李廣勝，石建飛，安思宇，李照園

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

蛙人作為水下滲透、偵查、突襲等特種作戰(zhàn)任務(wù)的重要力量，具有隱蔽性高、破壞力強等特點，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，蛙人訓練與作戰(zhàn)環(huán)境的嚴酷性和高危險性，易導致潛水疾病的出現(xiàn)和潛水事故的發(fā)生，嚴重威脅著水下蛙人的生命安全[1]。因此，非常有必要引入生命體征監(jiān)測手段或裝置，實現(xiàn)蛙人水下生理體征信息的監(jiān)測，以便及時地了解蛙人在訓練過程中的生理狀況，準確地定位問題并采取相應救護措施，有效提高蛙人水下訓練的安全性以及環(huán)境適應能力。

脈搏作為人體生命體征的重要生理指標之一，可作為水下訓練時蛙人生命體征狀態(tài)評估的可靠參考依據(jù)[2]。目前，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)和公司開展了水下人體生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的研究，并開發(fā)了多種水下生命體征監(jiān)測方法與設(shè)備。其中，可穿戴式生命體征監(jiān)測設(shè)備因其便攜性好而被廣泛應用于潛水訓練體征監(jiān)測和輔助醫(yī)療救護等領(lǐng)域。目前，成熟的水下可穿戴式體征監(jiān)測設(shè)備主要有心率帶和腕式心率表兩種。其中，心率帶主要通過佩戴方式來獲取準確的心跳數(shù)據(jù)。例如，Garmin 公司推出的HRM-Swim 和HRM-Tri 心率帶，Polar 公司開發(fā)的H 系列水下專用心率帶，能夠方便快速地獲得心率數(shù)。然而，心率帶對于佩戴位置以及松緊度有著較高的要求，且佩戴的舒適感較差，一旦出現(xiàn)滑動或者松動，都會影響心率的檢測。對于腕式心率表，具有代表性的產(chǎn)品主要有潛水手表和潛水電腦，其主要利用心率傳感器通過監(jiān)控腕部脈搏信號獲取心率數(shù)。例如，采用光學心率傳感器的Garmin Swim 和Suunto Ambit3 腕表能準確地實時監(jiān)測心率數(shù)據(jù)，為水下潛水員訓練提供更多有效和準確的數(shù)據(jù)支持。與歐美等西方發(fā)達國家相比，國內(nèi)在水下生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的研究起步較晚，尤其是在可穿戴式水下蛙人脈搏監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究鮮見報道，暫沒有更為成熟的產(chǎn)品在水下應用[3]。

隨著國內(nèi)外對水下蛙人特種訓練和作戰(zhàn)的需求日益增加，相關(guān)使用者對于水下蛙人生命體征監(jiān)測設(shè)備的性能要求越來越嚴格，提出了更多、更高的要求。除了要具有低成本、高性能的特征之外，還要求操作便捷、工作模式多樣、數(shù)據(jù)存儲靈活，能夠提供更多的輔助信息以便減少其他輔助設(shè)備。因此，研究適用于水下蛙人訓練的便攜脈搏監(jiān)測設(shè)備具有重要意義。

為此，本文從水下蛙人訓練與作戰(zhàn)的實際應用需求出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種集成水下蛙人脈搏信號采集、處理、存儲于一體的可穿戴式脈搏監(jiān)測系統(tǒng)，可有效滿足水下蛙人訓練狀態(tài)下的脈搏信息實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲以及靈活的工作模式等需求，從而保障蛙人水下訓練任務(wù)安全、高效地進行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計的水下蛙人脈搏監(jiān)測設(shè)備主要包括脈搏信號采集模塊和值班控制模塊兩部分。其中，脈搏信號采集模塊主要實現(xiàn)脈搏信號的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能；值班控制模塊作為脈搏監(jiān)測設(shè)備的核心，主要完成脈搏信號處理與分析、系統(tǒng)工作模式與邏輯控制、通信指令與數(shù)據(jù)交互以及系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測等功能。水下蛙人脈搏監(jiān)測設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水下蛙人脈搏監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)

脈搏信號采集模塊主要包括傳感器和信號采集單元兩部分。值班控制模塊主要包括值班單元、數(shù)據(jù)存儲單元、通信單元、電源管理模塊以及電池五部分。其中，值班單元主要根據(jù)設(shè)定的模式運行ARM（Advanced RISC Machine，ARM）嵌入式值班控制軟件與脈搏檢測軟件；數(shù)據(jù)存儲單元主要根據(jù)控制指令并按照預定的格式要求完成脈搏數(shù)據(jù)存儲、導出、刪除等操作；通信模塊主要負責與其他外設(shè)之間的指令與數(shù)據(jù)交互；電源管理模塊具有多路電源輸出能力，為值班單元、通信單元、數(shù)據(jù)存儲單元以及脈搏信號采集模塊提供工作電源。

1.2 工作原理

1.2.1 系統(tǒng)工作原理

進行脈搏信號采集時，將脈搏監(jiān)測設(shè)備嵌入蛙人潛水服腕部的內(nèi)襯中或者通過表帶固定在蛙人腕部，同時通過通信線纜與外設(shè)進行通信指令與數(shù)據(jù)的交互。

設(shè)備上電后，通過RS-232 串口可與外設(shè)進行通信指令與數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對設(shè)備的工作模式設(shè)置、數(shù)據(jù)導出/刪除、存儲容量查詢等操作。其中，工作模式設(shè)置主要根據(jù)不同的應用需求，設(shè)置不同工作模式下的脈搏監(jiān)測任務(wù)；數(shù)據(jù)導出/刪除主要實現(xiàn)脈搏存儲數(shù)據(jù)的查詢、導出、刪除等操作；存儲容量查詢主要完成設(shè)備中Flash 存儲容量使用情況的查詢操作。

設(shè)備設(shè)置完畢后，脈搏監(jiān)測設(shè)備按照配置任務(wù)設(shè)定的工作模式進行脈搏信號采集與數(shù)據(jù)存儲工作，并進行系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。首先，值班控制模塊讀取系統(tǒng)配置任務(wù)并根據(jù)任務(wù)配置參數(shù)進行當前工作模式的設(shè)置與切換，對應執(zhí)行脈搏信號采集與數(shù)據(jù)存儲工作，并通過串口將相關(guān)數(shù)據(jù)回傳至外設(shè)進行顯示、保存及處理等操作。其次，實時監(jiān)測外設(shè)的通信指令。若檢測到通信指令，則值班控制模塊進行通信指令分析并執(zhí)行相關(guān)操作。最后，定時監(jiān)測、分析系統(tǒng)運行狀態(tài)如電量、存儲容量等，完成狀態(tài)信息的日志記錄。

1.2.2 脈搏檢測原理

人體脈搏信號主要是由于心臟周期性的收縮與舒張而形成的一系列沿著外周血管傳播的脈搏波，具有頻率低、強度弱且呈節(jié)律變化的特點[4]。

本文的脈搏檢測采用光電容積脈搏波檢測方法，主要通過檢測腕部微細血管中血液容積變化的方式，采用光電式心率檢測技術(shù)進行脈搏信號的測量。具體來說，由于心臟搏動導致血管內(nèi)血液容積的周期性變化，使得血管對光束的吸收與反射的程度隨之產(chǎn)生周期性變化。通過光電式血氧心率傳感器檢測取脈處的反射光線強度的波動變化，同時利用光電檢測技術(shù)把對應于脈搏搏動情況的光學信號轉(zhuǎn)換為對應的電信號，經(jīng)過濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及分析后獲取有效的脈搏參數(shù)?；诠怆娛窖跣穆蕚鞲衅鞯拿}搏檢測原理如圖2 所示。

圖2 基于光電式血氧心率傳感器的脈搏檢測原理示意圖

當血氧心率傳感器以一定的頻率發(fā)出紅光/紅外光束照射到腕部皮膚時，由于腕部血液和皮膚肌肉的吸收衰減作用，部分光束將通過反射方式傳送到血氧心率傳感器。在此過程中，腕部微細血管中的血液容積在心臟收縮與舒張作用下，呈現(xiàn)周期性的規(guī)律變化。例如，當心臟收縮時，腕部微細血管中的血容量最多，血液中的血紅素密度高，能夠反射較多紅光，血氧心率傳感器檢測到的光強度將會變強；當心臟舒張時，腕部微細血管血容量最少，血液中的血紅素密度低，能夠反射較少紅光，血氧心率傳感器檢測到的光強度將會變?nèi)?。在心臟收縮和舒張周期中，利用血氧心率傳感器根據(jù)反射光強度的變化信號轉(zhuǎn)換成對應的脈搏電信號的變化，通過對脈搏電信號進行相關(guān)算法分析即可計算出脈搏參數(shù)。

1.3 工作模式

水下蛙人脈搏監(jiān)測設(shè)備的工作模式主要有固定時間采集模式、低功耗采集模式以及待機模式。三種工作模式相對獨立，且可以通過控制指令進行自由切換。系統(tǒng)默認為低功耗采集模式。

1.3.1 固定時間采集模式

在固定時間采集模式下，值班控制模塊根據(jù)設(shè)定的任務(wù)時間（開始時間與結(jié)束時間），進行脈搏信號采集與數(shù)據(jù)存儲操作。若設(shè)定的任務(wù)開始時間已到，則開啟脈搏信號采集工作，進行數(shù)據(jù)存儲操作；若設(shè)定的結(jié)束時間已到，則停止上述脈搏信號采集工作與數(shù)據(jù)存儲工作。

1.3.2 低功耗采集模式

與固定時間采集模式相比，低功耗采集模式下的脈搏信號采集與數(shù)據(jù)存儲操作需要滿足特定的觸發(fā)條件才會被執(zhí)行，即當值班控制模塊檢測到有效脈搏信號且滿足一定的閾值條件后，開啟上述脈搏信號采集與數(shù)據(jù)存儲操作。

1.3.3 待機模式

在待機模式下，值班控制模塊僅開啟通信單元，保持最低功耗的值班狀態(tài)，并實時監(jiān)測外設(shè)的通信指令。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

綜合外設(shè)接口以及低功耗等需求，本文提出一種基于ARM+血氧心率傳感器架構(gòu)的水下蛙人脈搏監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)硬件設(shè)計方案。

脈搏監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)的硬件主要由值班控制模塊和脈搏信號采集模塊兩部分組成。其中，值班控制模塊硬件主要由值班控制ARM、RS-232 通信單元及其外圍電路構(gòu)成。值班控制ARM 作為核心控制器，一方面負責系統(tǒng)工作模式管理、脈搏信號采集、數(shù)據(jù)處理、存儲控制以及系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測；另一方面負責與外設(shè)進行通信指令和數(shù)據(jù)的交互。外圍電路主要包括高精度RTC 時鐘模塊、Flash 及電源管理模塊等。脈搏檢測模塊主要由血氧心率傳感器、I2C 接口電平轉(zhuǎn)換單元以及電源轉(zhuǎn)換單元三部分組成。血氧心率傳感器主要完成脈搏信號采樣、信號轉(zhuǎn)換、預處理，并按通信協(xié)議打包數(shù)據(jù)及發(fā)送，I2C 接口電平轉(zhuǎn)換單元主要負責血氧心率傳感器與值班控制ARM 之間I2C 接口的電平轉(zhuǎn)換，電源轉(zhuǎn)換單元主要為脈搏信號采集模塊提供工作電源。

此外，值班控制模塊與脈搏信號采集模塊之間通過I2C 接口進行數(shù)據(jù)傳輸。值班控制ARM 與通信單元之間通過USART 串口進行通信指令與數(shù)據(jù)傳輸，值班控制ARM 與Flash 之間通過SPI 總線進行數(shù)據(jù)傳輸，值班控制ARM 與電源管理模塊通過A/D 接口進行電壓信號檢測。此外，值班控制ARM與電池組通過單通道A/D 接口進行數(shù)據(jù)采集。脈搏監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)硬件組成如圖3 所示。

圖3 脈搏監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1 值班控制模塊

值班控制ARM 采用ST 公司推出的STM32F051x系列芯片，其內(nèi)部集成豐富的USART，I2C，SPI及A/D 等接口，方便擴展外圍電路。

值班控制ARM 主要通過接口擴展組成最小脈搏監(jiān)測系統(tǒng)，其接口主要包括1 路RS-232、1 路I2C、1 路SPI 以及1 路A/D 接口。通過RS-232 接口，模塊可與外設(shè)進行通信指令與數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置、任務(wù)下載與刪除、狀態(tài)查詢以及存儲數(shù)據(jù)的導出與刪除等操作；通過I2C 接口，模塊可與MAX30102 傳感器進行通信，獲取脈搏采集數(shù)據(jù)；通過SPI 接口，模塊可與Flash 進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)工作參數(shù)、任務(wù)列表、脈率參數(shù)的本地存儲以及系統(tǒng)運行狀態(tài)信息的日志記錄等功能；通過A/D 接口，模塊可進行電池電壓的實時監(jiān)測。值班控制模塊硬件電路原理如圖4 所示。

圖4 值班控制模塊硬件電路原理圖

值班控制ARM 采用8 MHz 無源晶振構(gòu)建系統(tǒng)工作時鐘，采用32.768 kHz 無源晶振時鐘電路提供RTC時間戳信息，采用大容量SPI接口FLASH芯片，為系統(tǒng)提供64 Mb 存儲容量；采用MAX3232 芯片對外提供標準RS-232 通信接口。

2.2 脈搏信號采集模塊

脈搏信號采集模塊主要采用Maxim 公司開發(fā)的一體化集成血氧心率傳感器MAX30102 作為脈搏信號采集與預處理芯片，其內(nèi)部集成了一套完整的信號采集電路，極大地簡化了硬件設(shè)計過程。

MAX30102 傳感器內(nèi)部集成了LED、光電檢測器、帶環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波電路，采用1.8 V單電源以及用于內(nèi)部LED 的5 V 電源供電，并對外提供標準I2C 兼容通信接口，可以將采集到的脈搏數(shù)據(jù)傳輸給外部設(shè)備。此外，該芯片還可通過軟件配置實現(xiàn)低功耗值班狀態(tài)。基于MAX30102 的脈搏信號采集模塊電路原理如圖5 所示。

圖5 脈搏信號采集模塊電路原理圖

脈搏信號采集模塊采用LDO 電源芯片RT9013為MAX30102 提供1.8 V 的工作電源，采用4 通道雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器ADG3304 進行I2C 接口電平轉(zhuǎn)換，使其具有更好的接口兼容性。

此外，根據(jù)功能模塊劃分，脈搏監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)硬件主要包括脈搏信號采集板和值班控制板兩部分，且兩板卡整體采用板卡層疊布局設(shè)計方式，降低了板卡空間尺寸。脈搏監(jiān)測設(shè)備硬件板卡實物如圖6 所示。

圖6 脈搏監(jiān)測設(shè)備硬件板卡實物

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

脈搏監(jiān)測設(shè)備軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，每個功能模塊均為一個獨立的軟件模塊。軟件模塊主要有值班控制軟件、脈搏檢測軟件以及狀態(tài)監(jiān)測軟件。

3.1 值班控制軟件

值班控制軟件作為脈搏監(jiān)測設(shè)備的系統(tǒng)控制中心，主要完成不同任務(wù)的工作模式控制和脈搏信號分析與存儲等工作。

值班控制模塊初始化完成后，值班控制ARM首先實時監(jiān)測RS-232 接口狀態(tài)，判斷是否收到外部通信指令。若接收到通信指令，則對通信指令與數(shù)據(jù)進行解析，并進行相應的指令解析與處理操作。若未接收到通信指令，則值班控制ARM 根據(jù)當前任務(wù)配置參數(shù)實現(xiàn)當前工作模式選擇與任務(wù)管理，通過I2C 接口獲取MAX30102 的脈搏數(shù)據(jù)并進行脈搏數(shù)據(jù)分析、存儲以及脈率參數(shù)回傳。若在當前工作模式下，脈搏信號分析結(jié)果滿足存儲條件，則開啟脈搏數(shù)據(jù)存儲功能。值班控制ARM 運行狀態(tài)監(jiān)測軟件對系統(tǒng)電量、存儲容量等信息進行定時監(jiān)測。為防止系統(tǒng)跑飛等問題，值班控制ARM 在每個循環(huán)周期內(nèi)進行喂狗操作。值班控制軟件工作流程如圖7 所示。

圖7 值班控制模塊軟件流程

3.2 脈搏檢測軟件

脈搏檢測軟件作為獨立的算法模塊，運行在值班控制ARM 中，主要實現(xiàn)脈搏數(shù)據(jù)預處理、脈率參數(shù)計算以及脈率參數(shù)反饋等功能。

獲取脈搏數(shù)據(jù)后，脈搏檢測軟件首先對脈搏數(shù)據(jù)包進行解析，并提取出有效的原始脈搏數(shù)據(jù)。其次，采用自適應濾波算法對原始脈搏信號進行預處理，去除噪聲，從而得到信噪比高的脈搏波信號[5]。接著，脈搏檢測軟件對脈搏波信號進行頻域分析，基于脈搏連續(xù)性和基諧波的脈率計算規(guī)則，通過尋找脈搏波頻譜上的譜峰來估算出脈率值[6]。最后，將計算后的脈率值反饋至值班控制模塊端。脈搏檢測軟件流程如圖8 所示。

圖8 脈搏檢測軟件流程

3.3 狀態(tài)監(jiān)測軟件

狀態(tài)監(jiān)測軟件主要用于實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，主要包括電量監(jiān)測和存儲容量監(jiān)測兩部分。為實現(xiàn)上述監(jiān)測功能，值班控制模塊設(shè)有定時器固定節(jié)拍中斷，該節(jié)拍作為狀態(tài)監(jiān)測軟件的計時基準。

電量監(jiān)測主要完成各個功能模塊電量消耗統(tǒng)計與電池剩余電量評估。存儲容量監(jiān)測主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲模塊已用存儲容量和剩余存儲容量統(tǒng)計，為脈搏采集數(shù)據(jù)的存儲控制提供參考依據(jù)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

脈搏監(jiān)測設(shè)備佩戴于蛙人腕部并隨蛙人工作在水下環(huán)境，因此結(jié)構(gòu)需進行水密設(shè)計。此外，由于脈搏監(jiān)測設(shè)備與腕部皮膚表面間水的侵入會造成MAX30102傳感器對于反射光、折射光的光污染，干擾甚至中斷脈搏信號檢測，所以脈搏監(jiān)測設(shè)備與腕部接觸處的表面結(jié)構(gòu)透光性和接觸水密性需要重點考慮。

綜合考慮設(shè)備的便攜性、可穿戴性以及水密性等要求，基于醫(yī)用聽診器聽頭外形構(gòu)造的啟發(fā)，本文設(shè)計的水密結(jié)構(gòu)整體采用扁平的圓柱形且底部微微下凸的設(shè)計造型，頂面設(shè)計有光滑的圓弧面，側(cè)面留有水密線纜接口，整體采用耐腐蝕性能好的鋁合金材料。該結(jié)構(gòu)方案具有穿戴簡單、便捷的特點，能夠滿足蛙人水下佩戴要求。

脈搏監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由聽頭本體、聽頭上端蓋、水密透光板以及板卡固定支座4 部分組成。其中，聽頭本體內(nèi)部是空心結(jié)構(gòu)，且底部開有與水密透光板緊密配合的通孔，并與聽頭上端蓋共同組成設(shè)備水密殼體；板卡固定支座置于本體內(nèi)部下表面和脈搏檢測設(shè)備硬件板卡之間，主要負責硬件板卡的固定；水密透光板為一圓形的透明亞克力薄片，擁有可靠的透光性能。此外，為了降低裝配工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜度，結(jié)構(gòu)裝配整體采用灌封工藝。脈搏監(jiān)測設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 脈搏監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

此外，在佩戴時，需將脈搏檢測設(shè)備完全融入潛水服內(nèi)襯中，通過潛水服內(nèi)襯的壓力使脈搏檢測設(shè)備與腕部皮膚保持最佳接觸和相對穩(wěn)定，確保兩者之間LED 光探測空間的可靠水密隔離，從而保證脈搏信號的可靠采集。脈搏監(jiān)測設(shè)備穿戴示意如圖10 所示。

圖10 脈搏監(jiān)測設(shè)備穿戴示意圖

5 實驗驗證

為了驗證脈搏監(jiān)測設(shè)備性能是否符合設(shè)計要求，依托某潛水數(shù)據(jù)采集記錄平臺，在實驗室環(huán)境下開展系列性能驗證實驗。

實驗內(nèi)容主要包括多工作模式與任務(wù)管理、脈搏信號采集與存儲以及狀態(tài)監(jiān)測三個部分。實驗設(shè)備主要有匯集器1臺、顯示器1臺、直流穩(wěn)壓源1臺、脈搏監(jiān)測設(shè)備1 套以及靜置的620 mm×450 mm×380 mm 水箱。實驗所用設(shè)備與測試環(huán)境如圖11所示。

圖11 脈搏監(jiān)測設(shè)備及測試環(huán)境

5.1 多工作模式與任務(wù)管理

本次實驗任務(wù)共設(shè)置三種不同的工作模式。固定時間采集模式下任務(wù)數(shù)量為10 個，低功耗采集模式下任務(wù)數(shù)量為10 個，待機模式下任務(wù)為2個，共22 個任務(wù)。通過讀取設(shè)備的任務(wù)配置列表、脈搏數(shù)據(jù)存儲記錄、日志記錄等信息，對實驗任務(wù)的工作模式切換次數(shù)、任務(wù)開始時間、任務(wù)結(jié)束時間、任務(wù)執(zhí)行次數(shù)等進行比對驗證。

驗證結(jié)果表明，22 個實驗任務(wù)的工作模式與任務(wù)切換全部正常，任務(wù)開始與結(jié)束控制準確，脈搏監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)不同工作模式下的任務(wù)執(zhí)行和管理功能。

5.2 脈搏信號采集與存儲

脈搏信號采集與存儲實驗過程如下。首先，正確配置工作模式與任務(wù)后，將脈搏監(jiān)測設(shè)備通過綁帶固定在腕部，并在箱體水面下連續(xù)運行。其次，脈搏監(jiān)測設(shè)備通過SPI 接口將分析后的脈搏參數(shù)進行本地存儲。同時，通過RS-232 串口將原始的脈搏采集數(shù)據(jù)和分析后的脈搏參數(shù)發(fā)送至匯集器進行外部數(shù)據(jù)存儲。最后，匯集器將脈搏參數(shù)發(fā)送至上位機顯控端，進行脈率值實時顯示與更新。

通過對比任務(wù)配置列表、日志記錄、數(shù)據(jù)存儲記錄等信息，對數(shù)據(jù)存儲文件數(shù)量、數(shù)據(jù)存儲文件時間長度、數(shù)據(jù)存儲信息齊套性進行驗證。驗證結(jié)果表明，在所有執(zhí)行的任務(wù)中，脈搏信號采集與數(shù)據(jù)存儲功能正常，存儲信息（數(shù)據(jù)、時間戳、文件編號等）齊全。此外，脈搏監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崟r輸出脈率值。

為了進一步驗證數(shù)據(jù)存儲的正確性，對匯集器中存儲的原始脈搏數(shù)據(jù)進行導出，并通過上位機顯控端進行脈搏數(shù)據(jù)的分析與顯示。脈搏數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果如圖12 所示。

圖12（a）與圖12（b）分別為原始脈搏數(shù)據(jù)與濾波后的脈搏數(shù)據(jù)。通過對比可知，本文采用的自適應濾波處理能夠很好地抑制噪聲，同時保留原始脈搏信號的波峰特征。圖12（c）為濾波后的脈搏波所對應的頻譜，黑色實心方框為最大譜峰，黑色實心三角框為諧波分量的譜峰。由于頻譜上最大譜峰所在的頻率索引即為實際脈率所對應的頻率索引，所以由脈搏數(shù)據(jù)的最大譜峰對應的頻率為1.25 Hz，可推算出其對應的脈率值為75 次/分，與脈搏監(jiān)測設(shè)備輸出的脈率值一致。

圖12 脈搏數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果

通過上述脈搏監(jiān)測設(shè)備采集與存儲實驗和存儲數(shù)據(jù)的分析可知，脈搏監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)脈搏數(shù)據(jù)采集與存儲功能，且能夠正確地分析、輸出脈率值。

5.3 狀態(tài)監(jiān)測

根據(jù)上述配置的實驗任務(wù)，通過查驗任務(wù)列表與日志記錄，對脈搏監(jiān)測設(shè)備的任務(wù)運行情況、存儲容量、電量等狀態(tài)信息進行分析驗證。驗證結(jié)果表明，脈搏監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測功能運行正常，存儲容量信息、電量信息、任務(wù)執(zhí)行情況以及其它運行狀態(tài)信息記錄齊全，且記錄內(nèi)容符合實際運行情況。

綜上所述，本文研制的脈搏監(jiān)測設(shè)備可以完成不同工作模式下任務(wù)的正確執(zhí)行、脈搏信號采集分析與存儲等功能，同時能夠?qū)崿F(xiàn)存儲容量和電量等狀態(tài)信息定時監(jiān)測，展示了脈搏監(jiān)測設(shè)備的靈活性、可靠性及穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于ARM 與MAX30102傳感器的水下可穿戴式脈搏監(jiān)測設(shè)備，通過合理的工作模式、軟硬件架構(gòu)及水密結(jié)構(gòu)等設(shè)計，使脈搏監(jiān)測設(shè)備具有工作模式多樣化、數(shù)據(jù)存儲便捷、支持對外通信及使用靈活等特點，能夠有效提取蛙人水下脈搏信息。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的脈搏監(jiān)測設(shè)備運行效果良好，能夠滿足蛙人水下訓練時的脈搏監(jiān)測要求，具有較好的工程應用價值。在后續(xù)研究中，將進一步考慮蛙人水下運動引起的噪聲干擾對脈搏信號的影響。