一种水下蛙人可穿戴式脉搏监测设备的设计与实现

李广胜，石建飞，安思宇，李照园

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

蛙人作为水下渗透、侦查、突袭等特种作战任务的重要力量，具有隐蔽性高、破坏力强等特点，在现代战争中发挥着不可替代的作用。然而，蛙人训练与作战环境的严酷性和高危险性，易导致潜水疾病的出现和潜水事故的发生，严重威胁着水下蛙人的生命安全[1]。因此，非常有必要引入生命体征监测手段或装置，实现蛙人水下生理体征信息的监测，以便及时地了解蛙人在训练过程中的生理状况，准确地定位问题并采取相应救护措施，有效提高蛙人水下训练的安全性以及环境适应能力。

脉搏作为人体生命体征的重要生理指标之一，可作为水下训练时蛙人生命体征状态评估的可靠参考依据[2]。目前，国内外很多科研机构和公司开展了水下人体生命体征监测系统的研究，并开发了多种水下生命体征监测方法与设备。其中，可穿戴式生命体征监测设备因其便携性好而被广泛应用于潜水训练体征监测和辅助医疗救护等领域。目前，成熟的水下可穿戴式体征监测设备主要有心率带和腕式心率表两种。其中，心率带主要通过佩戴方式来获取准确的心跳数据。例如，Garmin 公司推出的HRM-Swim 和HRM-Tri 心率带，Polar 公司开发的H 系列水下专用心率带，能够方便快速地获得心率数。然而，心率带对于佩戴位置以及松紧度有着较高的要求，且佩戴的舒适感较差，一旦出现滑动或者松动，都会影响心率的检测。对于腕式心率表，具有代表性的产品主要有潜水手表和潜水电脑，其主要利用心率传感器通过监控腕部脉搏信号获取心率数。例如，采用光学心率传感器的Garmin Swim 和Suunto Ambit3 腕表能准确地实时监测心率数据，为水下潜水员训练提供更多有效和准确的数据支持。与欧美等西方发达国家相比，国内在水下生物医学工程领域的研究起步较晚，尤其是在可穿戴式水下蛙人脉搏监测系统方面的研究鲜见报道，暂没有更为成熟的产品在水下应用[3]。

随着国内外对水下蛙人特种训练和作战的需求日益增加，相关使用者对于水下蛙人生命体征监测设备的性能要求越来越严格，提出了更多、更高的要求。除了要具有低成本、高性能的特征之外，还要求操作便捷、工作模式多样、数据存储灵活，能够提供更多的辅助信息以便减少其他辅助设备。因此，研究适用于水下蛙人训练的便携脉搏监测设备具有重要意义。

为此，本文从水下蛙人训练与作战的实际应用需求出发，设计并实现了一种集成水下蛙人脉搏信号采集、处理、存储于一体的可穿戴式脉搏监测系统，可有效满足水下蛙人训练状态下的脉搏信息实时监测、数据存储以及灵活的工作模式等需求，从而保障蛙人水下训练任务安全、高效地进行。

1 系统总体设计

1.1 系统架构

本文设计的水下蛙人脉搏监测设备主要包括脉搏信号采集模块和值班控制模块两部分。其中，脉搏信号采集模块主要实现脉搏信号的采集、数据转换等功能；值班控制模块作为脉搏监测设备的核心，主要完成脉搏信号处理与分析、系统工作模式与逻辑控制、通信指令与数据交互以及系统运行状态监测等功能。水下蛙人脉搏监测设备的系统架构如图1 所示。

图1 水下蛙人脉搏监测设备系统架构

脉搏信号采集模块主要包括传感器和信号采集单元两部分。值班控制模块主要包括值班单元、数据存储单元、通信单元、电源管理模块以及电池五部分。其中，值班单元主要根据设定的模式运行ARM（Advanced RISC Machine，ARM）嵌入式值班控制软件与脉搏检测软件；数据存储单元主要根据控制指令并按照预定的格式要求完成脉搏数据存储、导出、删除等操作；通信模块主要负责与其他外设之间的指令与数据交互；电源管理模块具有多路电源输出能力，为值班单元、通信单元、数据存储单元以及脉搏信号采集模块提供工作电源。

1.2 工作原理

1.2.1 系统工作原理

进行脉搏信号采集时，将脉搏监测设备嵌入蛙人潜水服腕部的内衬中或者通过表带固定在蛙人腕部，同时通过通信线缆与外设进行通信指令与数据的交互。

设备上电后，通过RS-232 串口可与外设进行通信指令与数据交互，实现对设备的工作模式设置、数据导出/删除、存储容量查询等操作。其中，工作模式设置主要根据不同的应用需求，设置不同工作模式下的脉搏监测任务；数据导出/删除主要实现脉搏存储数据的查询、导出、删除等操作；存储容量查询主要完成设备中Flash 存储容量使用情况的查询操作。

设备设置完毕后，脉搏监测设备按照配置任务设定的工作模式进行脉搏信号采集与数据存储工作，并进行系统运行状态的实时监测。首先，值班控制模块读取系统配置任务并根据任务配置参数进行当前工作模式的设置与切换，对应执行脉搏信号采集与数据存储工作，并通过串口将相关数据回传至外设进行显示、保存及处理等操作。其次，实时监测外设的通信指令。若检测到通信指令，则值班控制模块进行通信指令分析并执行相关操作。最后，定时监测、分析系统运行状态如电量、存储容量等，完成状态信息的日志记录。

1.2.2 脉搏检测原理

人体脉搏信号主要是由于心脏周期性的收缩与舒张而形成的一系列沿着外周血管传播的脉搏波，具有频率低、强度弱且呈节律变化的特点[4]。

本文的脉搏检测采用光电容积脉搏波检测方法，主要通过检测腕部微细血管中血液容积变化的方式，采用光电式心率检测技术进行脉搏信号的测量。具体来说，由于心脏搏动导致血管内血液容积的周期性变化，使得血管对光束的吸收与反射的程度随之产生周期性变化。通过光电式血氧心率传感器检测取脉处的反射光线强度的波动变化，同时利用光电检测技术把对应于脉搏搏动情况的光学信号转换为对应的电信号，经过滤波、放大、模数转换以及分析后获取有效的脉搏参数。基于光电式血氧心率传感器的脉搏检测原理如图2 所示。

图2 基于光电式血氧心率传感器的脉搏检测原理示意图

当血氧心率传感器以一定的频率发出红光/红外光束照射到腕部皮肤时，由于腕部血液和皮肤肌肉的吸收衰减作用，部分光束将通过反射方式传送到血氧心率传感器。在此过程中，腕部微细血管中的血液容积在心脏收缩与舒张作用下，呈现周期性的规律变化。例如，当心脏收缩时，腕部微细血管中的血容量最多，血液中的血红素密度高，能够反射较多红光，血氧心率传感器检测到的光强度将会变强；当心脏舒张时，腕部微细血管血容量最少，血液中的血红素密度低，能够反射较少红光，血氧心率传感器检测到的光强度将会变弱。在心脏收缩和舒张周期中，利用血氧心率传感器根据反射光强度的变化信号转换成对应的脉搏电信号的变化，通过对脉搏电信号进行相关算法分析即可计算出脉搏参数。

1.3 工作模式

水下蛙人脉搏监测设备的工作模式主要有固定时间采集模式、低功耗采集模式以及待机模式。三种工作模式相对独立，且可以通过控制指令进行自由切换。系统默认为低功耗采集模式。

1.3.1 固定时间采集模式

在固定时间采集模式下，值班控制模块根据设定的任务时间（开始时间与结束时间），进行脉搏信号采集与数据存储操作。若设定的任务开始时间已到，则开启脉搏信号采集工作，进行数据存储操作；若设定的结束时间已到，则停止上述脉搏信号采集工作与数据存储工作。

1.3.2 低功耗采集模式

与固定时间采集模式相比，低功耗采集模式下的脉搏信号采集与数据存储操作需要满足特定的触发条件才会被执行，即当值班控制模块检测到有效脉搏信号且满足一定的阈值条件后，开启上述脉搏信号采集与数据存储操作。

1.3.3 待机模式

在待机模式下，值班控制模块仅开启通信单元，保持最低功耗的值班状态，并实时监测外设的通信指令。

2 硬件系统设计

综合外设接口以及低功耗等需求，本文提出一种基于ARM+血氧心率传感器架构的水下蛙人脉搏监测设备系统硬件设计方案。

脉搏监测设备系统的硬件主要由值班控制模块和脉搏信号采集模块两部分组成。其中，值班控制模块硬件主要由值班控制ARM、RS-232 通信单元及其外围电路构成。值班控制ARM 作为核心控制器，一方面负责系统工作模式管理、脉搏信号采集、数据处理、存储控制以及系统运行状态监测；另一方面负责与外设进行通信指令和数据的交互。外围电路主要包括高精度RTC 时钟模块、Flash 及电源管理模块等。脉搏检测模块主要由血氧心率传感器、I2C 接口电平转换单元以及电源转换单元三部分组成。血氧心率传感器主要完成脉搏信号采样、信号转换、预处理，并按通信协议打包数据及发送，I2C 接口电平转换单元主要负责血氧心率传感器与值班控制ARM 之间I2C 接口的电平转换，电源转换单元主要为脉搏信号采集模块提供工作电源。

此外，值班控制模块与脉搏信号采集模块之间通过I2C 接口进行数据传输。值班控制ARM 与通信单元之间通过USART 串口进行通信指令与数据传输，值班控制ARM 与Flash 之间通过SPI 总线进行数据传输，值班控制ARM 与电源管理模块通过A/D 接口进行电压信号检测。此外，值班控制ARM与电池组通过单通道A/D 接口进行数据采集。脉搏监测设备系统硬件组成如图3 所示。

图3 脉搏监测设备系统硬件组成框图

2.1 值班控制模块

值班控制ARM 采用ST 公司推出的STM32F051x系列芯片，其内部集成丰富的USART，I2C，SPI及A/D 等接口，方便扩展外围电路。

值班控制ARM 主要通过接口扩展组成最小脉搏监测系统，其接口主要包括1 路RS-232、1 路I2C、1 路SPI 以及1 路A/D 接口。通过RS-232 接口，模块可与外设进行通信指令与数据交互，实现系统运行参数设置、任务下载与删除、状态查询以及存储数据的导出与删除等操作；通过I2C 接口，模块可与MAX30102 传感器进行通信，获取脉搏采集数据；通过SPI 接口，模块可与Flash 进行数据传输，实现系统工作参数、任务列表、脉率参数的本地存储以及系统运行状态信息的日志记录等功能；通过A/D 接口，模块可进行电池电压的实时监测。值班控制模块硬件电路原理如图4 所示。

图4 值班控制模块硬件电路原理图

值班控制ARM 采用8 MHz 无源晶振构建系统工作时钟，采用32.768 kHz 无源晶振时钟电路提供RTC时间戳信息，采用大容量SPI接口FLASH芯片，为系统提供64 Mb 存储容量；采用MAX3232 芯片对外提供标准RS-232 通信接口。

2.2 脉搏信号采集模块

脉搏信号采集模块主要采用Maxim 公司开发的一体化集成血氧心率传感器MAX30102 作为脉搏信号采集与预处理芯片，其内部集成了一套完整的信号采集电路，极大地简化了硬件设计过程。

MAX30102 传感器内部集成了LED、光电检测器、带环境光干扰消除及数字滤波电路，采用1.8 V单电源以及用于内部LED 的5 V 电源供电，并对外提供标准I2C 兼容通信接口，可以将采集到的脉搏数据传输给外部设备。此外，该芯片还可通过软件配置实现低功耗值班状态。基于MAX30102 的脉搏信号采集模块电路原理如图5 所示。

图5 脉搏信号采集模块电路原理图

脉搏信号采集模块采用LDO 电源芯片RT9013为MAX30102 提供1.8 V 的工作电源，采用4 通道双向逻辑电平转换器ADG3304 进行I2C 接口电平转换，使其具有更好的接口兼容性。

此外，根据功能模块划分，脉搏监测设备系统硬件主要包括脉搏信号采集板和值班控制板两部分，且两板卡整体采用板卡层叠布局设计方式，降低了板卡空间尺寸。脉搏监测设备硬件板卡实物如图6 所示。

图6 脉搏监测设备硬件板卡实物

3 软件系统设计

脉搏监测设备软件系统采用模块化设计方法，每个功能模块均为一个独立的软件模块。软件模块主要有值班控制软件、脉搏检测软件以及状态监测软件。

3.1 值班控制软件

值班控制软件作为脉搏监测设备的系统控制中心，主要完成不同任务的工作模式控制和脉搏信号分析与存储等工作。

值班控制模块初始化完成后，值班控制ARM首先实时监测RS-232 接口状态，判断是否收到外部通信指令。若接收到通信指令，则对通信指令与数据进行解析，并进行相应的指令解析与处理操作。若未接收到通信指令，则值班控制ARM 根据当前任务配置参数实现当前工作模式选择与任务管理，通过I2C 接口获取MAX30102 的脉搏数据并进行脉搏数据分析、存储以及脉率参数回传。若在当前工作模式下，脉搏信号分析结果满足存储条件，则开启脉搏数据存储功能。值班控制ARM 运行状态监测软件对系统电量、存储容量等信息进行定时监测。为防止系统跑飞等问题，值班控制ARM 在每个循环周期内进行喂狗操作。值班控制软件工作流程如图7 所示。

图7 值班控制模块软件流程

3.2 脉搏检测软件

脉搏检测软件作为独立的算法模块，运行在值班控制ARM 中，主要实现脉搏数据预处理、脉率参数计算以及脉率参数反馈等功能。

获取脉搏数据后，脉搏检测软件首先对脉搏数据包进行解析，并提取出有效的原始脉搏数据。其次，采用自适应滤波算法对原始脉搏信号进行预处理，去除噪声，从而得到信噪比高的脉搏波信号[5]。接着，脉搏检测软件对脉搏波信号进行频域分析，基于脉搏连续性和基谐波的脉率计算规则，通过寻找脉搏波频谱上的谱峰来估算出脉率值[6]。最后，将计算后的脉率值反馈至值班控制模块端。脉搏检测软件流程如图8 所示。

图8 脉搏检测软件流程

3.3 状态监测软件

状态监测软件主要用于实时监测系统运行状态信息，主要包括电量监测和存储容量监测两部分。为实现上述监测功能，值班控制模块设有定时器固定节拍中断，该节拍作为状态监测软件的计时基准。

电量监测主要完成各个功能模块电量消耗统计与电池剩余电量评估。存储容量监测主要实现数据存储模块已用存储容量和剩余存储容量统计，为脉搏采集数据的存储控制提供参考依据。

4 结构设计

脉搏监测设备佩戴于蛙人腕部并随蛙人工作在水下环境，因此结构需进行水密设计。此外，由于脉搏监测设备与腕部皮肤表面间水的侵入会造成MAX30102传感器对于反射光、折射光的光污染，干扰甚至中断脉搏信号检测，所以脉搏监测设备与腕部接触处的表面结构透光性和接触水密性需要重点考虑。

综合考虑设备的便携性、可穿戴性以及水密性等要求，基于医用听诊器听头外形构造的启发，本文设计的水密结构整体采用扁平的圆柱形且底部微微下凸的设计造型，顶面设计有光滑的圆弧面，侧面留有水密线缆接口，整体采用耐腐蚀性能好的铝合金材料。该结构方案具有穿戴简单、便捷的特点，能够满足蛙人水下佩戴要求。

脉搏监测设备结构主要由听头本体、听头上端盖、水密透光板以及板卡固定支座4 部分组成。其中，听头本体内部是空心结构，且底部开有与水密透光板紧密配合的通孔，并与听头上端盖共同组成设备水密壳体；板卡固定支座置于本体内部下表面和脉搏检测设备硬件板卡之间，主要负责硬件板卡的固定；水密透光板为一圆形的透明亚克力薄片，拥有可靠的透光性能。此外，为了降低装配工艺和结构设计复杂度，结构装配整体采用灌封工艺。脉搏监测设备整体结构如图9 所示。

图9 脉搏监测设备结构示意图

此外，在佩戴时，需将脉搏检测设备完全融入潜水服内衬中，通过潜水服内衬的压力使脉搏检测设备与腕部皮肤保持最佳接触和相对稳定，确保两者之间LED 光探测空间的可靠水密隔离，从而保证脉搏信号的可靠采集。脉搏监测设备穿戴示意如图10 所示。

图10 脉搏监测设备穿戴示意图

5 实验验证

为了验证脉搏监测设备性能是否符合设计要求，依托某潜水数据采集记录平台，在实验室环境下开展系列性能验证实验。

实验内容主要包括多工作模式与任务管理、脉搏信号采集与存储以及状态监测三个部分。实验设备主要有汇集器1台、显示器1台、直流稳压源1台、脉搏监测设备1 套以及静置的620 mm×450 mm×380 mm 水箱。实验所用设备与测试环境如图11所示。

图11 脉搏监测设备及测试环境

5.1 多工作模式与任务管理

本次实验任务共设置三种不同的工作模式。固定时间采集模式下任务数量为10 个，低功耗采集模式下任务数量为10 个，待机模式下任务为2个，共22 个任务。通过读取设备的任务配置列表、脉搏数据存储记录、日志记录等信息，对实验任务的工作模式切换次数、任务开始时间、任务结束时间、任务执行次数等进行比对验证。

验证结果表明，22 个实验任务的工作模式与任务切换全部正常，任务开始与结束控制准确，脉搏监测设备能够实现不同工作模式下的任务执行和管理功能。

5.2 脉搏信号采集与存储

脉搏信号采集与存储实验过程如下。首先，正确配置工作模式与任务后，将脉搏监测设备通过绑带固定在腕部，并在箱体水面下连续运行。其次，脉搏监测设备通过SPI 接口将分析后的脉搏参数进行本地存储。同时，通过RS-232 串口将原始的脉搏采集数据和分析后的脉搏参数发送至汇集器进行外部数据存储。最后，汇集器将脉搏参数发送至上位机显控端，进行脉率值实时显示与更新。

通过对比任务配置列表、日志记录、数据存储记录等信息，对数据存储文件数量、数据存储文件时间长度、数据存储信息齐套性进行验证。验证结果表明，在所有执行的任务中，脉搏信号采集与数据存储功能正常，存储信息（数据、时间戳、文件编号等）齐全。此外，脉搏监测设备能够实时输出脉率值。

为了进一步验证数据存储的正确性，对汇集器中存储的原始脉搏数据进行导出，并通过上位机显控端进行脉搏数据的分析与显示。脉搏数据及其分析结果如图12 所示。

图12（a）与图12（b）分别为原始脉搏数据与滤波后的脉搏数据。通过对比可知，本文采用的自适应滤波处理能够很好地抑制噪声，同时保留原始脉搏信号的波峰特征。图12（c）为滤波后的脉搏波所对应的频谱，黑色实心方框为最大谱峰，黑色实心三角框为谐波分量的谱峰。由于频谱上最大谱峰所在的频率索引即为实际脉率所对应的频率索引，所以由脉搏数据的最大谱峰对应的频率为1.25 Hz，可推算出其对应的脉率值为75 次/分，与脉搏监测设备输出的脉率值一致。

图12 脉搏数据及其分析结果

通过上述脉搏监测设备采集与存储实验和存储数据的分析可知，脉搏监测设备能够实现脉搏数据采集与存储功能，且能够正确地分析、输出脉率值。

5.3 状态监测

根据上述配置的实验任务，通过查验任务列表与日志记录，对脉搏监测设备的任务运行情况、存储容量、电量等状态信息进行分析验证。验证结果表明，脉搏监测设备的状态监测功能运行正常，存储容量信息、电量信息、任务执行情况以及其它运行状态信息记录齐全，且记录内容符合实际运行情况。

综上所述，本文研制的脉搏监测设备可以完成不同工作模式下任务的正确执行、脉搏信号采集分析与存储等功能，同时能够实现存储容量和电量等状态信息定时监测，展示了脉搏监测设备的灵活性、可靠性及稳定性。

6 结语

本文设计并实现了一种基于ARM 与MAX30102传感器的水下可穿戴式脉搏监测设备，通过合理的工作模式、软硬件架构及水密结构等设计，使脉搏监测设备具有工作模式多样化、数据存储便捷、支持对外通信及使用灵活等特点，能够有效提取蛙人水下脉搏信息。实验结果表明，本文设计的脉搏监测设备运行效果良好，能够满足蛙人水下训练时的脉搏监测要求，具有较好的工程应用价值。在后续研究中，将进一步考虑蛙人水下运动引起的噪声干扰对脉搏信号的影响。