李云强
(南阳理工学院信息工程学院 河南 南阳 473004)
定期监测心率脉动是预防心血管疾病的有效手段之一，通过具备人体生理信号监测功能的可穿戴设备如智能手环、智能手表来完成这项功能，逐渐成为一种发展趋势。设计一款具有较高准确性的具有心率监测功能的智能手环是非常有意义的。以此为目的给出了一种手环心率的设计方案。蓝牙通信[1-3]具有短时延、低功耗，强大的抗干扰能力以及网络安全性等优势，在一系列可穿戴设备的无线传输技术中脱颖而出，成为技术首选。低功耗蓝牙DA14580芯片[4-7]，功耗低，集成度高，体积小便于携带，满足蓝牙4.0协议栈，数据之间的传输安全性高，传输距离可达到100 m，在可穿戴市场、健康医疗、ibeacon定位等市场得到广泛的应用，在蓝牙方案应用开发中获得较大的技术优势。
本设计以DA14580为主控制器蓝牙芯片，通过Pulse Sensor心率传感器准确检测佩戴者的心率，将测得的心率值实时显示出来，且当心率值超出正常范围内时蜂鸣器发出警报提醒声。也可以通过手机App端，连接本设备，发送不同的指令操作本系统、将测得的心率值同步显示在手机端界面上，更加方便实用。
1.1 系统结构设计
系统整体结构设计如图1所示，由可穿戴部分(主处理器端)和手机App端两部分组成。
可穿戴部分包含DA14580核心控制单元、心率检测单元、FLASH存储模块、时钟模块、电源电路、蜂鸣器单元以及OLED显示单元等组成。可穿戴部分可以独立测量心率值，也可以通过蓝牙与手机APP端配合工作。
图1 系统整体结构
主控制器DA14580对心率传感器采集的原始心率数据进行处理并传输给OLed界面。OLED显示工作模式和测得的心率值。当心率值超出最大/小阈值(设为100)时由蜂鸣器发出警报提醒。
手机APP端运行后，进行蓝牙搜索，并与DA14580主控制芯片建立通信连接，由APP发送不同的控制指令，控制可穿戴部分完成不同工作模式下心率的测量。
心率测量控制指令设计有“1、2、3、4” 4种工作模式，1为“自主测量”(传统模式)模式，即用30s时间测量心率值。2为“实时测量”模式，即实时检测快速计算心率值。3和4表示“开始”和“结束”指令，表示处理器开始或停止测量心率。
1.2 脉搏测量原理
心率为每分钟心脏的跳动(脉搏)值。脉搏测量原理如图2所示，脉搏传感器主要由发射器和接收器两部分组成[8]。发射器向人体发射绿色光束的绿色LED，接收器接收反射回的绿光信号。当光照射到手指的皮肤上时，毛细血管中的氧合血红蛋白发生变化会引起光的反射量改变，导致皮肤表面的颜色改变，并且由光的接收端检测到的反射光的强度随着心脏的搏动呈现脉动的周期性变化。最后，通过采集反射光的强度，得到脉搏波，据此计算确定人体的心跳(脉搏数)。具体来说，就是测量相邻两次脉搏的时间间隔(IBI，单位：s)，再用60 s除以这个间隔得出心率(BPM，beats per minute)，即BPM = 60 / IBI。通过 IBI 计算出实时心率，可以实时计算脉搏，效率高。
图2 心率测量工作原理
图3 手环系统软件工作流程图
1.3 系统工作流程
系统具体工作流程如图3所示，首先进行主控制器和外设的初始化及心率检测计算，最后通过DA14580进行蓝牙搜索连接手机，连接建立成功后发送不同的控制指令进行心率的测量并将心率值传送至手机显示界面。根据流程进行软件开发，通过Keil MDK进行程序编码。
2.1 DA14580微控制器模块
DA14580用于控制输出信号以及识别外围的输入信号，实现心率数据的计算和蓝牙无线通信的传输控制。
DA14580是Dialog公司的蓝牙芯片，该模块由DA14580芯片、晶振、天线、电源电路、复位电路等组成。该芯片共40个引脚，其基本电路和引脚分布如图4。系统基于ARM公司的Cortex M0架构且集成了RW公司的蓝牙协议栈IP核作为BLEcore和基带、射频部分。集成时钟管理CMU、电源管理PMU、memory控制存储和其他外围模块控制器，如GPIO、UART、I2C、SPI和timer等。内置16/32.768 MHz双晶振结构，即保证了芯片运行所需的时钟源又降低了功耗，具有极低功耗，适于便携智能设备开发使用。
图4 DA14580基本电路及引脚结构
2.2 Pulse Sensor心率测量模块
Pulse Sensor是一款用于心率、脉搏波形测量和HRV分析的光电反射式模拟传感器[8-13]。可佩戴于手指、耳垂等处，利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量。传感器对光电信号进行滤波、放大，最终输出模拟电压值。通过A/D转换计算出相应的心率数据，使用光电容积法对人体的心率原始数据进行采集，每10 ms进行一次AD转换，计算心率值。它体积较小，仅有3个引脚，分别为VCC电源正极、GND接地引脚、OUT输出引脚。其引脚连接，VCC接VCC；
GND接GND，OUT接P0_1即可。
2.3 OLED显示单元
OLED与传统LCD相比，具有高亮度、宽视角、自发光、低功耗、体积小、寿命长、动态范围广、可弯曲及在低温条件下能够正常工作等优点。系统选用128×64的点阵式OLED液晶模块SSD1306[14，15]，该芯片共有30个引脚，它支持4线制SPI读写方式 (刷新速度快)，实现工作模式和心率值的实时显示。SSD1306采用4线制SPI接口方式，引脚连接的主要信号线有：RES(硬复位)，CS(片选信号)，DC(命令数据标志)，D0(串行时钟线，即SCL/SCK)，D1(串行数据线，即SDA)，分别连接主控制器的P1_0、P1_2、P1_3、P0_2和P0_3引脚。
2.4 电源电路单元
智能手环由于内部空间狭小，必须合理利用每一分空间，电池续航能力更是影响佩戴者实际体验的一个重要因素。
DA14580有多种供电形式，可通过纽扣电池、外部电源或USB接口对系统供电。纽扣电池或其他外界电源供电时，电压为3.3 V或5 V。用USB供电，当使用5 V电压系统供电时，电池电压的平稳输出离不开稳压器的作用，目前市面上常见的稳压器有传统线性稳压器、LDO(Low Dropout Regulator)和 DC-DC。DC-DC 是通过开关方式实现的直流变直流的器件，它的优点是效率高，静态电流小。相比于 LDO，DC-DC 具有较高的转换率，本系统采用 德州仪器的TPS62260 稳压器，具有高效率、轻载优化的特点，在输入电流在1 mA 时，效率可以达到 90%。图5为电压输出模块设计原理图。
图5 电源电路结构原理
2.5 蜂鸣器单元
蜂鸣器分为有源和无源两种方式，有源蜂鸣器内部带振荡源，发声频率是固定的，只要通电触发就会响。
无源蜂鸣器内部不带振荡源，必须用方波信号去驱动它，发声频率就是驱动信号的频率[16]。
本系统的报警装置，采用无源蜂鸣器，由无源蜂鸣器和驱动三极管等组成。当在检测到心率值超过100时蜂鸣器发出警报以提醒佩戴者注意心率变化。
3.1 系统实物图
根据上述设计，将各芯片引脚连接到系统实物(如图6所示)。左上方为OLED显示器，左下方为DA14580主控处理器，右上方为USB接口电源供电模块，右下方为Pulse Sensor心率传感器，蜂鸣器和按键在主控制器芯片上。本系统利用USB电源供电。
图6 系统实物及脉搏自主测量显示
3.2 系统测试
手机端APP[16，17]，采用nRFUART_Android 4.3 蓝牙模块进行开发，集成了多个传感器功能。开发板供电后即发出广播信号，处于待连接状态，等待手机APP发送连接指令，完成配对连接。主机通讯过程包括：扫描、发出连接请求、建立连接、发现服务、交换数据。
打开手机app起始界面，打开蓝牙功能，选择DIALOG_PRFL，点击connect，界面显示Connected to: DIALOG-PRFL表明连接成功，此时点击文本框，输入数字1、2、3、4指令，分别代表不同的功能(1.自主测量 2.实时测量 3.开始 4.停止)。蓝牙连接成功后，指令输入界面如图7所示。
图7 手机端命令输入界面
手机app发送数字1，OLED显示“自主测量”，输入3，当可穿戴设备接收到字符3时，App显示please wait，等待测量30 s后显示得到的心率值，如图8所示；
同时手机app也接收到相同数据。输入数字2，切换为“实时测量”，再输入3，开始实时测量心率值，测出的心率值由OLED以及手机app同步显示，手机端输入及接收心率值如图9所示。终止测量输入4，且终止后可重新选择模式再次开始测量。
图8 输入1,3：自主测量
图9 输入2,3：实时测量
本设计使用新一代蓝牙通信芯片DA14580开发心率监测系统，并与手机端APP互相通信，能够实现数据远程收发，达到了便捷快速监测心率并报警提醒的目的，具有体积小、功耗低等显著特点，具备一定的推广应用价值。软件中加入数据处理算法，提高了测量精度，保证了测量结果的准确性。该系统在智慧医疗、智能养老等医药健康领域有很大的应用和发展空间，对改善民生有着积极意义。
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