(fā)光管?？紤]穿戴式檢測裝置測量位置的影響，使用反射式信號采集方式，即發(fā)光源和光電探測器在人體組織同側。對采集的初始信號進行有限脈沖響應(finite impulse response,FIR)低通濾波后采用基于時域—峰值的RR期間(脈搏波兩次波峰期間)算法提取心率。

系統(tǒng)分為監(jiān)測終端、通信傳輸部分以及Android終端。其中信號采集、決策控制和有機發(fā)光二極管(organic light emitting diode,OLED)屏幕顯示同屬于監(jiān)測終端。信號采集模塊采集到脈搏波信號后，經(jīng)信號調理后傳輸至決策控制部分決策處理后將心率信號通過GPRS上傳至云平臺，Android端實時訪問云平臺獲取數(shù)據(jù)，同時穿戴裝置上設計有OLED屏幕可同步顯示數(shù)據(jù)。若決策判斷時發(fā)現(xiàn)心率信號超出設定閾值范圍，則通過GPRS上傳報警信號至云平臺，Android端收到數(shù)據(jù)后以彈窗形式顯示，同時下位機OLED屏幕顯示報警信息。Android端APP設計有心率閾值修改界面，方便用戶根據(jù)實際情況酌情修改閾值。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 心率算法分析

人體血液中的血紅蛋白在有入射光照射時遵循朗伯—比爾定律，心臟跳動時血管中的血流量呈現(xiàn)出周期性波動變化，進而使其對入射光的透射和反射產(chǎn)生周期性變化，光電探測器接收經(jīng)衰減后的光信號引起電信號變化，從而計算心率信息[6]。

測得初始信號后，采用FIR低通濾波，為使信號處理后不發(fā)生失真，使用速度較高的逐次逼近型A/D轉換器處理原始模擬信號，經(jīng)濾波處理后，形成一串數(shù)據(jù)序列[7]。

利用濾波后的心率信號進行時域—峰值的RR間期算法，首先檢測波峰位置并進行標記，通過計算前后相鄰兩個波峰的時間差來得到相鄰心跳時間，為了避免突發(fā)干擾影響，將連續(xù)獲得的N次心跳間隔時間進行平均，利用平均值來獲得心率值，為了增強心率檢測的準確度，在選用有效極值點時對相鄰3個極值點各自相較前一極值點的間隔時間進行計算，判斷中間極值點的間隔時間大于兩端極值點間隔時間的3/5，則保留;否則，舍去，直至出現(xiàn)連續(xù)N個極值點，RR期間算法流程如圖2。

圖2 RR期間算法流程

3 硬件電路設計

3.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件分為信號采集模塊、處理器模塊、電源模塊、OLED顯示模塊、GPRS通信模塊。硬件架構如圖3。心率信號采集電路將心率信號轉換為毫伏(mV)程度的電壓模擬量，經(jīng)調理電路處理放大后，被單片機A/D采集并轉換，得到可識別并能夠反映心率變化的數(shù)字信號。考慮到穿戴設備的低功耗、高效率體積小等要求，處理器模塊選用飛思卡爾FRDM-KL25Z128VLK5[8]。OLED模塊采用控制器為SSD12864的OLED屏幕，耗電小，顯示清晰。直接通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)總線方式控制屏幕，耗電小、顯示清晰、方便快捷。

圖3 硬件架構

3.2 心率采集與調理電路

光電轉換電路在進行光電轉換過程中容易受到各種外界因素影響，考慮到采集電路的響應速度、抗干擾能力、靈敏度、轉換能力以及腕帶設備的體積、低功耗要求，設計如圖4所示心率采集調理電路。利用反射式光電容積原理對人體心率信號進行監(jiān)測，光源采用型號為AM2520ZGC09的綠色光發(fā)光二極管，其綠色光峰值波長為515 nm，工作電壓3.3～4.1 V。光接收器采用型號為APDS—9008的光電轉換器件，可檢測到峰值波長為565 nm的光線[9]，與光源波長相近，滿足靈敏度要求。

圖4 心率采集調理電路

由于人體心率信號強度在毫伏程度，易受外界因素影響，故在電路中加入400 Hz的巴特沃斯低通濾波電路及由MCP6001運算放大器組成的放大電路,經(jīng)計算電壓增益幅值約為331倍。

3.3 電源電路

設計如圖5所示電源電路，充電芯片選用BQ24232，其輸出電壓為4.4 V。系統(tǒng)工作電壓為3.3 V,需穩(wěn)壓降壓保護，選用TPS63031正常工作電流為50 μA對電壓進行穩(wěn)壓降壓，滿足低功耗要求，并在低于3.3 V時，輸出電壓仍為3.3 V，續(xù)航能力強[10]。圖中LED1為充電指示燈，J1部分為MINIUSB接口，為充電接口。

圖5 電源電路

3.4 GPRS及云平臺遠程通信

GPRS通信模塊選用西門子的GSM/GPRS雙模模塊MC35i，該芯片只要激活GPRS數(shù)據(jù)后，將會永遠在線不存在掉線問題。模塊與微處理器模塊通過串口連接，模塊的RXDO和TXD0管腳用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時IGT和PD管腳與微處理器I/O口相連方便控制MC35i的開關和復位操作。MC35i自帶網(wǎng)絡狀態(tài)指示接口，以脈沖信號控制發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)燈，作為當前網(wǎng)絡狀態(tài)指示[11]。以GPRS通信存在的問題是同一GPRS模塊每次上線獲得的IP地址是動態(tài)變化的，數(shù)據(jù)采集服務器無法準確定位GPRS。由此引入智能云服務平臺，下位機采集處理完數(shù)據(jù)后通過GPRS模塊實時上傳云平臺，Android端通過訪問云平臺獲取數(shù)據(jù)，同理，Android端發(fā)出指令也由云平臺傳輸，為遠程測量和監(jiān)控提供了一個理想方案。

4 軟件設計

下位機程序在CodeWarrior10.6軟件下使用C語言實現(xiàn)，系統(tǒng)選用的MCU為MKL25Z123VLK4芯片有多種低功耗工作模式,為保持設備實時監(jiān)測，設備報警及時準確，選用超低功耗(VLPRMode)模式。系統(tǒng)上電，成功初始化，進入VLPRMode模式，讀取AD數(shù)據(jù)，QS用于判斷是否發(fā)現(xiàn)心率信號，當QS為TRUE時為真，開始進行心率計算，將計算結果與設定閾值比較，超出閾值范圍，發(fā)送警報信息。心率數(shù)值正常，將數(shù)值同時發(fā)送至OLED屏顯示和云平臺儲存，若設備異常，則根據(jù)實際情況在發(fā)送報警信息至OLED屏顯示和云平臺儲存。流程如圖6。

圖6 監(jiān)測終端程序流程

上位機終端為Android設備(平板或手機等)。以JAVA程序語言開發(fā)系統(tǒng)APP，交互界面采用Android平臺自帶用戶界面(user interface,UI)組件設計，服務器采用SQL+SOCKET實現(xiàn)，利用SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存，結合SOCKET完成網(wǎng)絡通信[12,13]。利用Eclipse軟件中Bin目錄中編譯生成的APK文件可直接安裝在Android手機或平板上，相比Z-Wave、藍牙、ZigBee等無線通信方式，系統(tǒng)應用GPRS+云平臺通信技術，減少了時間、空間、環(huán)境的限制，且具備大量數(shù)據(jù)傳輸和儲存能力等優(yōu)點，用戶直接通過APP交互界面監(jiān)測，方便快捷。

應用Android平臺自帶UI組件設計交互界面，包括登陸界面和監(jiān)測界面，監(jiān)測界面顯示當前心率數(shù)值，心率異常時會通過彈窗模式提醒用戶查看數(shù)據(jù)，用戶可通過查看歷史按鈕查詢歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)以固定時鐘周期記錄現(xiàn)場心率數(shù)值并在云平臺儲存，同時異常數(shù)據(jù)單獨顯示，方便用戶查詢。當設備故障時仍會以彈窗形式提醒用戶并顯示故障原因，故障原因包括通信異常、賬號異常、下位機電量異常等，方便用戶及時處理。監(jiān)測界面設有設置按鈕，可根據(jù)實際情況更改報警閾值，Android端監(jiān)測界面如圖7所示。

圖7 Android端監(jiān)測界面

APP開啟并登陸后，實時訪問云平臺獲取心率數(shù)據(jù)，當有報警信號時以彈窗模式提醒用戶查看數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)正常時在APP監(jiān)測界面顯示當前心率數(shù)值，若有閾值改變操作，則發(fā)送指令到云平臺，方便下位機獲取。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設計完成后，監(jiān)測終端部分硬件實際尺寸為21 mm×17 mm×6 mm，采用M3500A型六位半數(shù)字萬用表實測平均功耗約16 mA。并分別對監(jiān)測終端和Android端進行測試。

6 結 論

1)信號獲取和Android終端按鍵測試：由于心率傳感器輸出為模擬信號，可準確反映心率情況，實驗時將該模擬信號引出接到示波器，示波器能準確反應心率信號。Android端APP登陸賬號后，能正常顯示心率值，閾值設置按鈕和歷史心率按鈕均能正常工作。

2)耗電測試：監(jiān)測終端充滿電后保持正常工作，能保證正常運行36 h以上，同時在低電量時，監(jiān)測終端OLED屏幕電量格會顯示為紅色，Android端會以彈窗模式提醒監(jiān)測終端電量不足。

3)通信故障測試：以關閉監(jiān)測終端電源和關閉手機數(shù)據(jù)流量2種方式分別模擬Android端獲取數(shù)據(jù)為空和無法訪問云平臺2種通信故障，Android端APP會一彈窗模式提醒通信故障。

4)賬號異常測試：用兩部手機重復登陸同一賬號，前一部手機APP會彈窗顯示賬號異地登陸，并主動退出監(jiān)測界面。

5)心率異常測試：為實驗方便，設定心率高閾值為110次/min，選取成年實驗人員穿戴實驗設備做劇烈運動，當心率超過閾值時，監(jiān)測終端OLED屏幕上指示燈報警，Android終端彈窗報警。

6)數(shù)據(jù)傳輸測試：選取實驗人員，分別對其靜息狀態(tài)、慢走狀態(tài)和慢跑狀態(tài)平均心率進行測試，均能正常顯示數(shù)據(jù)；為進行不同器件對比試驗，選取已上市產(chǎn)品SOLGO監(jiān)護手表進行同步對比試驗，每隔30 s采集1次，期間實驗人員在靜息、慢走和慢跑狀態(tài)隨意切換，實驗結果表明，同一時間檢測出的心率值基本一致，心率誤差范圍±2次/min，心率改變時間誤差范圍2 s，這是由于當心率發(fā)生變化時，要經(jīng)過2～6個脈搏周期才能準確測到，是信號檢測和濾波方式的延時導致，并不影響系統(tǒng)正常工作。