物联网技术智能健康监测系统的研究与设计*

黄军辉 黄晓红 叶廷东 沈世华 谭新业

(1.广东农工商职业技术学院，广东广州 510507；2.广东轻工职业技术学院，广东广州510300)

物联网技术智能健康监测系统的研究与设计*

黄军辉1黄晓红2叶廷东2沈世华1谭新业1

(1.广东农工商职业技术学院，广东广州 510507；2.广东轻工职业技术学院，广东广州510300)

许多人由于没有及时预警而错过最佳施救时间，为避免错过及时报警情况的发生，设计了利用光电容积法的微型心率传感器与低功耗无线Bluetooth Low Energy 4.0无线通信技术以及个人手机相结合的可穿戴技术的智能健康监测系统，具备价格低廉、学习成本低和可靠性高的特点。提出采用硬件与软件相结合的方法实时采集用户的心率数据，通过计算与分析来判断用户是否处于危险状态，并自动将当前的GPS定位信息通过GSM短信功能发送至亲人、医院或警方处置，确保提高急救成功率。

心率监测；物联网；智能健康；监测系统

随着我国经济的发展，老龄化问题日益突出，伴随出现的“空巢老人”、“独居老人”与“孤寡老人”等日益增多，而老年人同时又是疾病与意外的高发人群[1]，常常因为出现意外得不到及时的救助而造成无可挽救的事故，对家庭与社会造成重大的伤害。目前市场上关于健康监控的设备不少，但是基本上都用于运动监控、运动追踪等，并不适用以上的情况与问题。因此专门针对以上情况设计了一种可穿戴技术的智能健康监测系统。

本系统是利用人体在遭遇绝大部分突发情况时，心率活动随之发生变化，因此可以实时的采集人体的心率数据，通过运算和分析来判断人体当前是处于正常还是危险的状态，如果处于非正常的状态，则自动进行报警处理，联系医院和通知亲人，从而能有效减少因为未及时发现而造成悲剧的发生。

1 系统总体构架设计

1.1 设计思路

要实现这套物联网健康检测智能系统，首先需要一个可以检测心率变化的传感器，需要一个控制芯片来把传感器检测到的AD信号经过数学运算与分析转化成一般人能读懂的心率信息，接着需要一个无线通信模块将心率信息传送到终端，最后由终端判断用户是否为正常状态，是否需要进行通知处理。设计思路如图1。

1.2 系统总体架构

本套可穿戴技术的智能健康监测系统的总体构架如图2，由硬件部分和软件部分组成，硬件部分包括心率探测传感器、单片机控制芯片、蓝牙BLE(Bluetooth Low Energy )4.0通信模块组成。蓝牙低能耗架构共有两种芯片构成：单模芯片和双模芯片。蓝牙单模器件是新出现的一种只支持蓝牙低能耗技术的芯片——是专门针对ULP操作优化的技术的一部分。蓝牙单模芯片可以和其它单模芯片及双模芯片通信，此时后者需要使用自身架构中的蓝牙低能耗技术部分进行收发数据。双模芯片也能与标准蓝牙技术及使用传统蓝牙架构的其它双模芯片通信。如今社会基本上每人都有一台手机，所以软件选择在手机上进行设计开发，利用手机自带的GSM、GPS与蓝牙通信的功能组合实现整套系统的运行。图中“被监测方”为硬件部分的佩戴用户，“监测方”用户包括警方、医院、佩戴用户的亲人与专门为本系统进行运维的机构和组织。

图1 设计思路

在硬件部分，心率探测传感器检测用户的心率数据，由控制芯片处理采集的数据后通过BLE4.0蓝牙通信模块发送至手机端；在软件部分，软件利用手机自身的蓝牙模块接收硬件部分发送的用户心率信息，对信息进行运算和分析，在信息处于非正常情况下读取当前的GPS位置信息，并通过GSM功能发送短信至检测方。

图2 系统总体构架设计

2 系统硬件设计

硬件部分选择使用光电容积法测量的心率传感器、8位超低功耗控制芯片与BLE4.0蓝牙通信技术作为无线通信方式。

2.1 心率检测

如今的心率测量方式主要有三种：第一种是从心电信号中提取出心率值；第二种是在测量血压时,通过压力传感器测到的波动来计算心率值；第三种是光电容积法。前两种方法在提取心率信号都会让使用者的活动受到限制，并且在长时间地使用时，会对使用者的心理与生理造成不适感。光电容积法测量是现在作为监护测量中最普遍使用的方法之一，具有稳定性高、操作简单、方便携带等特点[2]。

光电容积法的原理是利用人体组织在血管搏动时造成血管透光率的差异来进行心率的测量。光电容积法使用的传感器是由光源与光电应变器组成，光源通常采用对动脉血中氧与血红蛋白有选择性的发光二极管, 波长选择在500nm～700nm之间[3]，当光源透过人体外围的血管，由于动脉搏动充血导致容积的变化，从而影响光源的透光率，此时由光电变换器接收到经过人体外围血管反射后的光信号，转换成电信号放大后输出。此心率检测传感器的信号流向如图3。

图3 心率检测传感器的信号流向图

心率测量部分选择光电容积法的光电反射模拟传感器，由光源和光电变换器组成，通过人体组织在血管搏动时造成血管的透光率差异进行测量。传感器的电路原理如图4，因为560nm左右的波能对皮肤浅部微动脉的信号进行反应，所以采用峰值波长为515nm的绿光的发光二极管AM25200[4]。光电应变器选择APDS-90080[5]，是一款感受峰值波长为565nm的环境光感受器。两者配合能达到较高的灵敏度。由于心率信号的幅度很小，频带在0.05～200Hz之间，很容易被其他信号干扰，因此同时使用低通滤波器、由MCP6001构成的放大器、与采用分压式电阻设置直流偏置电压作为电源电压的二分之一，使得信号在放大330倍后能容易地被采集。

图4 心率传感器电路原理图

2.2 控制中枢

根据本系统的需求，控制芯片需要有多路A/D转换功能、URAT通信功能、高速运算的性能与低功耗的特点，本系统选择ATMEL公司ATmega系列的ATMEGA328P-AU芯片[6]。此芯片是一款高性能、超低功耗AVR 8位微控制器，拥有先进的RISC体系结构与体积小的特点。如图5所示，配合时钟电路、复位电路和电源电路组成的单片机控制系统，顺利地将心率传感器采集到的AD信号通过运算转换成心率数据，并控制蓝牙模块与上位机(即手机端)通信，进行数据的发送。

2.3 无线通信

无线通讯选择蓝牙BLE4.0无线通信，这是一种短距离、低成本、可互操作的无线通信技术，利用多种智能方式最大限度地降低功耗，以提高硬件设备的续航能力。

在本系统中使用的是CC25410[7]，这是一款针对2.4GHz应用的功率优化的低切耗芯片，结合多种功能与出色的性能，如将RF收发器的性能和一个增强版的8051MCU、系统可编程闪存、8K的RAM等结合起来[8]，非常适用于本系统。根据CC2541数据手册，其工作电路环境如图6。

3 系统软件设计

软件部分由下位机程序(即硬件的程序部分)与上位机程序(手机端软件程序部分)组成，其二者分工合作保证整个系统的正常运作。

3.1 下位机程序设计

程序的主要思想：心率探测传感器根据返回的光照强度，输出脉搏的电压波形曲线。下位机采样电压曲线，数字化后发送到上位机，同时随时计算相邻两个脉搏波的峰值点的时间差并且进行滤波，得到两次心跳之间的时间，即为IBI数值，由此数值进行运算可得到心率值BPM。运算公式如下：

BPM=60/IBI

(1)

为了得到BPM值，下位机程序需要有四个功能：采样、滤波、计算与输出。

采样：主要通过ADC单元来采样传感器输出的心率模拟信号，采样率500HZ、10位精度的AD精度选择。

滤波：由于脉搏波在动脉中的反射，往往会出现一个重搏波。为了避免重搏波的干扰，在程序中每隔0.6个IBI的值才开始跟踪脉搏的上升，

图5 控制电路原理图

图6 BLE4.0蓝牙通信电路

即可避开重搏波峰值，提高准确率。

计算：心率的计算是根据相邻的两个脉搏上升段的中间值之差来确定IBI的数值，由此就可以算出BPM的数值，如图7。

图7 IBI分析图

输出：程序主要通过串口输出数据，数据格式均为ASCII码，其中包含三种数据：以“S”为前缀的表示心率波数据(主要用于脉象图的绘制显示与研究)；以“B”为前缀的表示BPM数值(即心率值)；以“Q”为前缀的表示IBI数值(即相邻两个心跳之间的时间)。这三个数据通过下位机的串口发送给上位机，由于要成功地绘制可用于研究的脉象图，“S”数据至少需要20ms发送一次，数据量大，不利于节省功耗的目的，所以在不需要的情况下为不发送状态；“B”数据与“Q”数据只有在检测到有效的脉搏后才会出现，即在每次心跳后会出现一次，根据需求可选择一段时间内连续发送，或者选择在BPM值出现突变时再连续地发送数据，以此来达到节省功耗的目的。串口传输的数据如图8。

图8 串口传输的数据图

其中，BPM为心率值，IBI为心拍间隔时间，QS为判断是否发现心跳，Ps为上位机。在下位机上电后，进行IO口的初始化，UART通信方式初始化，定时器初始化为2ms以及中断服务程序初始化。直接发送传感器检测到的AD心率电压信号到上位机，接着判断是否发现心跳(即QS是否为真)，如果发现心跳，则计算IBI与BPM后将其发送到上位机，并且把QS清零后继续检测心率电压信号；如果没有发现心跳，则继续检测AD信号。在中断服务程序与定时器服务程序中，实现每2ms检测一次传感器的AD值。在低功耗模式下，选择每次检查完AD值后不发送出去，直到出现上位机

的请求，和出现异常心率时候再发送心率值到上位机，从而实现设备的低功耗。

3.2 上位机程序设计

软件部分是基于Android系统自主设计的软件，进行与硬件部分的互动通信。一级用户可以通过软件得知自身的心率情况，软件通过算法和数学模型告诉用户现在的身体处于哪种状态(健康、亚健康、正常、非正常等)。软件调用手机自身的GPS功能用于用户定位与调用GSM功能用于短信息的发送。由专门的医生根据使用者自身的情况设立心率的警报值，如果使用者达到这个警报值，则自动把一级用户的当前心率值与当前位置坐标发送短信指定的二级用户。在软件端同时保存多个二级用户，包括警方、医院和个人，只要软件判断一级用户出现异常，则同时发送当前信息到所有的二级用户，减少事故的发生。

图9 上位机软件部分主流程图

图9是上位机软件主流程图，在软件打开时，进行系统功能的初始化，分别对手机的GPS定位、GSM功能初始化，设置心率阀值与设置二级用户的联系电话，进行BLE4.0蓝牙配对，等待下位机发送心率数据。如果无数据则不响应操作，如果接收到数据，显示数据并且对数据进行记录与分析，判断一级用户是否处于危险状态，连续处于危险状态则发送短信通知二级用户。在软件空闲状态，可由一级用户主动发送自身的信息到指定的二级用户，也可由指定的二级用户发送短信到一级用户的手机端进行心率与位置的查询，关系如图10。

图10 用户关系图

4 系统功能测试结果

1)通过手机的蓝牙成功读取到硬件部分通过BLE4.0发送的数据，显示到屏幕上，根据数据画出脉象图；2)使用手机的GPS 功能成功读取手机当前的GPS定位信息；3)通过GSM功能发送检测到的位置信息与接收到的心率信息给指定的手机号码；4)可预先设定心率的阈值，当接收到的数据达到或者超过设定的阈值，则自动发出通知；5)在自动模式下能根据设定的阈值进行自动通知功能；6)在手动模式下能主动发送定位信息与心率信息到指定的用户。软件界面及发送的短信内容如图11。

图11 软件界面及发送的短信内容

5 结语

本系统本着低功耗、准确探测、及时反馈为目的设计，与现在市场上的心率检测设备相比，具有体积小、重量轻、功耗低、成本低与智能管理信息等优点。随着科学技术的日益发展，即使与亲人相隔千里，也可以随时得知亲人的身体状况，从而无后顾之忧的工作与生活，能直接减少空巢老人发生的事故，直接提高社会的生产力，具备市场推广价值。

[1]月晓玲. 和谐世界，从“心”开始——让我们用心关爱“空巢老人”[J]. 都市家教(上半月), 2014 (11): 266-266.

[2]张晓林, 李赓, 刘承桥, 等.远程心率监护及急救系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2015 (9): 29-31.

[3]赵婧.基于可穿戴技术的信息处理与数据融合算法研究[D].北京:北京服装学院,2014.

[4]Kingbright.AM2520ZGC09 Data Sheet[Z].Taiwan: Kingbright,2013:2-3.

[5]Avago.APDS-9008 Data Sheet[Z].USA: Avago,2008:1-12.

[6]Atmel.ATMEGA328P-AU Data Sheet[Z]. USA: Atmel,2009:1-12.

[7]德州仪器.CC2541技术手册[Z]. 美国: 德州仪器,2012:24-25.

[8]冯步云.基于嵌入式系统智能家居控制中心的研究[D].青岛:青岛科技大学,2014.

Research and Design for the Internet Intelligent Health Monitoring System

HUANG Junhui1HUANG Xiaohong2YE Tingdong2SHENG Shihua1TAN Xinye1

(1.Guangdong Agriculture Industry Business Polytechnic, Guangzhou510507,China;2. Guangdong Industry Polytechnic,Guangzhou510300,China)

Nowadays, many people can not be saved within the best rescue time because of the late warning. In order to avoid the situation, the paper designed a wearable intelligent health monitoring system that can connect to personal cell phone, that used miniature heart rate sensor based on photoelectric volume method and wireless communication technology of low power wireless Bluetooth Low Energy4.0. This system is cheap in both price and learning cost. Meanwhile, it has high reliability. Therefore, this paper proposed a method of hardware and software to collect the user’s heart rate data in real time, and then calculated and analyzed to judge whether the user is in a dangerous state，and automatically sanded the current GPS location information to relatives, hospitals or police by GSM, to ensure to improve the success rate of first aid.

heart rate monitor; internet; intelligent health; monitor system.

2016-11-16

广东省科技计划项目(2015A020214025；2015A070710030;2012B040201049)；2014年省级“千百十工程”人才培养对象项目(RC2016-005);广东轻工职业技术学院创新强校工程项目(2A11105)

黄军辉(1969—)，男，副教授，硕士。

TP311.52

A

1672-1950(2016)04-0001-07