李云強(qiáng)

(南陽理工學(xué)院信息工程學(xué)院 河南 南陽 473004)

定期監(jiān)測心率脈動是預(yù)防心血管疾病的有效手段之一，通過具備人體生理信號監(jiān)測功能的可穿戴設(shè)備如智能手環(huán)、智能手表來完成這項功能，逐漸成為一種發(fā)展趨勢。設(shè)計一款具有較高準(zhǔn)確性的具有心率監(jiān)測功能的智能手環(huán)是非常有意義的。以此為目的給出了一種手環(huán)心率的設(shè)計方案。藍(lán)牙通信[1-3]具有短時延、低功耗，強(qiáng)大的抗干擾能力以及網(wǎng)絡(luò)安全性等優(yōu)勢，在一系列可穿戴設(shè)備的無線傳輸技術(shù)中脫穎而出，成為技術(shù)首選。低功耗藍(lán)牙DA14580芯片[4-7]，功耗低，集成度高，體積小便于攜帶，滿足藍(lán)牙4.0協(xié)議棧，數(shù)據(jù)之間的傳輸安全性高，傳輸距離可達(dá)到100 m，在可穿戴市場、健康醫(yī)療、ibeacon定位等市場得到廣泛的應(yīng)用，在藍(lán)牙方案應(yīng)用開發(fā)中獲得較大的技術(shù)優(yōu)勢。

本設(shè)計以DA14580為主控制器藍(lán)牙芯片，通過Pulse Sensor心率傳感器準(zhǔn)確檢測佩戴者的心率，將測得的心率值實(shí)時顯示出來，且當(dāng)心率值超出正常范圍內(nèi)時蜂鳴器發(fā)出警報提醒聲。也可以通過手機(jī)App端，連接本設(shè)備，發(fā)送不同的指令操作本系統(tǒng)、將測得的心率值同步顯示在手機(jī)端界面上，更加方便實(shí)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，由可穿戴部分(主處理器端)和手機(jī)App端兩部分組成。

可穿戴部分包含DA14580核心控制單元、心率檢測單元、FLASH存儲模塊、時鐘模塊、電源電路、蜂鳴器單元以及OLED顯示單元等組成。可穿戴部分可以獨(dú)立測量心率值，也可以通過藍(lán)牙與手機(jī)APP端配合工作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

主控制器DA14580對心率傳感器采集的原始心率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸給OLed界面。OLED顯示工作模式和測得的心率值。當(dāng)心率值超出最大/小閾值(設(shè)為100)時由蜂鳴器發(fā)出警報提醒。

手機(jī)APP端運(yùn)行后，進(jìn)行藍(lán)牙搜索，并與DA14580主控制芯片建立通信連接，由APP發(fā)送不同的控制指令，控制可穿戴部分完成不同工作模式下心率的測量。

心率測量控制指令設(shè)計有“1、2、3、4” 4種工作模式，1為“自主測量”(傳統(tǒng)模式)模式，即用30s時間測量心率值。2為“實(shí)時測量”模式，即實(shí)時檢測快速計算心率值。3和4表示“開始”和“結(jié)束”指令，表示處理器開始或停止測量心率。

1.2 脈搏測量原理

心率為每分鐘心臟的跳動(脈搏)值。脈搏測量原理如圖2所示，脈搏傳感器主要由發(fā)射器和接收器兩部分組成[8]。發(fā)射器向人體發(fā)射綠色光束的綠色LED，接收器接收反射回的綠光信號。當(dāng)光照射到手指的皮膚上時，毛細(xì)血管中的氧合血紅蛋白發(fā)生變化會引起光的反射量改變，導(dǎo)致皮膚表面的顏色改變，并且由光的接收端檢測到的反射光的強(qiáng)度隨著心臟的搏動呈現(xiàn)脈動的周期性變化。最后，通過采集反射光的強(qiáng)度，得到脈搏波，據(jù)此計算確定人體的心跳(脈搏數(shù))。具體來說，就是測量相鄰兩次脈搏的時間間隔(IBI，單位：s)，再用60 s除以這個間隔得出心率(BPM，beats per minute)，即BPM = 60 / IBI。通過 IBI 計算出實(shí)時心率，可以實(shí)時計算脈搏，效率高。

圖2 心率測量工作原理

圖3 手環(huán)系統(tǒng)軟件工作流程圖

1.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)具體工作流程如圖3所示，首先進(jìn)行主控制器和外設(shè)的初始化及心率檢測計算，最后通過DA14580進(jìn)行藍(lán)牙搜索連接手機(jī)，連接建立成功后發(fā)送不同的控制指令進(jìn)行心率的測量并將心率值傳送至手機(jī)顯示界面。根據(jù)流程進(jìn)行軟件開發(fā)，通過Keil MDK進(jìn)行程序編碼。

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 DA14580微控制器模塊

DA14580用于控制輸出信號以及識別外圍的輸入信號，實(shí)現(xiàn)心率數(shù)據(jù)的計算和藍(lán)牙無線通信的傳輸控制。

DA14580是Dialog公司的藍(lán)牙芯片，該模塊由DA14580芯片、晶振、天線、電源電路、復(fù)位電路等組成。該芯片共40個引腳，其基本電路和引腳分布如圖4。系統(tǒng)基于ARM公司的Cortex M0架構(gòu)且集成了RW公司的藍(lán)牙協(xié)議棧IP核作為BLEcore和基帶、射頻部分。集成時鐘管理CMU、電源管理PMU、memory控制存儲和其他外圍模塊控制器，如GPIO、UART、I2C、SPI和timer等。內(nèi)置16/32.768 MHz雙晶振結(jié)構(gòu)，即保證了芯片運(yùn)行所需的時鐘源又降低了功耗，具有極低功耗，適于便攜智能設(shè)備開發(fā)使用。

圖4 DA14580基本電路及引腳結(jié)構(gòu)

2.2 Pulse Sensor心率測量模塊

Pulse Sensor是一款用于心率、脈搏波形測量和HRV分析的光電反射式模擬傳感器[8-13]?？膳宕饔谑种浮⒍沟忍?，利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進(jìn)行脈搏測量。傳感器對光電信號進(jìn)行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值。通過A/D轉(zhuǎn)換計算出相應(yīng)的心率數(shù)據(jù)，使用光電容積法對人體的心率原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，每10 ms進(jìn)行一次AD轉(zhuǎn)換，計算心率值。它體積較小，僅有3個引腳，分別為VCC電源正極、GND接地引腳、OUT輸出引腳。其引腳連接，VCC接VCC；GND接GND，OUT接P0_1即可。

2.3 OLED顯示單元

OLED與傳統(tǒng)LCD相比，具有高亮度、寬視角、自發(fā)光、低功耗、體積小、壽命長、動態(tài)范圍廣、可彎曲及在低溫條件下能夠正常工作等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)選用128×64的點(diǎn)陣式OLED液晶模塊SSD1306[14，15]，該芯片共有30個引腳，它支持4線制SPI讀寫方式 (刷新速度快)，實(shí)現(xiàn)工作模式和心率值的實(shí)時顯示。SSD1306采用4線制SPI接口方式，引腳連接的主要信號線有：RES(硬復(fù)位)，CS(片選信號)，DC(命令數(shù)據(jù)標(biāo)志)，D0(串行時鐘線，即SCL/SCK)，D1(串行數(shù)據(jù)線，即SDA)，分別連接主控制器的P1_0、P1_2、P1_3、P0_2和P0_3引腳。

2.4 電源電路單元

智能手環(huán)由于內(nèi)部空間狹小，必須合理利用每一分空間，電池續(xù)航能力更是影響佩戴者實(shí)際體驗的一個重要因素。

DA14580有多種供電形式，可通過紐扣電池、外部電源或USB接口對系統(tǒng)供電。紐扣電池或其他外界電源供電時，電壓為3.3 V或5 V。用USB供電，當(dāng)使用5 V電壓系統(tǒng)供電時，電池電壓的平穩(wěn)輸出離不開穩(wěn)壓器的作用，目前市面上常見的穩(wěn)壓器有傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器、LDO(Low Dropout Regulator)和 DC-DC。DC-DC 是通過開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)的直流變直流的器件，它的優(yōu)點(diǎn)是效率高，靜態(tài)電流小。相比于 LDO，DC-DC 具有較高的轉(zhuǎn)換率，本系統(tǒng)采用 德州儀器的TPS62260 穩(wěn)壓器，具有高效率、輕載優(yōu)化的特點(diǎn)，在輸入電流在1 mA 時，效率可以達(dá)到 90%。圖5為電壓輸出模塊設(shè)計原理圖。

圖5 電源電路結(jié)構(gòu)原理

2.5 蜂鳴器單元

蜂鳴器分為有源和無源兩種方式，有源蜂鳴器內(nèi)部帶振蕩源，發(fā)聲頻率是固定的，只要通電觸發(fā)就會響。 無源蜂鳴器內(nèi)部不帶振蕩源，必須用方波信號去驅(qū)動它，發(fā)聲頻率就是驅(qū)動信號的頻率[16]。 本系統(tǒng)的報警裝置，采用無源蜂鳴器，由無源蜂鳴器和驅(qū)動三極管等組成。當(dāng)在檢測到心率值超過100時蜂鳴器發(fā)出警報以提醒佩戴者注意心率變化。

3 系統(tǒng)實(shí)物及測試

3.1 系統(tǒng)實(shí)物圖

根據(jù)上述設(shè)計，將各芯片引腳連接到系統(tǒng)實(shí)物(如圖6所示)。左上方為OLED顯示器，左下方為DA14580主控處理器，右上方為USB接口電源供電模塊，右下方為Pulse Sensor心率傳感器，蜂鳴器和按鍵在主控制器芯片上。本系統(tǒng)利用USB電源供電。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物及脈搏自主測量顯示

3.2 系統(tǒng)測試

手機(jī)端APP[16，17]，采用nRFUART_Android 4.3 藍(lán)牙模塊進(jìn)行開發(fā)，集成了多個傳感器功能。開發(fā)板供電后即發(fā)出廣播信號，處于待連接狀態(tài)，等待手機(jī)APP發(fā)送連接指令，完成配對連接。主機(jī)通訊過程包括：掃描、發(fā)出連接請求、建立連接、發(fā)現(xiàn)服務(wù)、交換數(shù)據(jù)。

打開手機(jī)app起始界面，打開藍(lán)牙功能，選擇DIALOG_PRFL，點(diǎn)擊connect，界面顯示Connected to: DIALOG-PRFL表明連接成功，此時點(diǎn)擊文本框，輸入數(shù)字1、2、3、4指令，分別代表不同的功能(1.自主測量 2.實(shí)時測量 3.開始 4.停止)。藍(lán)牙連接成功后，指令輸入界面如圖7所示。

圖7 手機(jī)端命令輸入界面

手機(jī)app發(fā)送數(shù)字1，OLED顯示“自主測量”，輸入3，當(dāng)可穿戴設(shè)備接收到字符3時，App顯示please wait，等待測量30 s后顯示得到的心率值，如圖8所示；同時手機(jī)app也接收到相同數(shù)據(jù)。輸入數(shù)字2，切換為“實(shí)時測量”，再輸入3，開始實(shí)時測量心率值，測出的心率值由OLED以及手機(jī)app同步顯示，手機(jī)端輸入及接收心率值如圖9所示。終止測量輸入4，且終止后可重新選擇模式再次開始測量。

圖8 輸入1,3：自主測量

圖9 輸入2,3：實(shí)時測量

4 結(jié)論

本設(shè)計使用新一代藍(lán)牙通信芯片DA14580開發(fā)心率監(jiān)測系統(tǒng)，并與手機(jī)端APP互相通信，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程收發(fā)，達(dá)到了便捷快速監(jiān)測心率并報警提醒的目的，具有體積小、功耗低等顯著特點(diǎn)，具備一定的推廣應(yīng)用價值。軟件中加入數(shù)據(jù)處理算法，提高了測量精度，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)在智慧醫(yī)療、智能養(yǎng)老等醫(yī)藥健康領(lǐng)域有很大的應(yīng)用和發(fā)展空間，對改善民生有著積極意義。