蓝牙低功耗可穿戴血氧监测设备的设计

薛俊伟 黄岳山 杜 欣 吴秀勇 曾伟杰 席玉胜陈益民 赵 毓 吴 凯#*

1(华南理工大学生物医学工程系，广州 510006)2(中国人民解放军第421医院，广州 510318)3(华南理工大学校医院，广州 510640)



蓝牙低功耗可穿戴血氧监测设备的设计

薛俊伟1黄岳山1杜 欣1吴秀勇1曾伟杰2席玉胜2陈益民2赵 毓3吴 凯1#*

1(华南理工大学生物医学工程系，广州 510006)2(中国人民解放军第421医院，广州 510318)3(华南理工大学校医院，广州 510640)

设计一种基于蓝牙低功耗技术的可穿戴血氧饱和度监测设备，用于实时、连续检测人体血氧饱和度和脉率。主要工作包括设计实现耳夹式光电传感器、太阳能电池插接件以及蓝牙模块等核心部件。设备和硬件设计采用低功耗元件及模块，数据通过低功耗蓝牙技术传至手机App，软件设计优化数据发送策略，具有低功耗、可穿戴、稳定可靠等特点，适合户外运动或者缺氧性疾病的血氧监测。测试表明，设备蓝牙通信误码率最终控制为0，脉率精度高达98.0%，当模拟仪输出血氧饱和度大于75%时，设备的检测精度高达97.9%。此外，创新性地使用太阳能电池进行冗余供电，整机待机电流为11 μA，全功率工作时长为18 h以上，续航性能优于市面上主流的指夹式血氧仪。

可穿戴；蓝牙；低功耗；血氧监测

引言

在大多数发达国家，社区医疗是病人首先的求医之处。不同于我国以病患为基础的疾病驱动型就医环境，社区医疗是以人群为基础的医疗服务，尽最大可能地保证医疗数据完整性。这对于防治慢性病、老年病具有明显的优势。根据 Deloitte Consulting 发布的《2020年健康医疗预测报告》，2012年世界经济合作与发展组织国家(OECD)人均寿命为80岁，中国为75岁[1]。预计到2050年，我国老龄化率将达到人口总数的30%，这种情况给社会和家庭带来的压力不容忽视。在我国社区医疗水平发展乏力的形势下，对慢性病、老龄化人群的健康监护主要依赖家庭环境下亲属的照料。血氧饱和度作为人体生命体征的关键参数，对睡眠质量、心肺功能、血液循环等具有强相关性，而对上述两类人群的血氧饱和度的实时监护尤为重要[2]。基于此，设计开发了蓝牙低功耗可穿戴血氧监测设备，成品价格远低于传统的大中型监护仪，可以实现连续监测，便携性和精确度都能满足日常需求。同时，这些数据作为医院诊治的重要参考依据，可以达到对慢性疾病、隐性疾病的及早预防[3-4]。

本文阐述了基于蓝牙4.0(BLE)的可穿戴脉搏血氧仪的设计，理论基础是Lambert-Bear定律。设备硬件采用MSP430FR铁电系列低功耗微处理器和冗余太阳能电池供电系统，以降低功耗并延长续航时间。采用耳夹式血氧探头，可以在用户静息状态下精准地采集到血氧饱和度以及脉率数据。

1 系统设计和测试

1.1 系统硬件设计

系统设计中使用了TI公司的集成模拟前端(AFE)，包含22位模数转换器 (ADC) 的低噪声接收器通道、LED驱动和状态检测部件，同时，芯片提供可编程数字信号滤波器。模拟前端通过SPI与低功耗混和信号微处理器MSP430通信，经过MCU的运算，将输出的血氧、脉率等数据通过蓝牙模块发送到具备BLE功能的智能移动终端[5]。产品外观为帽子形式，系统硬件结构见图1，PCB板和电源放置在帽子内衬中，其中帽檐和外侧材料是太阳能受光体。

图1 系统硬件结构Fig.1 Device hardware block diagram

1.1.1 模拟前端

TI公司的AFE44x0是一款需要少量外围电路便能工作的低功耗集成模拟前端，常用于血氧饱和度检测和光学脉率测量。实际测试发现在使用3.0V的LDO电源供电情况下，AFE44x0的工作电流稳定在670μA以下。芯片的灵活性很高，用户可以根据需求进行配置[6]。芯片可对LED驱动电流进行8位电流分辨率的编程，实现不同使用环境的切换。除了内部的可编程数字滤波器之外，芯片还具有掉电检测、LED 故障检测的能力。本设计中，模拟前端使用一个 SPI 接口与外部微控制器通信。

1.1.2 混合信号处理器

众多的便携式医疗仪器都在使用MSP430系列的混合信号处理器。AFE芯片通过SPI传输过来的携带血氧信息的光电数据需要实时计算和传输，因此本设计选择了数据存储容量为16KB的铁电存储器(FRAM)系列处理器。相比于MSP430G系列处理器，MSP430FR铁电系列微处理器具有的显著优势是内部使用了速度更快、功耗更低的铁电存储器RFAM，足以满足血氧饱和度实时计算和控制蓝牙转发的要求[7-8]。FR系列处理器具有可达24MHz的CPU速度，可使用(1.8-3.6)V宽电压。

设计编程时，需要注意的是MSP430FR系列处理器的FRAM存储器容量使用需要修改IAR中的存储器地址映射表。在IAR SystemsEmbedded Workbench 6.0 Evaluation430config文件夹下找到对应的处理器配置文件。修改它，将放在RAM中的段数据按照需求，选择性地映射到FRAM中即可。其中，放在RAM区域内的是动态数据：

-Z(DATA)DATA16_I,DATA16_Z,DATA16_N,TLS16_I,DATA16_HEAP+_DATA16_HEAP_SIZE=1C00-1FFF

本设计根据实时处理数据大小的需要，将动态数据放到了FRAM中：

-Z(DATA)DATA16_I,DATA16_Z,DATA16_N,TLS16_I,DATA16_HEAP+_DATA16_HEAP_SIZE=C200-FFFF

xcl文件不能在工程中修改，否则程序无法编译。

1.1.3 蓝牙低功耗芯片

MSP430处理后的血氧数据通过UART发送到蓝牙芯片。设计的脉搏血氧仪使用BLE与智能手机通信。TI公司的CC2540在对功耗敏感的便携式医疗电子仪器设计领域使用广泛，可以配置4种工作模式和其他功能，包括智能休眠的低功耗模式[9]。

CC2540只需要搭配很少的外围电路就能运行，可以在主从模式下任意切换。图2是设计的BLE芯片所使用的印制倒F型天线(inverted-F antenna)的原理图以及在 PCB上的布置。该天线结构紧凑，设计简单，在尺寸为45 mm×32 mm的电路板上占用的空间很小[10]。天线的下方避免电源及信号走线，尽量做挖空处理，减少干扰。

图2 CC2540倒F型天线。 (a)原理图；(b)PCB图Fig.2 IFA of CC2540. (a)Schematic; (b)PCB

1.2 系统软件设计

可穿戴式的医疗设备除了功能上的严谨性之外，还要考虑设计上的舒适性、数据存取的高效性，用户操作的方便性[11]。本设计基于功耗和数据的平衡，对采样率为250SPS的AFE44x0采集到的大量原始血氧数据进行了按需抽取，同时对通信协议进行优化，并对系统设定不同的工作模式。

1.2.1 通信协议

UART口在这里被用作脉搏血氧仪和Android 4.4/iOS手机的通信接口。血氧数据需要绘制出稳定的波形，除了硬件上需要对射频天线进行不断的调试优化，通信协议也是影响数据稳定的主要因素。本设备数据帧封包固定为11个字节长，最后测试发现效率和功耗是最优的，数据丢包率可降到不影响血氧算法的实现[12]。通信协议如下：

1)包头：0x55 0xAA。固定的数据包头，指示该帧数据正确的开始。

2)数据位：包括24位脉搏血氧饱和度波形数据、8位血氧饱和度值、16位预留值和8位脉率值数据。

3)校验位：用于验证数据。确保数据的完整性。

4)总长度：固定值，以确保数据的完整性。

1.2.2 工作模式

为了满足用户的不同需求，该设备有两种工作模式可供选择。可以持续检测血氧饱和度或者获得在有限时间(6 s)内的测量结果，这个时间可以通过移动终端App修改。

可穿戴脉搏血氧仪可以连续地监测血氧饱和度，此时血氧饱和度和脉率的数据吞吐量很大，在设计时可以选择在MCU处扩展存储，或者直接选择在CPU性能强劲的手机端进行计算[13-15]。毫无疑问，后者是方便且可以节省很多资源开销的。

1.3 系统测试方法

对系统进行了佩戴、通信稳定性、功耗和检测精度的测试。

测试佩戴舒适度时，除了耳夹式血氧探头需要夹在耳垂处，帽子整体外观和佩戴方式与普通帽子无异。要求测试者佩戴血氧帽子以及探头进行正常的活动[16]。当测试者提出任何不适或者其他影响到测试进行的问题时，测试结束，统计佩戴时长和出现的问题。

通信稳定性测试时，选择FT232RL的USB有线通信方式作为标准参照，分别使用进口非安卓手机和国产安卓手机作为血氧检测设备的接收端。在4～5 m范围之间，设定采样率为250SPS和125SPS两种模式，分别采用4 800～115 200 bit/s之间不同的5种波特率，进行持续5 min的血氧原始数据透明传输，检验数据误差。

本设备除了配置大容量锂电池供电外，还具有太阳能冗余电源系统。实际测试时，分别进行了单一电源供电和双电源供电的功耗检测，采用了多次测量不同状态下的工作电流取均值的方法，并选用了成熟的国产指夹型血氧仪产品进行功耗对比。其中，增加太阳能电池后的设备续航时间测试，选择了3种日光照射条件不同的天气状态[17]。

精度检测主要是使用美国FLUKE公司的血氧模拟仪NDEX2XLF对设备的血氧饱和度和脉率计算结果进行测试，对照组选用国产指夹型血氧仪。分3组进行测试，设定模拟仪输出脉率分别为40、60、70 beat/min。在不同的脉率下，分别使用模拟仪设定60%～99%之间5个不同的血氧饱和度值。进行5次有效测试后，取测量结果的平均值取整作为测试结果。

2 结果

2.1 佩戴测试结果

作为可在户外使用的低功耗可穿戴血氧检测设备，产品的最终形式为耳机/帽子形，耳夹处为血氧探头。最终外形设计如图3所示，PCB电路板的大小为45mm×32mm，可以嵌入到帽子内衬中，血氧探头通过定制的USB线缆插入电路板(电路板位于图5中红色圆圈标记处)。而帽体的外表面为太阳能电池的受光体，增加了光电转化效果。

图3 产品外形(帽檐和外侧为太阳能材料)Fig.3 Product appearance (Hat surface is the solar material)

最终帽子的大小和质量并没有改变太多，根据测试者反馈，大于两个小时的佩戴使用后，耳垂处会轻微发红，只是由于定制的耳夹探头过紧造成的，佩戴无其他不适感。

2.2 通信稳定性测试结果

蓝牙稳定性测试时，经过持续5 min的血氧原始数据(ADC 22bit/250SPS)传输测试发现，串口的波特率对数据接收的稳定性影响如表1所示。

表1 蓝牙稳定性测试1

结果表明，进口非安卓手机表现出了很好的性能，而采用安卓系统的国产手机则丢包严重，甚至出现手机卡死状态，这与安卓系统的底层蓝牙数据处理机制有关。对照组使用FT232RL芯片连接PC的USB端口和MCU直接采集数据。

数据抽样至125SPS(ADC 22bit/125SPS)后，重复上面的测试，结果如表2所示。

表2 蓝牙稳定性测试2

根据实验结果，最终数据抽样至125SPS，设定通信波特率为9 600 bit/s，通信可以保持稳定，数据误差是0。

2.3 整机功耗测试结果

可穿戴设备是否能达到要求的一个很大的因素就是设备的功耗控制。一方面，低功耗的可穿戴设备需要有先进工艺设计出的功耗很低的芯片。在可穿戴血氧仪的设计中，所选用的处理器、模拟前端和蓝牙均属于低功耗系列芯片。另一方面，优秀的电源管理电路，可以在电路功率控制上起到很大的作用。通常，把复杂度较高的算法放在智能移动终端实现，也可降低可穿戴设备的功耗。

2.3.1 单一锂电池供电测试结果

表3给出了使用300 mAH锂电池供电时，在休眠状态下和工作状态下本设备的平均电流。选用国产指夹型血氧仪进行对照实验，对照组血氧仪没有进行间断检测血氧饱和度的功能。从测试数据可知，等待蓝牙连接和进行连续检测时，设备的工作电流均小于商业产品。在深度睡眠时，设备的耗电流比对照组大2 μA，属于电压检测部分的漏电流。

表3 不同运行状态下的电流消耗

2.3.2 太阳能冗余电源续航测试结果

将3组每组4个本设备同时放置在窗台，开启蓝牙向PC传输数据，测试不同天气下的续航能力。对照组A为没有增加太阳能电池模块的本设备，对照组B是国产指夹型血氧仪，3组设备均使用300 mAH锂电池作为主电源，实验组插接了太阳能电池模块作为冗余电源。分别取每组4个设备电量耗尽的平均时间为续航时长。

表4 增加太阳能电池后续航测试

测试发现，设备睡眠模式基本无电量消耗，装配太阳能电池后可以多出7.6%～18.1%的续航时间。

2.4 精度测试结果

图4 是在Matlab上实现的去除基线漂移和运动伪噪的结果。图5是算法移植到iOS上的运行界面。

处理结果显示，运动伪噪和基线漂移都被很好的滤掉了，滤波后的数据曲线平滑，峰值明显，便于提取后续计算血氧饱和度的数据。

App接收到数据后，通过JAVA/ Objective-C编写中值滤波算法、滑动平均算法和LMS算法，都比在单片机上实现要快捷高效。同时，在App中进行复杂的计算，使可穿戴设备作为纯粹的数据采集和传输角色，节省电量消耗。

图5 血氧检测及App运行界面Fig.5 Running interface of the App for SpO2 monitoring

结果表明，在iOS上实现了经过Matlab验证的算法，并且蓝牙数据通信稳定。

表5是使用血氧模拟仪NDEX2XLF对本设备和对照组的国产指夹型血氧仪进行测试的结果。该测试结果表明，在血氧饱和度小于75%时，国产指夹型血氧仪测到的数据明显失准，而本设备未检测到血氧值。在血氧饱和度达到75%以上时，本设备的检测精度为97.9%，低于国产指夹型血氧仪。脉率检测精度达到98.0%，测试结果优于对照组的国产指夹型血氧仪。

表5 血氧仪精度测试

注：单位%/bpm表示血氧饱和度/脉率

Note：%/bpm means oxygen saturation/ pulse rate

3 讨论和结论

该可穿戴血氧仪的设计目的是以低功耗测量用户的血氧饱和度和脉率。对于特殊的使用要求，如户外运动的血氧监测以及家庭监护等，设备在功能上也进行了考虑，如帽子的外形和太阳能电池的加入。同时，设备对稳定性和数据精度进行了严格的控制。

设备数据稳定性的控制，需要确保供电的稳定性和信号线的合理设计。解决方案包括：

1)AFE和MCU模拟电路部分需要低噪声电源，故采用LDO；数字电路部分的电流消耗很小，因此统一采用LDO。

2)针对多芯片工作时的电源纹波，使用合适的滤波电容，检查元件S-1721A3030的5脚和6脚应有3.0V电压，纹波很小。

3)为了消除各模块电源之间互相影响，采用多路LDO对设备不同的模块供电，同时采用了分开的地线，最后单点共地。

4)对血氧探头的信号线采用了差分布线，同时增加线宽，探头连接线选用具有屏蔽线的高质量线缆[18]。

本实验设备的功耗控制在了比较优秀的水平，主要的方法有：

1)将血氧探头设计在了耳垂处，使用较低的电流驱动LED，便能达到指夹式血氧仪的检测效果。

2)将AFE采集到的数据抽样发送到移动终端进行复杂的算法运算，避免了MCU的高度负荷和功耗浪费。

3)使用低功耗芯片和模块。

4)具有太阳能冗余电源。

设备还有需要改进的地方，主要包括成本控制和使用体验的优化：

1)当前设备的血氧检测精度还没达到主流产品的水平，特别是运动状态下的血氧饱和度检测失准严重，需要在算法上进一步优化。

2)当前设备通过BLE将血氧等信息传输到移动终端后，只能进行本地查看，下一步工作将增加云端同步查阅的功能[19]。

3)对设备稳定性的严格控制使产品的质量得到提升，但是同时也增加了物料成本，所以对比主流的国产指夹型血氧仪，本产品没有价格优势，接下来将测试性能达标的低价芯片，压缩硬件成本。

本实验研究了蓝牙低功耗可穿戴血氧监测设备的设计，通过与市场上主流的产品对比发现：

1)设备兼顾了实用性和便携性，帽子表面覆盖的太阳能电池材料对续航时间的增加效果明显。

2)本设备佩戴的方式决定了它可以持续监测血氧饱和度，不会影响用户的正常活动。

3)设备使用蓝牙4.0技术进行数据通信，与其配对的BLE移动终端也能在低功耗状态下通信，而当前大部分同类产品还在使用旧版本蓝牙，即使部分双模BLE移动终端可以与其兼容通信，也不可避免会影响终端的功耗。

测试发现，本设备的精度还需进一步改进算法，但是功耗和外观设计达到了较好的水平，对可穿戴设备的设计有一定的指导意义。

[1] 《2020年健康医疗预测报告》发布[J].上海医药,2015,36(7):22.

[2] 赵锦萌. 面向家庭的无线式多参数监护网络通信技术研究[D]. 广州: 华南理工大学,2012.

[3] 汪朝红,吴凯,吴效明. 穿戴式生理检测技术的研究及应用[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2007,22:4384-4387.

[4] 吴效明,吴凯,岑人经,等. 多参数心脏功能远程监测系统的研制[J]. 医疗卫生装备,2004,(4):17-18，21.

[5] Magno M, Spagnol C, Benini L,etal. A low power wireless node for contact and contactless heart monitoring[J]. Microelectronics Journal, 2014, 45(12): 1656-1664.

[6] Chong JW, Dao DK, Salehizadeh SMA,etal. Photoplethysmograph signal reconstruction based on a novel hybrid motion artifact detection-reduction approach. Part I: Motion and noise artifact detection[J]. Annals of Biomedical Engineering, 2014, 42(11): 2238-2250.

[7] 孙守军,吴凯,吴效明. 基于蓝牙技术的无线移动监护系统[J]. 中国医疗器械杂志,2006(5):349-351.

[8] Randrianarisaina A. Modélisation de la consommation d’énergie En vue de la conception conjointe (matériel/logiciel) des applications embarquées. Application aux réseaux de capteurs sans fil (wsn)[D]. Nantes: Universite De Nantes, 2015.

[9] 吴凯,吴效明. 多生理参数远程虚拟检测仪的设计与实现[J]. 微计算机信息,2006,(1):145-146，179.

[10] Gautham K, Raghav G, Krishnamurthy V,etal. Personnel security system using Bluetooth Low Energy (BLE) tag[J]. International Journal of Engineering and Technology (IJET), 2013,5: 1527-1534.

[11] 路知远. 穿戴式健康监护及人机交互应用中若干关键技术研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学,2014.

[12] Khessib B, Sankar S, Baek W, et al. Hardware management communication protocol: U.S. Patent 8,938,529[P]. 2015-01-20.

[13] Ho QD, Le-Ngoc T. An integrated wireless communication platform for end-to-end and automatic wireless vital sign capture using personal smart mobile devices [M]// Adibi S. Mobile Health.Berlin: Springer International Publishing, 2015: 917-945.

[14] 张历. 基于iOS操作系统的无线脉搏血氧仪设计与实现[D]. 天津: 天津大学,2014.

[15] 杨易华. 穿戴式生理参数检测模块设计及低功耗与微型化研究[D]. 广州: 华南理工大学,2010.

[16] Krehel M, Wolf M, Boesel LF,etal. Development of a luminous textile for reflective pulse oximetry measurements[J]. Biomedical optics express, 2014, 5(8): 2537-2547.

[17] Lee YH, Kim JS, Noh J,etal. Wearable textile battery rechargeable by solar energy[J]. Nano letters, 2013, 13(11): 5753-5761.

[18] Sugiyama K, Tanishima M, Ukawa T. Measurement data monitor for medical equipment and measurement data monitoring system for medical equipment: U.S. Patent Application 14/195,470[P]. 2014-3-3.

[19] Adibi S, Mobasher A, Tofigh T. LTE networking: extending the reach for sensors in mHealth applications[J]. IEEE Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 2014, 25(7): 692-706.

Design of a Wearable Device for SpO2Monitoring Using BLE

Xue Junwei1Huang Yueshan1Du Xin1Wu Xiuyong1Zeng Weijie2Xi Yusheng2Chen Yimin2Zhao Yu3Wu Kai1#*

1(DepartmentofBiomedicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)2(No. 421HospitalofPLA,Guangzhou510318,China)3(HospitalofSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

In this paper, we designed a wearable device for oxygen saturation monitoring, which can achieve real-time detection of SpO2. We designed and implemented several key modules, including a clip-on photoelectric sensor, an interface module of solar cell, and a module of bluetooth low energy (BLE). The hardware design used energy efficient components and modules. Monitoring data were transferred to the application of cellphone by BLE technology. The software design adopted an optimized strategy of data transmission. The wearable device has features of low power, wearable, and reliable, and thus is suitable for outdoor activities and oxygen saturation monitoring for hypoxic diseases patients. Test results showed that the final error rate of the bluetooth communication was 0 and the pulse rate was 98.0%. Most importantly, the accuracy of the oxygen saturation was 97.9% when the output of simulator was above 75%. Moreover, we also designed a power supply module using solar cell, in which the machine standby current was 11 μA and the battery life at peak power was more than 18 h. The cell performance of our device was better than those of fingertip pulse oximeters.

wearable; bluetooth; energy efficient; oxygen saturation monitoring

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.009

2015-06-08， 录用日期:2015-09-26

国家自然科学基金青年科学基金(31400845)；广州市科技计划项目(2014Y2-00062)；广东省科技计划项目(2013B021800027)

R318.6

A

0258-8021(2015) 06-0701-07

# 中国生物医学工程学会会员(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:kaiwu@scut.edu.cn