基于智能手表的可穿戴无线健康监测系统的设计与开发

2020-10-26徐明李子豪周杰

卷宗 2020年19期

徐明李子豪周杰

摘要：本文以近年来蓬勃发展的健康监测市场为研究对象，设计了一种基于智能手表的可穿戴无线健康监测系统，主要功能是能够将智能手表监测到的各种生物信号通过蓝牙方式传输并存储到智能手机或计算机中，通过后期的验证测试，证明了本系统在实际的应用中非常成功的，但在某些功能上还需要进一步扩展，以满足不同用户的定制化需求。

关键词：智能手表;可穿戴;健康监测

医疗保健是当今社会中最重要的组成要素。在这个瞬息万变的世界里，病人护理的远程實时监控需求正在日益增长。健康监测系统是一个由测量心电图、脉搏率、血氧饱和度、血压等组成的设备，这些设备体积庞大，一般只能在医院和诊所使用，且生产成本很高，价格高昂。由于上述原因，本文致力于设计一个价格低廉的无线便携式可穿戴健康监测系统，让患者能够在医院以外自主监测自己的健康状况。

本文提出的可穿戴无线健康监测系统是基于智能手表设计的，包括传感器模块、数据采集模块和传输模块。由传感器采集的信号通过蓝牙通信传输到接收端，作为接收端的计算机接收采集信号，并在屏幕上显示数据。相关硬件和软件的具体实现说明如下。

硬件系统由手表、用于检测腕部生物电信号的传感器模块、采集信号放大器、微处理器以及蓝牙通信模块等组成，将放大处理后的信号从微控制器发送到计算机进行监控。通过对整个硬件模块的特殊设计，使其能够方便地安装在表带上。

传感器模块装有IR LED和红色发光LED，用于将光线入射到手腕上;额外的光电二极管用于捕捉手腕反射信号中的数据。LED驱动芯片采用了L293DD。从光电二极管获取的信号被发送到放大和处理模块，然后通过蓝牙无线通信的方式发送到接收端的计算机。

通常，从传感器模块获取的生物电信号在微伏到毫伏之间。由于采集到的信号幅度很小，所以需要对信号进行放大。采集信号中还存在一些由内部和外部源产生的噪声。为了减少这些噪声，使用了一定带宽的滤波器。因此，为了获得高质量的数字信号，用特定的增益对信号进行放大、滤波以供进一步处理。

放大模块为单通道设计，单通道放大模块由三级组成，即：仪表放大器、带高通滤波器的运算放大器、带高通滤波器和二阶低通滤波器的第三级运算放大器。采用INA114作为高共模抑制比的仪表放大器，TLC 272作为运算放大器。

数字处理模块由微控制器组成，从而实现数据采集和数据转换（A/D）。用于处理信号的微处理器是由Atmel公司设计的AT mega328P，AT mega328P微控制器是一种高性能、低功耗的8位微控制器。该微控制器的主要特点包括：低功耗，先进的RISC结构，具有高持久性的非易失存储器段，具有上电复位和灵活的可编程功能等。mega328P的工作电压在1.8V到5.5V之间，温度范围在40℃到85℃之间。

本系统的微控制器工作电压为5V，主要流程描述如下：来自模拟放大器的放大滤波数据被传送到微控制器，在微控制器中进行A/D转换，用数字数据计算SpO2值，并对红外发光二极管和红色发光二极管的峰值进行了检测、比较，分别得到了它们对应的SpO2值，然后将这些SpO2值通过蓝牙通信模块发送到接收器。

微控制器由电池供电，软件算法首先初始化定时器、UART、I/O端口和A/D转换器，设置中断标志位;当中断触发以后，则进行A/D转换。在A/D转换完成之后，微控制器将数据串行写入UART，然后检查计时器是否溢出。如果数据写入已经完成，中断标志复位，程序将对下一批数据重新进行A/D转换。3.7V和220mA的锂离子电池作为数据发射端的供电，LM4041和电荷泵用于将模块中使用的组件电压提高到5V供电。

蓝牙模块连同传感器和微处理模块一起安装在手表带上，这使得手表更容易佩戴。蓝牙通信标准是根据需要从各种无线通信标准中选择的，最适合低功耗通信系统。蓝牙的工作频率为2.4GHz，在蓝牙通信期间，传感器的蓝牙模块在打开电源后广播SPP;数据接收端（智能手机或PC）通过解析匹配的协议来发现传感器模块。如果匹配协议解析完成，则握手成功。之后，传感器模块请求与接收器设备进行配对。这里通过请求4位pin码进行授权配对，成功配对后，设备请求SPP连接。成功连接SPP后，设备开始从传感器接收数据。以上就是蓝牙通信如何启动并通过无线方式向设备发送数据的方式。

在接收端设备上，利用MATLAB编程平台对发送端处理和发送的数据进行了软件分析。以纯软件形式实现了PPG信号的数据采集、数据管理和与计算出的血氧饱和度水平预期的输出显示。程序中还加入了蓝牙通信算法来获取无线传输的数据。

基于以上设计，我们实现了基于智能手表的可穿戴无线健康监测系统的设计与开发，通过实际验证、测试与分析，获得了理想的检测效果。但是，该系统只是一种原理型验证样机，还需要进一步提高系统的工作性能，并根据用户的实际体验改进结构及软硬件设计。

本文对今后的工作提出以下几点建议：

1）参考已开发的原型样机，可以单独设计传感器模块，以提高模块中特殊传感器的位置和数据测量精度，尤其在手表佩戴不够紧凑的情况下也能获得较好的性能。

2）运动导致的虚假信号剔除方法应当设计在系统软件中，以便在人体、手或手腕运动时可以获得更好的效果。

3）GSM模块可以添加到无线系统中，实现与其他设备或服务器的通信，以便由其他人（如亲属和医生）进行监控，并在出现紧急情况时通知相关人员。这一点对于重症病人是非常有必要的。

4）可在系统中添加GPS系统，以便在紧急情况下，能够通过定位找到使用该系统的病人，并立即向该地点派出救援人员。

5）在体积上，应充分考虑到人体穿戴的特点，尽量能够灵活适应不同手腕的具体特征;在功耗上，降低设备耗电以延长电池使用时间，同时降低设计成本，是本系统能够实现大批量供货的重要前提条件。

参考文献

[1]李新，邵开丽，靳宗信.基于传感器融合的车载健康监测综述[J].物联网技术，2020（1）：13-15.

[2]谭国良，余江.基于单片机和APP的健康监测系统[J].南方农机，2020（5）：39-42+53.

[3]季婷婷，丛杉，张永杨.基于健康监测的夏季智能劳保服设计[J].戏剧之家，2020年（7）209-209+211.