基于蓝牙4.0的可穿戴心率监测仪设计

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1、基于蓝牙4.0的可穿戴心率监测仪设计摘要：基于蓝牙4.0提出了一种新型可穿戴心率监测仪的设计方案。该系统由可穿戴部分和上位机两部分构成，可穿戴部分负责实时测量和采集心率信息，并将得到的实时数据通过蓝牙模块发送给上位机;上位机负责接收和分析收到的数据，并将分析数据显示出来，从而实现心率的无线实时监控。当检测数值超过或低于正常阈值时，便发出警告。该设备便于携带、测量准确、拓展性好，在可穿戴设备领域有着广泛的应用前景。关键词：蓝牙4.0;心率监测；可穿戴设备；实时监测中图分类号：TN92；TP277文献标识码：A文章编号：209

2、5-1302(2016)03-00-030引言根据世界卫生组织统计，心血管疾病已经成为全球第一大死因［1］。其中，心脏性猝死又是人类健康的“第一杀手”。为了有效防止心脏性猝死的发生，需要对心脏进行监护。而心率作为人体生理的一项重要指标，与心血管健康密切相关，且能够较客观的反映一个人的身体状况，一直以来受到了医学界和人们的广泛重视。随着科技的进步，心率监测对于人体的作用也得到了强化。目前心率监护主要有两种手段，第一是使用心电监护仪，主要应用于大型医院，其体积庞大，连接复杂，成本高昂，虽然具有比较准确的数据但不适合日常使用；第

3、二为家用心率计，适用于受测者自己观察，其结构小巧，但便携性差、报警功能不够完善，且市面上的产品良莠不齐，很难保证其测试结果的准确性［2,3］。基于此，本文采用微型脉搏传感器实时测量和采集心率信息，利用蓝牙模块将数据传输至上位机进行心率实时监测，并实现报警功能。设计并完成一种有效测量和监测心率、便携性好、成本低廉的可穿戴心率监测仪。1系统设计本文设计的可穿戴心率监测仪由可穿戴部分和上位机两部分组成，其总体结构如图1所示。其中可穿戴部分主要由三部分构成：（1）微型心率传感器部分;（2）MCU主控部分；（3）蓝牙模块。微型心率传

4、感器负责将采集到的模拟信号传输给MCU主控，由MCU主控转换为数字信号后再经过简单计算得到心率数值该心率数值与预先设置的阈值比较，若超出范围则显示心率过高/低的提醒信息。同时，心率的波动曲线通过蓝牙串口上传到上位机并显示波形，实现实时监测。2系统硬件设计2.1MCU主控模块本设计采用ST公司研制的基于ARMV7架构Cortex-M3内核的STM32F103C8T6作为MCU主控制器，其中主控与周边电路原理图如图2所示。STM32F103C8T6控制器的成本低，性能好，在同样的主频下能处理更多的任务［4］。同时，该控制器的功

5、耗极低，在72MHz时钟下，从Flash中执行代码，STM32的功耗仅为36mA，即0.5mA/MHz，是目前32位单片机中功耗最低的产品，大大提高了设备的续航能力[5]MCU主控模块主要完成数据的接收、处理、系统设置、信息显示以及报警控制等功能。2.2微型心率传感器心率传感器作为本设备最重要的模块之一，其体积大小直接决定了设备能否小型化，其精确度及稳定性也直接影响着设备所测量出的心率的准确度。较低的传感器精确度及较差的稳定性不仅会导致设备所测出的心率数值出现偏差，同时也会增大滤波、动态阈值比较算法的难度，极大地制约了设备

6、的扩展性。故微型心率传感器的设计至关重要。目前市面上较为常见的心率测量方法从原理上可分为心动电流测量法和光电透射测量法两种。心动电流测量法多见于大型医疗器械，通过测量人体不同点的电势变化，从而测量出心率变化。该方法的优点为测量精准，可在运动中持续准确监测，但其缺点体现在必须同时监测人体的两个部位，如胸部两侧，两侧手臂，故监测设备体积较大，穿戴不便，对使用者自由活动阻碍较大，故无法做到小型化的持续监测。光电透射测量法多见于各类穿戴式设备，其工作原理是氧基血红素能快速吸收绿光、黄光和红外光等光线。这种方法的优点是无需两个部位同

7、时监测的胸带或腕带，但是由于信号微弱且容易受到外界干扰而造成测量数据不准确，对传感器的滤波电路及设备的外形设计布局有较高的要求。此方法根据发射的光波类型的不同又可细分为红外光光电测量法和绿光光电测量法。采用红外光光电测量法的传感器通常包括红外发射光束回路和接收反射回路［6］。其工作原理为传感器发射特定光波，通过传感器监测血管内血液血红蛋白吸光度的变化并据此测量脉搏，但信号极为微弱且非常容易受到外界干扰，故对测量部位要求较高，一般需要在安静的状态下测量。绿光光电测量法由特定绿色波长的发光LED和一个波长与之相对应的光敏传感器

8、组成，其原理是基于手臂血管中的血液在脉动的时候会发生密度改变而引起透光率的变化。发光LED发出绿色波长的光波，光敏传感器可以接受手臂皮肤的反射光并感测光场强度的变化将其换算成心率。利用这种方法制成的传感器受外界影响较小，对穿戴要求较低，可在运动中持续准确测量心率根据设备稳定性及可靠度等方面的需求，本文采