吳 超

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院，廣東 廣州 510900）

0 引 言

隨著傳感器、人機交互、柔性傳感器、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用和用戶體驗得到不斷豐富[1-2]。除了智能眼鏡、智能手表和智能手環(huán)等產(chǎn)品之外，智能服飾、智能鞋、智能配飾等產(chǎn)品形態(tài)相繼出現(xiàn)[3]。中國人口老齡化程度的逐漸加深，慢性病人群的增多以及健康管理方式的轉(zhuǎn)變推動了中國智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展?？纱┐鹘】当O(jiān)測設(shè)備改善了用戶的健康管理方式、提高了用戶的健康水平、提高了中國居民的生活質(zhì)量。心率的變化能直接或間接反映人體多方面的健康狀態(tài)[4]。當前使用最廣泛的心率計算方法是光電體積方法[5-6]。血管里的血液體積隨心臟泵血呈周期性變化，血液體積的周期性變化成為利用PPG信號進行心率估計的基礎(chǔ)。光電體積法容易受到干擾，如外界光干擾、手腕運動干擾、溫度干擾、皮膚出汗干擾等。本文將32位處理器STM32F103ZET6作為主控芯片，使用LM386聲音模塊采集數(shù)據(jù)，通過低功耗藍牙模塊nRF51822發(fā)送心率數(shù)據(jù)到手機，實現(xiàn)抗干擾性強且成本低的心率監(jiān)測設(shè)備。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

設(shè)備包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、藍牙傳輸模塊。主控芯片為32位處理器STM32F103ZET6，主要功能包括數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸、設(shè)備控制等。數(shù)據(jù)采集模塊為LM386。藍牙傳輸模塊nRF51822可把心率數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機。心率監(jiān)測設(shè)備通過LED燈顯示工作狀態(tài)，有2個按鍵（電源開關(guān)鍵和設(shè)備重啟鍵）。設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32F103ZET6

STM32F103ZET6由ST公司出品，采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高達72 MHz，具有512 KB FLASH、多種外設(shè)、USB接口和CAN接口。它適用于高速處理環(huán)境，如圖像處理、飛控等領(lǐng)域。STM32F103ZET6內(nèi)嵌8 MHz的RC振蕩器，多達8個定時器，3個16位定時器，2個看門狗定時器（獨立型和窗口型），3個USART接口，通用同步/異步串行接收/發(fā)送器。STM32F103ZET6芯片原理如圖2所示。

圖2 STM32F103ZET6主控芯片

2.2 聲音模塊

LM386是一種音頻集成功率放大器，具有功耗低、內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點。LM386主要應(yīng)用于低電壓消費產(chǎn)品。微雪聲音傳感器模塊使用LM386對音頻信號進行200倍放大，靈敏度可調(diào)。聲音模塊與STM32F103ZET6的端口連接如圖3所示。

圖3 聲音模塊與STM32端口連接

2.3 nRF51822無線傳輸模塊

nRF51822是功能強大的多協(xié)議SoC，適用于Bluetooth低功耗和2.4 GHz超低功耗無線應(yīng)用。nRF51822擁有256 KB FLASH，16 KB RAM的32位ARM Cortex M0 CPU。靈活的31引腳GPIO映射方案可使I/O（例如串行接口、PWM和正弦解調(diào)器）根據(jù)PCB需求映射到任何設(shè)備引腳。nRF51822支持 S110藍牙低功耗協(xié)議堆棧及2.4 GHz協(xié)議堆棧。nRF51822電路原理如圖4所示。

圖4 nRF51822電路原理

主控芯片STM32F103ZET6通過串口1連接到nRF51822的串口，發(fā)送心率數(shù)據(jù)到nRF51822，nRF51822把心率數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到用戶手機。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議

主控芯片STM32F103ZET6通過串口1發(fā)送心率數(shù)據(jù)到nRF51822。串口數(shù)據(jù)傳輸格式為十六進制，消息長度為4字節(jié)，第一個字節(jié)表示類型，十六進制表示為0x48（H）；第二個字節(jié)表示id號；第三個字節(jié)表示心率數(shù)值；第四個字節(jié)表示換行，十六進制表示為0x0A。消息格式如圖5所示。

圖5 串口消息格式

3.2 整體程序設(shè)計

可穿戴心率監(jiān)測設(shè)備首先進行硬件初始化，包含按鍵、LED燈、ADC轉(zhuǎn)換器、定時器。主控芯片STM32F103ZET6使用定時器控制采集聲音和計算心率值的時間，聲音采集頻率為10 ms/次，心率計算頻率為30 s/次。主控芯片STM32F103ZET6計算心率值后，通過USART1發(fā)送到nRF51822模塊，nRF51822模塊通過藍牙發(fā)送到用戶手機。用戶手機APP可以顯示心率的歷史數(shù)據(jù)。程序流程如圖6所示。

圖6 心率監(jiān)測設(shè)備程序流程

3.3 數(shù)據(jù)采集

主控芯片STM32F103ZET6通過LM386聲音模塊獲得聲音數(shù)據(jù)。LM386聲音模塊通過AOUT端口輸出模擬信號，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后獲得聲音對應(yīng)的電壓值。

3.4 數(shù)據(jù)處理

心率信號是低頻信號，最高值約為150次/min，最低值約為40次/min。設(shè)備通過低通濾波過濾高頻信號，然后通過計數(shù)函數(shù)的波峰個數(shù)獲得用戶的心率值。

計算信號數(shù)值的一階導(dǎo)數(shù)，波峰是一階導(dǎo)數(shù)從正數(shù)變?yōu)樨摂?shù)的點。因為心率最高值約為150次/min，設(shè)備的聲音采樣頻率為100 Hz，所以波峰點間的距離不能小于40。

4 實驗結(jié)果分析

設(shè)備采集的心率聲音信號通過低通濾波可以過濾很多高頻干擾信號，使心率計算更容易。對30 s的心率聲音信號數(shù)據(jù)進行處理，低通濾波保留小于3 Hz的信號，濾波效果如圖7所示。

圖7 心率信號低通濾波

查找函數(shù)的峰值，計算心率數(shù)值，根據(jù)心率數(shù)值的正常范圍過濾異常數(shù)據(jù)點，使心率計算更準確。經(jīng)過計算，當前的心率數(shù)值為68次/min，圖8中的紅色圓點是計算的波峰。圖9數(shù)據(jù)中的干擾點不會影響心率的計算，計算的心率數(shù)值為80次/min。

圖8 心率信號波峰個數(shù)計算

圖9 存在異常數(shù)據(jù)的心率計算

5 結(jié) 語

本設(shè)計實現(xiàn)了一個抗干擾性強且成本較低的可穿戴心率監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)崟r監(jiān)視用戶的心率數(shù)據(jù)。設(shè)備通過藍牙與用戶手機進行數(shù)據(jù)傳輸，使用方便。設(shè)備使用的聲音傳感器容易安裝到衣物中，數(shù)據(jù)采集方便。未來，筆者將對本設(shè)備的功耗進行優(yōu)化，以延長該心率監(jiān)測設(shè)備的使用時間。