一种可刷卡健康手环的设计

2015-11-10黄亚辉叶璐张旖旎赵磊陈月

物联网技术 2015年10期

黄亚辉+叶璐+张旖旎+赵磊+陈月

摘要：给出了一种低功耗可刷卡健康手环的设计方法。该设计为了实现手环的多功能化，采用低功耗嵌入式单片机STM32F103为主控制器，并结合了心率传感器、Mifare 1 S50卡、GPS模块、GSM模块以及电源管理模块，在其集成以后接入到GPRS网络中，从而实现不间断的对人体体征信号的监测，并针对可能发生的意外情况采取报警机制。本设计内置的射频卡具有刷卡功能和GPS定位功能，这正是此手环的独特之处。经过大量的实验验证，这种手环能很好地实现其功能，可提高使用者的生活质量。

关键词：STM32F103；低功耗；心率监测；集成射频卡

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）10-00-03

0 引言

现今的智能穿戴设备是指可直接穿戴或和衣物、鞋帽等合为一体的，并可以通过内置软件和云端数据进行交互，同时对使用者产生一定影响的小型电子器件[1]。目前市场上的智能穿戴设备可谓琳琅满目，不论是令人向往的头戴式虚拟现实设备，还是多种多样的智能手表和手环，抑或是直接穿在脚上的智能跑鞋，它们都将智能化带到一个新的高度，为智能化开拓了一个新的领域。

智能化和小巧化是智能设备的发展趋势，对于本文将要介绍的手环来说，它具备了便携而不简单，小巧实用且功耗较低的特点，除了一般手表都具有的时钟功能，它还能够监测佩戴者的心率，并在适当的时候给予提醒；另外，考虑到目前一人持有数张磁卡的不便性，我们将IC卡扩展到该手环上，让其成为一种消费方式，不仅方便美观，也起到了为人们“减负”的作用。

1 系统结构

本系统主要由主控制器、IC卡、心率监测和GSM部分与GPS部分这几大结构组成，系统的总体结构如图1所示。

图1 系统结构框图

手环内的心率传感器一直在监测人体体征，一旦发生异常，MCU接收到指令，立刻驱动GPS获取当前地理位置并通过GPRS连接网络地图，把位置信息以短信形式发送到固定的移动通讯设备上；另一方面，该手环系统内置S50卡，即采用NXP MF1 IC S50制作的非接触智能卡，能够与阅读器配合进行交易，比如公交地铁刷卡，电子门票等。

1.1 主控制器

主控制器选用的是基于ARM Cortex-M内核的STM32系列。本文所介绍的系统采用了STM32F103，是由TI公司推出的32位微处理器，72 MHz主频，支持2.0–3.6 V电压供电，具有睡眠、停机和待机等低功耗模式，在待机情况下电流仅为2 uA左右[2]。同时，它具有丰富的I/O资源和片内外设：多达51个快速I/O端口均可以映像到外部中断，且具有多种输入输出模式；2个12位的模数转换器及16个外部输入通道，灵活的7路通用DMA也为该芯片增色不少[3]。

1.2 心率监测

1.2.1 检测原理

传统的心率测量方法主要有三种：一是从心电信号中提取；二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算；三是光电容积法。前两种方法提取信号时都会限制使用者的活动，如果长时间使用会增加其生理和心理上的不舒适感。而光电容积法作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有使用简单、佩戴方便和可靠性高等特点。

光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行心率测量的[4]。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化，导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而呈周期变化的信号，动脉血管的容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。

1.2.2 硬件电路

此系统使用了光电式心率传感器，该传感器采用了AM2520绿光LED，峰值波长为515 nm；而光接收器为APDS-9008环境光感受器，感受峰值波长为565 nm；两者的峰值波长相近，灵敏度较高。此外，由于脉搏信号的频带一般在0.05～200 Hz之间，信号幅值小，在毫伏级水平，容易受到干扰。因此，在信号采集之后，还需要通过滤波电路、放大电路来滤除干扰，获取较为准确的脉搏信号。电路原理图如图2所示。

图2 心率检测电路原理图

1.3 预警机制的设计

该系统的通信部分使用的是SIMCOM公司的sim908集成芯片，它是一款集成GPS导航技术完整的四频GSM/GPRS芯片，将GPRS和GPS整合在SMT封装里，为客户实现内嵌GPS的应用显著节省了开发时间和费用。整块芯片的工作电压为3.2～4.5 V，低功耗，能够实现短信、语音、GPRS数据和CSD数据的传输[5]。

1.3.1 GPS与GPRS介绍

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，以全球24颗人造卫星为基础，是指利用定位卫星在全球范围内实时进行定位的系统，最早由美国国防部研制，具有全方位和高精度的特点，综合定位的精度可达厘米级别，目前民用领域则只开放了10米左右的定位精度。

GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，是全球移动通信系统（GSM）的延续和发展，不同于以往占用整个频道来传输数据的方式，GPRS是封包式传输，使得信道资源得以共享，提高了资源的利用率[6]。它能同时兼容电容型数据和分组交换数据，连接因特网。

1.3.2 预警机制的实现

手环可使用该系统的通信部分与外界联系而实现预警功能。当心率监测部分发现人体脉搏不稳定，处于异常状态时，就向处理器发出异常信号；处理器接收到信号之后，驱动GPS部分获取当前经纬度坐标；系统的软件设计部分已经添加了高德地图的API，可以把经纬度坐标转换为地图上的地点标识，给出网址链接。由于采用的是集成GPS/GSM的SIM908芯片，手环就能够把网址链接以短消息的形式发送到手机上，起到了预警作用。

1.4 刷卡实现及结构设计

无线射频（RFID）技术普及已久，它改变了人类的生活方式，对科技发展造成了长足的影响，目前该项技术也非常成熟。该系统中的刷卡功能就是采用了RFID技术，使用的是Philips电子公司生产的Mifare 1 S50，该卡的RFID芯片所具有的独特的非接触式接口标准已被制定为国际ISO/IEC 14443 TYPE A标准[7]。

Mifare 1 S50卡的电气部分由天线和RFID芯片组成，天线为几组绕线线圈，封装到ISO卡片中。卡与读写器之间的通讯采用国际通用的DES和RES保密交叉算法，保密性能较高。该卡的工作频率为13.56 MHz，可在100 mm范围内在同一时间处理多张卡[8]。

手环的机械结构主要由显示屏、射频卡、系统PCBA和手环底座及表腕组成，其分层示意图如图3所示。由于刷卡工作在高频范围，这部分的电磁强度比较大，射频卡和系统PCB之间增加一个隔离层，以便减少电磁干扰。

图3 手环机械结构示意图

1.5 电源管理

生理信号的特点是信号幅度特别小，往往都是微伏或者毫伏级别，信噪比极其微弱，因此一个小小的干扰都会超过生理信号大小而将其淹没。而这些干扰包括运动干扰、环境光干扰、电磁干扰和工频干扰等。其中，来自电源的工频干扰是最主要也是最容易让人忽略的干扰源[9]。

我们平常使用的220 V交流市电并不纯净，里面含有很多噪声，这些噪声可以通过电源线窜入心率测量的系统电源，影响传感器的工作环境导致输出不正常。工频干扰示意如图4所示。

图4 工频干扰示意图

为解决上述问题，系统采用锂电池供电，在充电过程中使用电源管理芯片控制整个充电流程，读取电池电量，实现过低提醒、充满自动断电等功能[10]；锂电池放电电路与滤波电路结合，使传感器得到更纯净的电源。

2 系统工作原理

系统的工作流程如图5所示，其中字母“S”表示系统接收到的触发信号类型，“S1”、“S2”、“S3”、“S4”分别代指电磁波信号、体征信号、GPS触发信号和GSM触发信号。

当系统开始工作时，如果有与手环内置S50卡相对应的阅读器发出电磁波信号，该IC卡便能感应到而且与之相匹配，完成读卡或写卡等操作。与此同时，系统也一直在监测人体的心率特征，当心率处于正常范围时，便显示在手环的LED屏幕上；当人体发生异常，心率不齐时，便发出信号触发GPS模块获取使用者当前的位置；GPS一旦被触发并且完成获取地理位置的操作后，它便告知控制器触发GSM模块开始工作，即将此刻的位置信息以短消息的形式发送到预先设定好的通讯设备上。

图5 系统工作流程图

3 系统实际工作情况

3.1 功耗测试

在实际工作情况下，采用5 V电压供电。其功耗情况如表1所示。从表1中可以发现，在一个工作周期中，系统工作状态的最大功率为0.75 W，而处于休眠状态时只有0.10 W。因此，手环的整体功耗较低。

3.2 心率数据

为了测试该手环所具备的心率监测功能的准确性，对测试者同时用听诊器和本文所设计的手环对脉搏进行计数，得到如表2所列的心率数据。

在实际测量时，人工使用听诊器的测量数值与手环自动测量的数值相比，有一定的误差，平均误差值为1.8，在允许范围之内。这种误差可能也是由于人工测量时的起始时间和终止时间把握不准导致的。

3.3 定位测试

用信号发生器给心率监测部分提供一个频率为100 Hz以上的信号，让手环采取预警机制，进行定位和短信发送。测试结果如图6所示。

（a）手机端接收到的短信（b）链接内容

图6 手机端接收到的短信及打开链接后的内容

4 结语