基于光电容积脉搏波监测（PPG）技术的生理监护蓝牙智能手表设计

肖昂弘 刘沭钢 陈铭林 苏伟康 李耿超

摘要：本文将光电容积脉搏波监测（PPG）技术应用于蓝牙智能手表，使用户可以实时在手表上观测到自己脉搏，并在手机上开发相应应用程序，通过蓝牙与手表通信，从而共同对用户的生理状况进行监护。手表以Silicon公司的Sim3U164芯片作为主控芯片，并改进PPG探头，创新地实现非接触式信号监测，提高用户使用舒适度，同时提供一种低成本的蓝牙智能手表的解决方案。

关键词：PPG 蓝牙 脉搏波监测 智能手表

中图分类号：R443 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

1引言

步入2013年，穿戴式设备，智能手表市场方兴未艾，各种产品充斥着市场。但是，大多数产品都存在价格昂贵，实用性低的缺点。针对这种现象，我们提出一种基于蓝牙技术的低成本智能手表。

由于社会的发展，生活水平的提高，人们对自身的健康越来越重视，为了迎合消费者的保健意识，提高消费者的健康水平，我们在智能手表上，利用PPG技术，实时监控用户的脉搏。人们可以在手表上实时观看自己的脉搏，当脉搏异常时候，手表会发出报警，提醒用户，对用户的健康提供有力保障。

同时，我们在PC上开发配套软件，用户可以通过手表将脉搏数据传递到PC上，软件通过数据分析，评估用户的健康情况。用户可以通过软件的数据分析，及时调整自己的保健计划。

2 系统的主要硬件部分

2.1 系统框架图1

2.2 蓝牙模块

蓝牙模块采用台湾创杰科技（ISSC）的IS1681SM，该模块是蓝牙3.0。在功耗方面，比蓝牙4.0差，但是在稳定性方面，比现在市场上大部分蓝牙4.0要好（蓝牙4.0与手机相连经常会出现断线情况，此外，暂时大部分手机没有蓝牙4.0）。另外，此芯片待机电流可低至2mA，满足便携式产品低功耗的要求。与蓝牙4.0相比，此芯片在价格上有绝对的优势。

2.3 PPG模块

光电容积脉搏波描记法（ Photo--PlethysmoGraphy，PPG），是利用光束照射到活体组织表面，光束进入体内后通过反射或者透射的方式返回到光电传感器，通过信号处理得到了人体脉搏参数，具有无创性、便捷性、抗干扰能力强等特点。

传统的光电脉搏波描记方法分为透射式和反射式，测量时都是需要紧贴皮肤表面的，这给使用者带来不便。特别在冬天衣服厚重的情况下，测量者需要除去衣服，露出皮肤，测量脉搏波就显得更加困难

采用改进型PPG技术，利用红外反射光检测方式，通过差分放大器、滤波器、程控放大器后实现PPG信号采集，得到用户的实时脉搏信号。PPG模块流程如图2。

2.4 主控MCU

本次系统采用的主控芯片是Silicon公司的Sim3U164芯片，该芯片是32位的Cortex-M3内核。芯片自带时钟管理，最高时钟为80M，满足高速运行；在休眠模式时可以将时钟调整到2.5M，满足便携式产品低功耗的要求。

此外，该芯片自带ADC、PWM、DAC、两路串口、两路SPI、RTC、中断管理、低功耗模式，完全满足蓝牙手表的设计要求。

利用该公司提供的AppBuilder软件，方便代码生成，提高了开发效率。Appbuilder 是专为Openbiz Cubi平台而设计的元数据集成开发环境。具有交互性图形界面。它包含了两个功能强大且简单易用的生成向导 以及 直观的元数据编辑器。加入ucosII系统，使系统更加完善。

3系统工作流程图

图3为系统工作流程图。

手表只设置了两个按键，通过左键短按、右键短按、左键双击、右键双击、左键长按、右键长按、左右按键同时按下在各个模式间进行切换。正常模式下，OLED显示时间，电池电量，蓝牙是否连接，音乐是否播放还有音量值。在无任何操作（按键操作或者蓝牙返回指令）时间达到15s时，进入休眠模式。休眠模式下，只有串口接收到蓝牙数据和按键才可以唤醒MCU，唤醒后返回正常模式。此外，手表还有关机模式，设置模式，秒表模式，更新模式等。

4 系统测试

图4是我们在测试板上测试整体系统架构的照片。

为了便于观察PPG模块工作情况，测试时我们将程控放大器的输出端接入数字示波器辅助观察。对直接紧贴皮肤检测后的滤波结果进行分析。如右图，是测试对象在紧贴皮肤，没有间隔衣服的情况下，测试手腕位置的脉搏波。可以看出脉搏波被清晰的描记出来。

4.1功耗分析

所有穿戴式产品都要面对一个关键问题——功耗，如何降低产品的功耗，是穿戴式产品能否取得成功的关键。

为了节省功耗，做了以下设计：（1）设置了睡眠模式，在睡眠模式下关闭处理串口外的其他外设，将OLED设置为休眠模式；（2）电机震动采用震动2s停止2s的方式间隔震动；（3）在手机没有播放音乐或者不需要语音报号时，关闭喇叭，在播放音乐或者语音报号时，才开启喇叭。

4.2关机模式下断开蓝牙供电

经过一年的努力，我们完成了最终的智能手表成品，手表基于蓝牙3.0与智能手机通信，实现电话接听、拨打、电话本同步、MP3等功能，并实现人体脉搏波信号的可穿戴设备监测，通过改进PPG探头，实现信号非接触检测，提高用户使用舒适度。

5结语

本课题自2014年5月正式开始，我们利用课余空闲时间，在课题计划的指导下，学习新知识，并将知识付诸于实践当中。

在不断的调试过程中，我们遇到许多不同种类的问题，屏幕无法显示，程序没有按照我们的预想进行；硬件知识不足够，无法制作出合适的滤波电路；器件意外烧毁，一次次的失败虽然打击我们，也给了我们战胜它的决心。

在和指导老师的不断沟通中，我们对我们遇到的问题进行了总结，和组员重新思考了整体程序结构，在这个过程中，既锻炼了我们的沟通能力，又让我们的专业技能得到了明显的提升，我们每个人也学会了如何从整体出发设计一个定制的应用系统。

从去年开始课题，除寒假中断了一段时间外，我们一起合作，共同克服困难，不断进步不断飞跃。进行至今，我们已经完成了生理监护蓝牙智能手表的整体设计，论文撰写，实物制作，调试通过。

参考文献

[1]Jean J.Labrosse著.《uC/OS-II-源码公开的实时嵌入式操作系统》.劭贝贝译.北京：中国电力出版社，2001.？

[2]任哲.嵌入式实时操作系统uC/OS-II原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3] Joseph？Yiu？著.《Cortex-M3权威指南》.宋岩译.2008.？

[4] 崔波，高博，龚敏.基于红外反射光容积脉搏波的血管阻力研究.光散射学报，Vol.23 No.4. Dec，2011.