基于光电容积脉搏波监测（ppg）技术的生理监护蓝牙智能手表设计

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1、基于光电容积脉搏波监测（PPG）技术的生理监护蓝牙智能手表设计　　摘要：本文将光电容积脉搏波监测（PPG）技术应用于蓝牙智能手表，使用户可以实时在手表上观测到自己脉搏，并在手机上开发相应应用程序，通过蓝牙与手表通信，从而共同对用户的生理状况进行监护。手表以Silicon公司的Sim3U164芯片作为主控芯片，并改进PPG探头，创新地实现非接触式信号监测，提高用户使用舒适度，同时提供一种低成本的蓝牙智能手表的解决方案。　　关键词：PPG蓝牙脉搏波监测智能手表　　中图分类号：R443文献标识码：A文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00　　1引言　　步入2013年，穿戴

2、式设备，智能手表市场方兴未艾，各种产品充斥着市场。但是，大多数产品都存在价格昂贵，实用性低的缺点。针对这种现象，我们提出一种基于蓝牙技术的低成本智能手表。　　由于社会的发展，生活水平的提高，人们对自身的健康越来越重视，为了迎合消费者的保健意识，提高消费者的健康水平，我们在智能手表上，利用PPG技术，实时监控用户的脉搏。人们可以在手表上实时观看自己的脉搏，当脉搏异常时候，手表会发出报警，提醒用户，对用户的健康提供有力保障。5　　同时，我们在PC上开发配套软件，用户可以通过手表将脉搏数据传递到PC上，软件通过数据分析，评估用户的健康情况。用户可以通过软件的数据分析，及时调整自己的保健计划。

3、　　2系统的主要硬件部分　　2.1系统框架图1　　2.2蓝牙模块　　蓝牙模块采用台湾创杰科技（ISSC）的IS1681SM，该模块是蓝牙3.0。在功耗方面，比蓝牙4.0差，但是在稳定性方面，比现在市场上大部分蓝牙4.0要好（蓝牙4.0与手机相连经常会出现断线情况，此外，暂时大部分手机没有蓝牙4.0）。另外，此芯片待机电流可低至2mA，满足便携式产品低功耗的要求。与蓝牙4.0相比，此芯片在价格上有绝对的优势。　　2.3PPG模块　　光电容积脉搏波描记法（Photo--PlethysmoGraphy，PPG），是利用光束照射到活体组织表面，光束进入体内后通过反射或者透射的方式返回到光电传感

4、器，通过信号处理得到了人体脉搏参数，具有无创性、便捷性、抗干扰能力强等特点。　　传统的光电脉搏波描记方法分为透射式和反射式，测量时都是需要紧贴皮肤表面的，这给使用者带来不便。特别在冬天衣服厚重的情况下，测量者需要除去衣服，露出皮肤，测量脉搏波就显得更加困难　　采用改进型PPG技术，利用红外反射光检测方式，通过差分放大器、滤波器、程控放大器后实现PPG信号采集，得到用户的实时脉搏信号。PPG模块流程如图2。5　　2.4主控MCU　　本次系统采用的主控芯片是Silicon公司的Sim3U164芯片，该芯片是32位的Cortex-M3内核。芯片自带时钟管理，最高时钟为80M，满足高速运行；在

5、休眠模式时可以将时钟调整到2.5M，满足便携式产品低功耗的要求。　　此外，该芯片自带ADC、PWM、DAC、两路串口、两路SPI、RTC、中断管理、低功耗模式，完全满足蓝牙手表的设计要求。　　利用该公司提供的AppBuilder软件，方便代码生成，提高了开发效率。Appbuilder是专为OpenbizCubi平台而设计的元数据集成开发环境。具有交互性图形界面。它包含了两个功能强大且简单易用的生成向导以及直观的元数据编辑器。加入ucosII系统，使系统更加完善。　　3系统工作流程图　　图3为系统工作流程图。　　手表只设置了两个按键，通过左键短按、右键短按、左键双击、右键双击、左键长按、

6、右键长按、左右按键同时按下在各个模式间进行切换。正常模式下，OLED显示时间，电池电量，蓝牙是否连接，音乐是否播放还有音量值。在无任何操作（按键操作或者蓝牙返回指令）时间达到15s时，进入休眠模式。休眠模式下，只有串口接收到蓝牙数据和按键才可以唤醒MCU，唤醒后返回正常模式。此外，手表还有关机模式，设置模式，秒表模式，更新模式等。　　4系统测试　　图4是我们在测试板上测试整体系统架构的照片。5　　为了便于观察PPG模块工作情况，测试时我们将程控放大器的输出端接入数字示波器辅助观察。对直接紧贴皮肤检测后的滤波结果进行分析。如右图，是测试对象在紧贴皮肤，没有间隔衣服的情况下，测试手腕位置的

7、脉搏波。可以看出脉搏波被清晰的描记出来。　　4.1功耗分析　　所有穿戴式产品都要面对一个关键问题――功耗，如何降低产品的功耗，是穿戴式产品能否取得成功的关键。　　为了节省功耗，做了以下设计：（1）设置了睡眠模式，在睡眠模式下关闭处理串口外的其他外设，将OLED设置为休眠模式；（2）电机震动采用震动2s停止2s的方式间隔震动；（3）在手机没有播放音乐或者不需要语音报号时，关闭喇叭，在播放音乐或者语音报号时，才开启喇叭。　　4.2关机模式下断开蓝牙