孫志勇　龔瓊　蘇大明　王新生　馮亦寧

【摘 要】本系統(tǒng)利用ST公司基于ARM Cortex M3內(nèi)核的STM32F103RCT6單片機(jī)，MPU6050加速度傳感器和反射式血氧傳感器，設(shè)計(jì)了一種可以計(jì)步、測(cè)量人體心率、血氧等參數(shù)的手環(huán)和基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)應(yīng)用程序（APP）。手環(huán)和APP之間通過(guò)藍(lán)牙通信，在安卓手機(jī)端顯示參數(shù)信息并記錄，數(shù)據(jù)可以上傳到服務(wù)器，幫助人們對(duì)自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和健康狀況長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。血氧飽和度通過(guò)與邁瑞PM9000Express監(jiān)護(hù)儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了校準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】STM32F103RCT6；MPU6050；血氧傳感器；安卓手機(jī)

System Design of a Multi Parameter Bracelet

SUN Zhi-yong GONG Qiong SU Da-ming WANG Xin-sheng FENG Yi-ning

（School of life and Environmental Sciences， Guilin University of Electronic Technology， Guilin Guangxi 541004，China）

【Abstract】This system uses the ST company ARM Cortex M3 kernel STM32F103RCT6 microcontroller based on MPU6050 acceleration sensor and a reflection type oxygen sensor， designed a pedometer， heart rate， blood oxygen measurement parameters such as the bracelet and Android systems （APP） based on mobile phone applications. Bracelet and APP through Bluetooth communication， in the Android mobile terminal display parameter information and record， the data can be uploaded to the server， to help people on their exercise status and health status of long-term monitoring. Oxygen saturation by calibrated measurement results with MINDRAY PM9000Express monitor.

【Key words】STM32F103RCT6； MPU6050； Blood oxygen sensor； Android cell phone

0 引言

心臟病是危及人類(lèi)健康的主要疾病之一，而心率的檢測(cè)對(duì)心臟病的分析及評(píng)估具有重要作用。傳統(tǒng)的心率檢測(cè)方法主要有三種，分別是從心電信號(hào)中提取、血壓間接計(jì)算法、光電容積脈搏波法。前兩種方法均限制人們的行動(dòng)，并且如果長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)會(huì)增加人們生理或心理上的不適。

血氧飽和度是反映人體健康狀況的重要參數(shù)[1]，它的檢測(cè)方法分為有創(chuàng)檢測(cè)和無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。有創(chuàng)檢測(cè)主要采用血?dú)夥治鰞x對(duì)采集到的人體血液進(jìn)行測(cè)量，光電容積脈搏波法無(wú)需采血就可以實(shí)時(shí)獲取人體血氧飽和度信息，安全可靠且測(cè)量裝置微型便捷。所以本設(shè)計(jì)采用光電容積脈搏波法進(jìn)行血氧飽和度的測(cè)量。

智能手機(jī)等電子設(shè)備的出現(xiàn)，使人們的生活方式發(fā)生了巨大改變。實(shí)現(xiàn)一種能計(jì)步、檢測(cè)人體心率、血氧等參數(shù)的便攜穿戴式設(shè)備，人們可以通過(guò)手機(jī)隨時(shí)了解自己每日行走的步數(shù)及健康狀況，促進(jìn)人們制定合理的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，達(dá)到及時(shí)調(diào)節(jié)和鍛煉的目的，因此具有重要意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由控制器、加速度傳感器模塊、血氧傳感器模塊、藍(lán)牙模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、Android手機(jī)APP和服務(wù)器組成。心率和血氧檢測(cè)部位為血液循環(huán)相對(duì)豐富的手指尖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

MCU采用STM32F103RCT6，它具有極高的集成度，256K的flash存儲(chǔ)器，自帶兩個(gè)12位ADC、擁有IIC、TIMER等眾多外設(shè)。具有功耗低，體積小，可靠性高，價(jià)格便宜等特點(diǎn)。

2.2 加速度傳感器模塊

加速度傳感器選用MPU6050模塊，MPU6050芯片內(nèi)部集成了三軸加速度傳感器，具有高達(dá)400KHz的IIC接口，模塊具有加速度測(cè)量范圍廣、兼容3.3V/5V系統(tǒng)、自帶溫度傳感器等特點(diǎn)。

2.3 血氧傳感器模塊

血氧飽和度檢測(cè)采用反射式血氧傳感器模塊，傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)單片機(jī)處理得到血氧和心率。該模塊支持3.3V供電，工作電流約4mA。

2.4 藍(lán)牙模塊

系統(tǒng)與Android智能手機(jī)之間采用藍(lán)牙通信，藍(lán)牙選用HC-05模塊，該模塊兼容3.3V/5V供電，配對(duì)中電流30～40mA，通信完畢未通信電流1～8mA，通信時(shí)5～20mA（跟串口通信頻繁程度呈正比）。

2.5 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)芯片選用W25Q64，它有64M內(nèi)存，具有低功耗、高時(shí)鐘頻率、支持3.3V供電等特點(diǎn)。

2.6 報(bào)警模塊

該系統(tǒng)通過(guò)心率估計(jì)人體體溫，當(dāng)心率在某一時(shí)間段內(nèi)恒大于一定值時(shí)，判斷為發(fā)熱（人體發(fā)熱時(shí)，心率會(huì)加快，體溫每升高1℃，心率平均加快12～18次/分），蜂鳴器便報(bào)警。

2.7 電源模塊

系統(tǒng)用3.3V供電，具有可充電功能。選用3.7V可充電聚合物鋰電池（430mA）做輸入，經(jīng)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后輸出。充電芯片選用TP4056，穩(wěn)壓芯片選用AMS1117-3.3。

2.8 服務(wù)器

系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，在服務(wù)器端保存原始數(shù)據(jù)，便于研究人員進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)分析。

3 系統(tǒng)軟件及算法

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序流程圖如圖2所示。

3.2 計(jì)步算法設(shè)計(jì)

計(jì)步算法在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)，主要包括時(shí)間窗口和動(dòng)態(tài)閾值。算法流程圖如圖3所示。

3.2.1 時(shí)間窗口設(shè)定

人行走的頻率一般為0.5～5Hz，即最慢兩秒走一步，最快一秒走五步[2]。因此設(shè)定時(shí)間窗口為0.2～2.0s，在該時(shí)間窗口外的所有步伐為無(wú)效步伐。

3.2.2 動(dòng)態(tài)閾值

為了適應(yīng)不同的走路姿勢(shì)，不能簡(jiǎn)單設(shè)置一個(gè)閾值來(lái)檢測(cè)步數(shù)。系統(tǒng)持續(xù)更新三軸加速度的最大值和最小值，通過(guò)峰谷值設(shè)定動(dòng)態(tài)閾值。

3.3 心率算法設(shè)計(jì)

心率有瞬時(shí)心率和平均心率。瞬時(shí)心率是根據(jù)相鄰兩次心跳間隔時(shí)間所確定的心率值，平均心率是指一分鐘內(nèi)心臟實(shí)際跳動(dòng)的次數(shù)。通常心臟的跳動(dòng)與脈搏是同步的，因此，只要測(cè)出脈搏跳動(dòng)次數(shù)即可。而測(cè)量脈搏是通過(guò)記錄處理脈搏傳感器發(fā)出的指脈電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3]。

3.4 血氧算法設(shè)計(jì)

血氧飽和度算法在單片機(jī)端實(shí)現(xiàn)。血氧飽和度是指血液中氧和血紅蛋白（HbO2）占氧和血紅蛋白和還原血紅蛋白（Hb）的百分比[4]。即：

當(dāng)一定波長(zhǎng)的光束照射到皮膚表面時(shí)，光束通過(guò)反射方式傳送到光電接收器。由于受到皮膚、肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)度將減弱。此過(guò)程產(chǎn)生了直流成分（DC）和交流成分（AC）。直流成分由非血液部分和血液中的非脈動(dòng)部分的光吸收組成，而交流成分反映脈動(dòng)血的光吸收情況。HbO2吸收紅光，波長(zhǎng)為 600nm～700nm，Hb吸收近紅外光，波長(zhǎng)為 800nm～1000nm[5]。本系統(tǒng)采用波長(zhǎng)為660 nm 和 940 nm 兩路光進(jìn)行血氧飽和度的檢測(cè)。系統(tǒng)采集到的兩路光的波形如圖4所示。

圖4 濾波后的紅光（左）、紅外光波形（右）

根據(jù)Lambert-Beer 定律可得反射式血氧飽和度的計(jì)算公式：

其中A、B是定標(biāo)出來(lái)的常數(shù)。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 三軸加速度值處理

人行走時(shí)很多參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，而合加速度的變化能很好地體現(xiàn)步數(shù)[6]。我們利用的是矢量和的方法進(jìn)行和加速度的計(jì)算。采集到的信號(hào)一般均含有噪聲干擾，為提高性噪比，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。本系統(tǒng)采取平滑濾波法對(duì)和加速度進(jìn)行濾波。

4.2 血氧飽和度處理

脈搏信號(hào)十分微弱，其頻帶一般在0.05～200Hz之間，信號(hào)幅度呈毫伏級(jí)水平，在測(cè)量過(guò)程中易受工頻等干擾，故對(duì)偶次采集到的極值需舍去，其它信號(hào)經(jīng)低通濾波后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 計(jì)步實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5.2 心率和血氧測(cè)試結(jié)果

5.3 Android手機(jī)APP界面

在Android手機(jī)上安裝“步步經(jīng)心”軟件，該軟件主要包括“運(yùn)動(dòng)”、“健康”和“睡眠”三個(gè)界面，部分界面如圖5所示。

6 總結(jié)與展望

本文實(shí)現(xiàn)了一種多參數(shù)手環(huán)的設(shè)計(jì)與制作，該手環(huán)可以監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)、睡眠和健康管理，測(cè)量結(jié)果在Android手機(jī)APP端顯示，并且APP和服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)了通信功能，歷史數(shù)據(jù)可以上傳到服務(wù)器，節(jié)省了手機(jī)存儲(chǔ)空間。由于手腕上脈搏信號(hào)不明顯，所以在檢測(cè)心率和血氧飽和度時(shí)需另接探頭在手指端檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但由于測(cè)量血氧時(shí)對(duì)計(jì)步有一定影響導(dǎo)致計(jì)步準(zhǔn)確率降低，需進(jìn)一步完善。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]