基于物联网的可穿戴式心率、血氧监测系统

何媛媛，余迪，何佳衡，阿罗星行，余小敏

（1.成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610225；2.成都信息工程大学 物理场生物效应及仪器四川省高校重点实验室，四川 成都 610225）

0 引 言

心率 、血氧饱和度，简称血氧（SpO2）是反映人体生命体征的重要指标，血氧是衡量人体血液携带氧能力的重要参数，监测动脉血可以对肺的氧合血红蛋白携带能力进行估计，在临床上具有重要意义[1-2]。心率不但能够反映心脏的工作状态是否正常，也可以用来衡量脑力劳动和体力劳动的强度，心率的检测对于心脏临床研究具有重大意义。心率、血氧可以在医院采用专业的监护设备检测，但是费用昂贵，设备需要专业操作，而且不方便个人进行实时监测。目前市场上有很多智能手环，可以实时采集心率、血氧等生理体征参数，检测到的数据通过蓝牙发送至手机端应用程序显示，方便用户对个人生理数据进行实时了解[3-4]，但是普通人由于缺乏专业医疗知识，对数据反映的身体异常无法进行早期的识别或干预。

随着移动互联网技术的发展，基于移动物联网的可穿戴式设备利用网络平台[5]，不仅可以对多终端用户的生理数据进行检测，还可以通过平台算法对个人的身体异常做出提前预警，可以广泛用于社区[6]、养老院等场所。本文设计了一种基于移动物联网的穿戴式系统，该系统通过一定算法可实时监测血氧、动态心率，并通过通信网络把数据发送到平台、手机应用程序或网页端。实现24 h动态心率和血氧的实时采集、处理、无线通信、显示与存储等功能。

1 测试原理

血红蛋白（Hb）是红细胞中一种能运输氧的蛋白质，在血液中主要由含氧血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（RHb）组成。血氧是毛细血管中含氧量的估计值，用含氧血红蛋白量占总血红蛋白量的百分比表示：

1.1 光电容积脉搏波描记法信号采集

光电容积脉搏波描记法（Photo Pletysmo Graphy, PPG）是以LED光源和探测器为基础，在活体组织中检测血液容积变化的一种成熟的无创检测方法。当光照射在人体皮肤时，入射光强度衰减与介质的厚度和浓度成正比，根据朗伯-比尔定律，衰减后出射光强度为：

式中：I0为入射光强度；I为出射光强度；ε(λ)为摩尔消光系数，与入射光的波长相关；C为入射介质浓度；d为光程。

人体皮肤、肌肉组织等对入射光的吸收和衰减是相对固定的，而心脏周期性收缩、舒张造成血管扩张和收缩形变，血管内部的血液容积呈现周期性变化，搏动的动脉血吸收和调节通过组织的入射光，导致入射光强度也呈现周期性变化，被光电探测器检测到后转换成PPG信号[7]。PPG信号中交流分量代表脉动动脉血液吸收光后产生的电信号，叠加在一个被其他血液和组织吸收光后产生的直流电信号上，原理如图1所示。

图1 PGG测量人体血氧原理

1.2 血氧、心率算法

当动脉血管脉动时，会引起光程变化，假设为Δd，相应光强度的变化为ΔI，代表电信号中的交流部分，I代表直流部分。则交流信号与直流信号的比值如式（3）：

由于动脉搏动引起的光程差Δd未知，常采用双波长血氧测量法求解，为了尽可能区分不同波段对含氧血红蛋白和去氧血红蛋白吸收的差异，采用660 nm的LED红光和940 nm的LED红外光谱[8]。两束不同波长光的交流成分和直流成分的比值为：

可以得到SpO2的公式：

对测试数据经过比对校准，可以拟合得到a、b、c的值。在PPG稳定信号中，相邻峰值之间的间隔频率即心率。

2 系统设计

2.1 总体设计

本系统的主要功能如图2所示，包括心率、血氧检测、位置定位、4G通信、平台数据管理和手机应用程序等功能。硬件设计分为几个主要功能，包括单片机控制系统、心率、血氧检测系统、4G无线通信、GPS定位以及电源管理模块的硬件设计。软件部分包括：云平台搭建、后端数据库、软件网页前端和微信小程序。硬件终端设计为手环，通过4G网络将检测到的心率、血氧及定位信息发送到云平台，数据库对数据进行计算分析、管理，将数据在前端显示。无异常情况时也可以获取佩戴者的实时心率、血氧、地理位置等信息。当数据指标不在正常健康范围内时，在手环和手机端发送提示或预警。

图2 总体设计

2.2 硬件设计方案

2.2.1 心率血氧电路与算法

光学传感器采集到的心率、血氧PPG信号一般为mV级的微弱信号，容易受环境噪声以及运动信号的干扰。本系统硬件终端手环内部采用MAXIM公司出品的集成芯片MAX30102，该芯片是高灵敏度血氧和心率生物传感器，内部集成了对环境光抑制的补偿电路。该芯片由1.8 V电压供电，通过I2C通信，电路连接如图3所示。单片机通过I2C接口读写芯片寄存器，以100 Hz的采样率读取PPG原始数据，对数据经过五阶平滑、归一化预处理后，再采用低通滤波滤除高于5 Hz的高频干扰。单片机同时读取三轴加速度传感器LIS2DH12的三轴加速度，经过算法处理修正人体正常活动造成的动态干扰[9-10]，获得高质量PPG信号，计算出准确的血氧和心率值。PPG信号处理流程如图4所示。

图3 心率血氧电路

图4 PPG信号处理流程

2.2.2 无线通信模块

本系统采用移远无线通信模块EC600S-CN将采集的心率、血氧数据发送到平台，该模块是一款LTE-FDD/LTETDD/GSM无线通信模块，支持LTE-FDD、LTE-TDD、EDGE和GPRS网络数据连接，支持移动、电信、联通等运营商。模块的基带和射频电源由3.8 V电压供电，串口通信接口为1.8 V电平，单片机与通信芯片的串口连接需要通过电平转换芯片将3.3 V电压转换成1.8 V。系统设计SIM卡接口电路，在进行数据传输时，需要在SIM卡接口处插上SIM卡，单片机通过UART串口下发AT指令，初始化、连接通信芯片，将采集数据发送到平台端。待机电流低于1 mA，最大工作电流为60 mA。无线通信模块如图5所示。

图5 无线通信模块

2.2.3 定位模块

定位模块能够实现终端的定位功能，由泰斗N303芯片、天线、电容、电阻等原件组成，电路设计如图6所示。N303芯片是泰斗微电子推出的一款内部集成天线检测电路、电源管理模块的高灵敏度、低功耗、低成本、体积小的定位模块，支持GPS、北斗等工作模式。当检测装置发出警报时，定位模块天线接收信号发送给射频芯片，射频芯片内部将经处理后转换成数字中频信号发送给基带芯片。基带芯片接收到的数字中频信号经过捕获、跟踪、定位解算等一系列算法处理后，通过串口输出数据并发送至终端。然后终端将位置信息通过网络通信模块发送到云平台，再由云平台发送到小程序进行定位，达到实时精准定位的目的。

图6 定位模块电路

2.2.4 电源模块

为满足穿戴式手环设计的要求，终端设备供电采用可充电聚合物锂电池，电池容量为800 mA·h，电池模块具有过充、过放和过温保护功能。充电管理芯片采用TP4054电源管理芯片进行电源管理给锂电池充电，TP4054是一个单片锂离子电池恒流/恒压线形电源管理芯片，其精度达到±1%的4.2 V预设充电电压，适用于USB供电。锂电池的正极连接线性稳压器TLV70033DSER，输出3.3 V电压供系统单片机工作。电源模块管理电路如图7所示。

图7 电源模块管理电路

2.3 软件平台设计

系统软件平台主要由后端服务器、数据库、后端接收以及前端接入组成。手环采集的数据通过4G模块上传至平台并存储到后端服务器，后端接收获取原始数据并同步上传至数据库，数据库负责管理佩戴者的所有数据，前端接入分为移动端与PC端，将佩戴者的接收数据显示在对应的客户端。数据库采用IntelliJ IDEA软件设计，实现数据增加、删除、修改和查询等管理功能。PC端和移动端分别基于Visual Studio Code软件和微信开发者工具设计。软件流程如图8所示。

图8 软件流程

2.3.1 后端接收

本系统采用的后端服务器为阿里云服务器，基于Linux操作系统，通过一台计算机登录云服务器的给定账号和密码来实现后台存储数据库与服务器的连接，从而实现后端平台的搭建。用户通过4G网络与云服务器连接，向服务器申请获取数据，服务器将存储的数据发送给用户并显示在客户端。

2.3.2 数据库

数据是本设计中最重要的元素，是判断衡量佩戴者是否健康的基础，数据的获取、传送、分析极其重要。如果检测到的心率血氧等健康指标不在正常健康范围内，需要及时提醒使用者。

本文设计的数据库是基于Java语言的MySQL数据库，包括对数据库按照数据内容进行独立查找、按照分页式查询以发送内容等功能，从而满足用户在前端查询特定测量指标、客户端的正常显示等功能要求。

2.3.3 数据管理系统

PC端采用渐进式JavaScript框架VUE 2.0构建用户界面。用户通过主机的浏览器输入IP，通过域名系统（Domain Name System, DNS）和传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）与服务器建立连接，使用超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol, HTTP）访问网页端页面。不同用户的账号唯一，且不同类型的账号对应不同的权限。游客登录账号后可以了解到自己的实时心率、血氧，同时可以和自己的主治医生进行实时通信。管理员类型账号登录后分配管理员权限，可以查看单独某个设备采集的实时心率、血氧、定位。PC端显示如图9所示。

图9 PC端显示

2.3.4 移动端

移动端平台选择微信小程序。使用者在绑定设备后，由平台后端实时监测佩戴者的心率、血氧并传输数据，在小程序上显示。使用者在小程序交互面操作，软件逻辑层调用相应应用程序编程接口（Application Programming Interface,API），后端返回对应的值在逻辑层进行处理，接着返回给交互面相应的参数并渲染，最终显示给使用者。移动端时序图如图10所示，移动端页面如图11所示。

图10 移动端时序图

图11 移动端页面

3 测试与分析

本实验以5名在校大学生（3名男生，2名女生）作为测试对象，分别在静止状态，以及在跑步机上以接近10 km/h的速度匀速慢跑状态下进行测试，分别佩戴本系统的手环和市场上某手环进行对比测试，如图12所示。每次测试隔10 s读取一次数据，连续读取6个数据，取平均值，测试结果见表1所列。

图12 手环对比图

表1 静止状态下心率检测数据

从表1～表3的测试数据可知，本系统在静止时测试的心率、血氧，以及运动状态下的心率检测是有效的，与市场上同类型手环的数据相比，误差在2%之内。

表2 运动状态下心率检测数据

表3 静止状态下血氧检测数据

4 结 语

本文设计了一种基于物联网的可穿戴心率、血氧监护系统，以单片机STM32F103C8T6作为控制核心，具有心率血氧数据采集与处理、位置信息定位、数据存储及传输、心率血氧失常报警、无线通信等功能，并具有可充电、可穿戴、体积小、功耗低等特性。经过一系列测试表明，基于物联网的可穿戴心率血氧检测智能手环符合医用电子设备要求，可用于家庭、医院、养老院等地，检测基本的健康指标[9-10]。