任志敏，李長(zhǎng)旺

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

目前，家中的各種電器設(shè)備眾多，既有電燈、電視機(jī)、電扇等傳統(tǒng)電器，也有掃地機(jī)器人、藍(lán)牙功放等新設(shè)備，不管是哪種電器，開關(guān)機(jī)的方式無(wú)非就是三種，一是傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)；二是遙控器開關(guān);三是通過(guò)手機(jī)端APP實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)。從中不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)械開關(guān)需要人體直接接觸，遙控器和APP雖然增加了便利性，比起機(jī)械開關(guān)方式進(jìn)步了很多，但是還需要人為操作干預(yù)，三種開關(guān)機(jī)方式都未能做到真正的智能化自主開關(guān)機(jī)。

傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得我們可以較為方便地隨時(shí)隨地獲取人體的心率數(shù)據(jù)。本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，在人體進(jìn)入睡眠狀態(tài)后，自主關(guān)閉電燈等家用電器，人體開始蘇醒時(shí)，自主打開相關(guān)家用電器和設(shè)備。

1 總體設(shè)計(jì)

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，獲取心率數(shù)據(jù)的有效方案主要有以下三種。

方案一是使用攝像頭拍攝人體手指等部位，把采集的視頻信息進(jìn)行數(shù)字化處理，分析視頻信息的顏色變化，經(jīng)過(guò)一系列的處理獲取心率數(shù)據(jù)[1]。

方案二是ECG(Electrocardiograph)[2]，ECG的典型應(yīng)用就是醫(yī)院的心電圖，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量數(shù)據(jù)精確，缺點(diǎn)是需要較多測(cè)量裝置，體積較大，不易佩戴。

方案三是PPG(Photoplethysmography)[3]。PPG指的是光電容積脈搏波描記法。血管中的血液流動(dòng)會(huì)受到心臟搏動(dòng)影響，而產(chǎn)生周期性活動(dòng)，形成血壓呈周期性變化，在充滿彈性的血管中因?yàn)檫B續(xù)的壓力變化，因而造成血管的截面管徑會(huì)因此而改變血管直徑大小，這種血管變化亦會(huì)造成血壓在變化上呈現(xiàn)連續(xù)的狀態(tài)[4]。PPG測(cè)量脈搏就是基于以上基礎(chǔ)，采用LED和光電探測(cè)器，LED一般向血管發(fā)射綠色光，有部分發(fā)射光被吸收，還有一部分光被反射或透射，被光接收器接收，其工作原理如圖1所示。

圖1 反射式光電探測(cè)器工作原理圖

PPG的典型應(yīng)用是現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)手環(huán)或手表，其優(yōu)點(diǎn)是體積較小，攜帶方便，易于佩戴，缺點(diǎn)是較之ECG方案心率數(shù)據(jù)精確性稍低。

經(jīng)過(guò)研究比較現(xiàn)有的三種方案后發(fā)現(xiàn)，方案一操作起來(lái)比較麻煩，而且需要使用攝像頭，需處理的數(shù)據(jù)量較大。方案二也不適合本課題，顯然不可能在人體睡眠時(shí)佩戴各種電極裝置，因此，排除方案一和二。方案三的裝置倒是合適的，但是現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)手環(huán)或手表僅僅局限于測(cè)量心率，數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸至手機(jī)APP端顯示，用戶僅僅能讀取心率數(shù)據(jù)，了解自己身體狀況，無(wú)法有效利用數(shù)據(jù)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)該類型APP程序并未公開源碼，用戶無(wú)法對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。

為此，我們提出了本課題的方案，借鑒方案二的一些優(yōu)點(diǎn)，摒棄其局限性。本課題總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案圖

從圖2中可以看出，系統(tǒng)一共由四部分組成，分別是①心率采集處理裝置S(以下簡(jiǎn)稱為裝置S)；②開關(guān)機(jī)命令接收?qǐng)?zhí)行裝置R(以下簡(jiǎn)稱為裝置R)；③PC端上位機(jī)處理程序(以下簡(jiǎn)稱PC端程序)；④手機(jī)或平板設(shè)備處理程序(以下簡(jiǎn)稱手機(jī)端程序)。其中裝置S處于整個(gè)系統(tǒng)的核心地位，負(fù)責(zé)心率數(shù)據(jù)采集，處理，學(xué)習(xí)，判斷，基于數(shù)據(jù)判斷情況通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)出開關(guān)機(jī)命令。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，選擇低功耗藍(lán)牙無(wú)線傳輸方式，分別設(shè)計(jì)了心率數(shù)據(jù)采集模塊，無(wú)線模塊電路，裝置S主板電路，裝置R主板等電路。

2.1 心率數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

如前文所述，采用PPG方式獲取心率數(shù)據(jù)。心率數(shù)據(jù)采集模塊主要由環(huán)境光傳感器APDS-9008，綠色光源發(fā)光二極管AM2520ZGC09和運(yùn)放MCP6001組成。共引出三個(gè)引腳，分別是電源VCC，電源地GND和信號(hào)SIGNAL。

2.2 無(wú)線模塊電路設(shè)計(jì)

nRF52832是Nordic公司推出的一款支持BLE(Bluetooth4.0 low energy)的嵌入式微控制器[9]。它是一款為超低功耗無(wú)線應(yīng)用ULP(Ultra Low Power)打造的多協(xié)議單芯片解決方案。nRF52832整合了Nordic一流的無(wú)線收發(fā)器，一個(gè)ARM Cortex-M4內(nèi)核以及512KB的Flash+64KB的RAM，其支持BLE和專用2.4GHz協(xié)議棧。nRF52832有豐富的外設(shè)接口，包括31個(gè)靈活可配置的通用輸入輸出引腳，支持SPI/TWI/UART等串行通信，支持10bit ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，最高工作主頻達(dá)64 MHz。

從中我們不難發(fā)現(xiàn)，nRF52832既支持低功耗藍(lán)牙BLE5.0，即支持主從一體模式，又采用32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，不管是從運(yùn)行速度還是藍(lán)牙支持方面都符合本課題的設(shè)計(jì)需求。因此，nRF52832作為裝置S和R的核心微控制器，用于核心板的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 無(wú)線模塊nRF52832原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 雙緩沖PPI通道模數(shù)轉(zhuǎn)換

nRF52832基于Cortex-M4內(nèi)核設(shè)計(jì)，內(nèi)部設(shè)置了PPI(Programmable Peripheral Interconnect)可編程外設(shè)接口，功能上PPI和DMA(Direct Memory Access)直接存儲(chǔ)訪問(wèn)有些類似。PPI通道使得外設(shè)可以通過(guò)PPI自動(dòng)連接任務(wù)和事件，不需要CPU參與，可以有效降低功耗，提高處理器效率。PPI一端連接的是事件端點(diǎn)(EEP)，另外一端連接的是任務(wù)端點(diǎn)(TEP)。因此PPI可以通過(guò)一個(gè)外設(shè)上發(fā)生的事件自動(dòng)觸發(fā)另一個(gè)外設(shè)上的任務(wù)。首先外設(shè)事件需要通過(guò)與事件相關(guān)的寄存器地址連接到一個(gè)事件端點(diǎn)，另一端外設(shè)任務(wù)事件也需要通過(guò)此任務(wù)相關(guān)的任務(wù)寄存器地址連接到任務(wù)端點(diǎn)，當(dāng)兩端連接好后就可以通過(guò)PPI自動(dòng)觸發(fā)了。

為了保證心率采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，本課題把心率采集模塊的Signal信號(hào)輸出口與P0.31引腳模擬輸入通道7相連，配置為單通道輸入方式，采樣精度為10位，參考電壓為內(nèi)部0.6V。采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式(continuous mode)，連續(xù)采樣模式能夠通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣，或者觸發(fā)任務(wù)通過(guò)PPI連接一個(gè)通用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了提高轉(zhuǎn)換效率，本課題采用精確的1/16 MHz定時(shí)器通過(guò)PPI啟動(dòng)的雙緩沖中斷采樣模式，把啟動(dòng)ADC采樣事件的任務(wù)交給定時(shí)器和PPI通道來(lái)完成，CPU不需要參與。

基于以上分析，本課題采用PPI通道雙緩沖采集數(shù)據(jù)步驟為：

Step1:SAADC初始化，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換通道為NRF_SAADC_INPUT_AIN7，配置好SAADC轉(zhuǎn)換回調(diào)函數(shù)，設(shè)置雙緩沖數(shù)組。

Step2:配置好定時(shí)器事件和PPI觸發(fā)通道，定時(shí)時(shí)間為2ms。

Step3:使能PPI觸發(fā)通道，等待SAADC采用完成觸發(fā)中斷，調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

其中Step1中設(shè)置雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，通過(guò)設(shè)置2個(gè)緩沖數(shù)組，啟動(dòng)采樣后數(shù)據(jù)依次進(jìn)入緩沖數(shù)組1和緩沖數(shù)組2，當(dāng)兩個(gè)數(shù)組內(nèi)都有數(shù)據(jù)就會(huì)觸發(fā)中斷事件發(fā)生，中斷后輸出緩沖數(shù)組2的內(nèi)容。數(shù)據(jù)流向如圖4所示。

圖4 雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸流程圖

設(shè)置雙緩沖機(jī)制的好處是顯而易見(jiàn)的，心率數(shù)據(jù)采集為2ms一次，雙緩沖可以保證有足夠的時(shí)間處理心率數(shù)據(jù)，避免前后心率數(shù)據(jù)覆蓋。

3.2 處理心率數(shù)據(jù)觸發(fā)開關(guān)機(jī)算法設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)心率數(shù)據(jù)，特別是BPM值準(zhǔn)確判斷人體狀態(tài)的目的，本課題研究了幾種方案。方案一是設(shè)定兩個(gè)BPM閾值，比如70和75，即若監(jiān)測(cè)500次BPM值，平均值低于74，認(rèn)為人體進(jìn)入睡眠狀態(tài);若平均值位于70～75之間，認(rèn)為人體開始進(jìn)入蘇醒狀態(tài)。方案二是監(jiān)測(cè)心率變化的狀態(tài)，即從BPM曲線看，曲線趨勢(shì)是下降的，認(rèn)為人體進(jìn)入睡眠狀態(tài);曲線趨勢(shì)是高低不平的，認(rèn)為人體是日?；顒?dòng)狀態(tài);曲線趨勢(shì)是上升的，認(rèn)為人體開始進(jìn)入蘇醒狀態(tài)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，方案一的BPM閾值設(shè)定不是一件容易的事情，因?yàn)锽PM與每個(gè)個(gè)體相關(guān)。方案二曲線趨勢(shì)變化，當(dāng)人體進(jìn)入睡眠狀態(tài)，曲線趨勢(shì)也是有高有低的。考慮到以上兩種方案的劣勢(shì)，本課題研究了第三種方案，步驟是：

Step1：首先學(xué)習(xí)人體在不同狀態(tài)時(shí)的BPM值，比如人體在22:00開始睡覺(jué)，與此同時(shí)開始監(jiān)測(cè)BPM值，設(shè)定監(jiān)測(cè)時(shí)間，可以是30 min，45 min，60 min等，統(tǒng)計(jì)這段時(shí)間內(nèi)人體的BPM平均值；其次，持續(xù)監(jiān)測(cè)人體在睡眠狀態(tài)時(shí)的BPM值，直到人體開始進(jìn)入蘇醒狀態(tài)的時(shí)刻，每隔1 h計(jì)算一次平均BPM值，通過(guò)這些平均BPM值可以較好判斷人體到底處于哪種狀態(tài)，這些學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)值存入裝置S的EEPROM存儲(chǔ)器。

Step2:關(guān)機(jī)判斷算法。有了Step1的人體狀態(tài)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，接下來(lái)就可以通過(guò)其做出判斷和決策了。關(guān)機(jī)判斷程序算法如圖5所示，算法描述中使用的相關(guān)變量描述見(jiàn)表1。

表1 關(guān)機(jī)判斷程序相關(guān)變量描述

從圖5中可以看出，從某個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始，持續(xù)監(jiān)測(cè)人體心率BPM，并作計(jì)數(shù)，每個(gè)BPM與用戶設(shè)定的myThresh值與經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的人體進(jìn)入睡眠狀態(tài)BPM平均值A(chǔ)VE比較大小，分別計(jì)數(shù)小于次數(shù)countd和大于次數(shù)countu，共監(jiān)測(cè)500次BPM作為一組，若計(jì)數(shù)countd多余countu，則認(rèn)為人體進(jìn)入睡眠狀態(tài)，發(fā)出關(guān)機(jī)命令，否則繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)500次BPM數(shù)據(jù)的比較。開機(jī)判斷算法與關(guān)機(jī)算法類似，在此不再贅述。

3.3 PC端上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

PC端通過(guò)串口與裝置S相連，本課題設(shè)計(jì)的PC端上位機(jī)實(shí)現(xiàn)兩大任務(wù)，一是直觀顯示心率曲線，二是設(shè)定心率學(xué)習(xí)參數(shù)，比如設(shè)定心率學(xué)習(xí)時(shí)間段，設(shè)定閾值等，用于測(cè)試裝置S心率學(xué)習(xí)、判斷、決策、指揮的功能能否順利實(shí)現(xiàn)[5]。上位機(jī)程序運(yùn)行圖如圖6所示。

圖6 PC端上位機(jī)程序運(yùn)行圖