基于ZigBee的可穿戴脈搏心率采集設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　從 2013年開始，智能腕表、手環(huán)、眼鏡陸續(xù)進(jìn)入大眾視野，成為“潮人”們追捧的對(duì)象，這一年更被業(yè)界認(rèn)定為“可穿戴設(shè)備元年”。簡(jiǎn)單來說，可穿戴設(shè)備就是指可以直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件上的一種便攜式設(shè)備。然而隨著無線傳感器技術(shù)的發(fā)展．各式各樣的可穿戴的智能服裝也逐步出現(xiàn)在人們的生活中，智能服裝就是把小型的芯片、電子元器件、電源等設(shè)備嵌入到服裝中，可以實(shí)現(xiàn)特定的功能，以此方便人們的生活。本文所設(shè)計(jì)的ZigBee無線模塊心率采集監(jiān)測(cè)模塊采用市面上最先進(jìn)的光電反射式傳感器．它不同于以往的壓電式、壓膜式傳感器，具有很高的靈敏度。同時(shí)，本文專門對(duì)服裝的口袋進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。對(duì)脈搏傳感器進(jìn)行安放，可以更加方便地對(duì)人體的脈搏進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)。

　　1 光電反射式傳感器工作原理

　　Pulsesensor是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器。采用光電容積法的原理對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，將其佩戴于手指或耳垂等處，利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率的不同來測(cè)量脈搏。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏頻率。

　　1．1系統(tǒng)功能模塊劃分

　　本文整體系統(tǒng)的功能模塊劃分如圖1所示。包括ZigBee無線數(shù)據(jù)采集模塊、微處理模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)ZigBee無線模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊等。

　　圖l 系統(tǒng)功能模塊圖

　　1．2整形電路的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的整形電路采用四電壓比較器LM339和若干電阻電容構(gòu)成單限電壓比較電路。圖2所示為整形部分的電路原理圖，由于脈搏信號(hào)經(jīng)整形后為幅值為2—3 V的方波信號(hào)，因此將閾值電壓設(shè)定為2．5 V較為合適，整個(gè)電路由+5 V直流電壓源供電，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定后。尺2的最佳值為10 kn。通過整形電路可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏數(shù)目的統(tǒng)計(jì)，為后期上位機(jī)的監(jiān)測(cè)提供條件。

　　圖2 整形電路原理圖

　　2 心率信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)

　　為了得到正確的脈搏頻率，可用設(shè)置中斷的手段來實(shí)現(xiàn)功能。將I／O口P1．3設(shè)置為外部中斷口，輸入信號(hào)下降沿可觸發(fā)外部中斷使系統(tǒng)進(jìn)入外部中斷服務(wù)子程序，每進(jìn)入一次服務(wù)子程序脈搏計(jì)數(shù)器加1，與此同時(shí)定時(shí)器1定時(shí)用戶自定義的時(shí)間周期。一旦到達(dá)定時(shí)時(shí)間則讀取計(jì)數(shù)器里的值，讀完清空各寄存器以便下次計(jì)數(shù)。圖3為本系統(tǒng)脈搏采集模塊的ZigBee無線模塊流程圖，圖4為心率ZigBee無線數(shù)據(jù)采集過程流程圖。

　　圖3 脈搏采集模塊流程 圖4 心率采集流程圖

　　3心率采集監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

　　當(dāng)傳感器采集到脈搏數(shù)值后，會(huì)通過ZigBee無線模塊將采集到的數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程終端，實(shí)時(shí)地顯示被測(cè)者的心率情況，通過編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)折線圖的繪制，對(duì)心率變化的趨勢(shì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生異常時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警，以方便救援，把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。圖5為某測(cè)試者心率正常時(shí)（基本穩(wěn)定在84次／min）的監(jiān)測(cè)曲線，圖 6為另一測(cè)試者心率不正常時(shí)（如50次／min）觸發(fā)報(bào)警，綠燈變紅燈同時(shí)發(fā)出鳴笛聲。

　　圖5 測(cè)試者心率正常時(shí)監(jiān)測(cè)界面

　　圖6 心率有問題時(shí)的監(jiān)測(cè)界面

　　4心率采集裝置在智能服裝上的測(cè)試結(jié)果

　　本文將脈搏采集裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送的ZigBee無線模塊、電源模塊等進(jìn)行了封裝處理，同時(shí)，設(shè)計(jì)了特殊的口袋對(duì)ZigBee無線數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了固定和安置，在口袋的底部設(shè)計(jì)有特殊的小孔可以走線，使光電傳感器外露，如圖7所示。為了保證所測(cè)心率的精度，本文對(duì)傳感器進(jìn)行了黑色遮光處理，可以套在手指上．如圖8所示．方便測(cè)量。

　　圖7 智能服裝上的心率采集裝置 圖8 心率傳感器遮光采集

　　5結(jié)論

　　可穿戴技術(shù)既面臨機(jī)遇又面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，本文基于ZigBee無線模塊采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款可穿戴的脈搏心率采集監(jiān)測(cè)裝置，該裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏的實(shí)時(shí)ZigBee無線數(shù)據(jù)采集，也可以通過遠(yuǎn)程終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。大數(shù)據(jù)的時(shí)代背景以及信息化智能化的科技產(chǎn)品會(huì)在今后改變?nèi)藗兊纳罘绞?，而本文設(shè)計(jì)的可穿戴脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是服裝領(lǐng)域和電子通信領(lǐng)域相結(jié)合的又一新興產(chǎn)物，在智能服裝的發(fā)展方面有著非常重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

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