面向智能服装的心率采集监测系统设计*

赵　婧，范秀娟

面向智能服装的心率采集监测系统设计*

赵婧，范秀娟

（北京服装学院信息工程学院，北京100029）

结合智能服装与无线传感器网络技术，采用一种新型的光电反射式模拟传感器，设计出一款可以随身携带的心率采集监测模块。该模块不仅可以实时地采集脉搏心率情况，同时可以将采集的数据发送到上位机，实现远程实时监控，当监测的数值超过或者低于正常的阈值时，会发出报警信号，方便救援人员及时救助。此心率采集模块体积小、方便携带，将其嵌入到服装设计中，同样可以应用到医学、野外探险等多个领域，这种设计是服装艺术和无线电子相结合的又一新兴产物，具有非常重要的现实意义。

智能服装；心率；脉搏；ZigBee；实时监测；pulsesensor

0　引言

从2013年开始，智能腕表、手环、眼镜陆续进入大众视野，成为“潮人”们追捧的对象，这一年更被业界认定为“可穿戴设备元年”。简单来说，可穿戴设备就是指可以直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件上的一种便携式设备。然而随着无线传感器技术的发展，各式各样的可穿戴的智能服装也逐步出现在人们的生活中，智能服装就是把小型的芯片、电子元器件、电源等设备嵌入到服装中，可以实现特定的功能，以此方便人们的生活［1］。本文所设计的心率采集监测模块采用市面上最先进的光电反射式传感器，它不同于以往的压电式、压膜式传感器，具有很高的灵敏度。同时，本文专门对服装的口袋进行了特殊设计，对脉搏传感器进行安放，可以更加方便地对人体的脉搏进行实时采集和监测。

1　光电反射式传感器工作原理

Pulsesensor是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。采用光电容积法的原理对信号进行采集，将其佩戴于手指或耳垂等处，利用人体组织在血管搏动时造成透光率的不同来测量脉搏。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏频率［2］。

1.1系统功能模块划分

本文整体系统的功能模块划分如图1所示，包括采集模块、微处理模块、无线数据收发模块、液晶显示模块和串口通信模块等。

图1　系统功能模块图

1.2整形电路的设计

本系统的整形电路采用四电压比较器LM339和若干电阻电容构成单限电压比较电路［3］。图2所示为整形部分的电路原理图，由于脉搏信号经整形后为幅值为2～3 V的方波信号，因此将阈值电压设定为2.5 V较为合适，整个电路由+5 V直流电压源供电，经实验测定后，R2的最佳值为10 kΩ。通过整形电路可以方便实现对脉搏数目的统计，为后期上位机的监测提供条件。

图2　整形电路原理图

2　心率信号处理模块的设计

为了得到正确的脉搏频率，可用设置中断的手段来实现功能［4］。将I/O口P1.3设置为外部中断口，输入信号下降沿可触发外部中断使系统进入外部中断服务子程序，每进入一次服务子程序脉搏计数器加1，与此同时定时器1定时用户自定义的时间周期。一旦到达定时时间则读取计数器里的值，读完清空各寄存器以便下次计数。图3为本系统脉搏采集模块的协调器流程图，图4为心率采集过程流程图。

图3　脉搏采集模块协调器流程图

图4　心率采集流程图

3　心率采集监测界面设计

当传感器采集到脉搏数值后，会通过ZigBee协议将采集到的数据上传给远程终端［5］，实时地显示被测者的心率情况，通过编程实现实时折线图的绘制，对心率变化的趋势进行跟踪监测，一旦发生异常时会触发报警［6］，以方便救援，把风险降到最低。图5为某测试者心率正常时（基本稳定在84次/min）的监测曲线，图6为另一测试者心率不正常时（如50次/min）触发报警，绿灯变红灯同时发出鸣笛声。

图5　某测试者心率正常时监测界面

图6　心率有问题时的监测界面

4　心率采集装置在智能服装上的测试结果

本文将脉搏采集装置的数据发送模块、电源模块等进行了封装处理，同时，设计了特殊的口袋对采集模块进行了固定和安置，在口袋的底部设计有特殊的小孔可以走线，使光电传感器外露，如图7所示。为了保证所测心率的精度，本文对传感器进行了黑色遮光处理，可以套在手指上，如图8所示，方便测量。

图7　智能服装上的心率采集装置

图8　心率传感器遮光采集

5　结论

可穿戴技术既面临机遇又面临着严峻的挑战［7］，本文基于ZigBee协议采用无线传感器网络技术，设计了一

款可穿戴的脉搏心率采集监测装置，该装置不仅可以实现对脉搏的实时采集，也可以通过远程终端进行实时监控。大数据的时代背景以及信息化智能化的科技产品会在今后改变人们的生活方式［8］，而本文设计的可穿戴脉搏监测系统也是服装领域和电子通信领域相结合的又一新兴产物，在智能服装的发展方面有着非常重要的研究意义和实用价值。

［1］田苗，李俊.智能服装的设计模式与发展趋势［J］.纺织学报，2014，35（2）：109-115.

［2］徐伟.光电传感器的研究与应用［J］.科技创新导报，2010 （12）：42，44.

［3］卢超.PVDF型脉搏传感器信号处理电路的设计［J］.齐齐哈尔大学学报，2009，25（6）：6-10.

［4］黄丽卿.基于光电容积脉搏波的心率变异度检测方法研究［D］.北京：北京工业大学，2013.

［5］王秀芳.基于VS2010动态血压监测系统的设计［J］.中国医学物理学杂志，2012，29（5）：3668-3671.

［6］郑捷文.可穿戴实时诊断、报警、移动健康监护系统［D］.北京：中国人民解放军军事医学科学院，2008.

［7］曾惜.可穿戴技术的挑战和机遇［J］.科技风，2014（4）：233，236.

［8］可穿戴技术大畅想：2015年将人变机器［J］.奇闻怪事，2013（10）：56-57.

Design of heart rate collection and monitoring system for smart clothing

Zhao Jing，Fan Xiujuan
（Institute of Information Engineering，Beijing Institute of Fashion Technology，Beijing 100029，China）

Based on smart clothing technology and wireless sensor network technology，a portable cardiac rate monitoring module was designed in this paper by employing a new type of photoelectric reflection analog sensor.The module can not only capture the pulse of the real-time heart rate，but also send the collected data further to the host computer，thus achieving the goal of remote and real-time monitoring.Once the monitored value is above or below the normal threshold，an alarm signal will be transmitted to facilitate timely rescue by aid workers.Embedded to clothing design，the cardiac rate monitoring module，with a small volume and great convenience to carry，can also be widely applied to many fields like medical science，outdoor adventures，etc.By combining apparel art and wireless electronic technology，the design in the paper can serve as another emerging product of very important practical significance.

smart clothing；heart rate；pulse；ZigBee；real-time monitoring；pulsesensor

TP391.4

A

1674-7720（2015）04-0020-02

北京市人才强校计划——创新团队项目（PTTBIFT_TD_002）；研究生科研创新项目（X2014-066）

（2014-09-24）

赵婧（1988-），通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：模式识别与智能控制。E-mail：610129412@qq.com。

范秀娟（1962-），女，硕士，教授，主要研究方向：模式识别与智能控制。