一款心率戒指的設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：楊風(fēng)?。?987—），男，碩士，吉林醫(yī)藥學(xué)院教師。

0   引言

隨著人們生活水平的提高，健康、便攜、智能的生活理念已深入人心，對(duì)于可穿戴、人性化的健康產(chǎn)品，受到了人們廣泛的關(guān)注^[1]。生活中，戒指是一種穿戴飾品，因其美觀、小巧、不影響生活受到人們的廣泛喜愛，傳統(tǒng)戒指功能相對(duì)單一，僅具有裝飾作用，已無法滿足人們對(duì)于穿戴類產(chǎn)品的智能化需求。目前，國(guó)內(nèi)外檢測(cè)心率的主要方法為：動(dòng)脈血壓法，光電測(cè)量法，動(dòng)脈血壓法，而比較適合在穿戴式設(shè)備上使用的方法為光電測(cè)量法^[2]，因此，本文基于光電測(cè)量法設(shè)計(jì)了一種具有心率檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)計(jì)步、藍(lán)牙通信、鋰電池供電、可充電功能的心率戒指。

1   設(shè)計(jì)思路

1.1 手指PPG信號(hào)檢測(cè)

食指指間動(dòng)脈循行如圖1所示，根據(jù)人體動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò)在手上的分布，可發(fā)現(xiàn)在每根手指兩側(cè)均有動(dòng)脈血管走行，而食指指間動(dòng)脈血流量相比其他手指更強(qiáng)一些，同一根手指的指根部位搏動(dòng)最強(qiáng)，因此，本文選擇的食指的手指根部?jī)?nèi)側(cè)作為PPG信號(hào)的采樣點(diǎn)。盡管如此，手指的PPG信號(hào)依然相對(duì)較弱，而且受限于電路體積。因此，PPG信號(hào)的采集與處理仍然是本設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

圖1 手指動(dòng)脈走行示意圖

1.2 電路總體設(shè)計(jì)

電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，主要包括的電路單元有：STM32F103主控制器電路、MPU6050加速度傳感器電路、OLED顯示電路、藍(lán)牙通信電路、報(bào)警電路、鋰電池供電電路、光電傳感器與信號(hào)調(diào)理電路。

圖2 系統(tǒng)硬件電路框圖

2   電路設(shè)計(jì)

2.1 PPG信號(hào)檢測(cè)單元

為了盡可能降低電路板占用戒指的體積與空間，同時(shí)為了降低成本，便于改進(jìn)，將PPG信號(hào)的檢測(cè)電路單獨(dú)設(shè)計(jì)成一塊電路板，該電路板與主控板相分離，并通過軟線連接，進(jìn)行信號(hào)的傳輸控制。

具體電路如圖3所示，其中光電傳感器選擇的至關(guān)重要，因?yàn)檎麄€(gè)戒指的體積較小，導(dǎo)致鋰電池的容量較低，電路設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)均需考慮功耗的問題，本設(shè)計(jì)中，光電傳感器的型號(hào)為SON7015，其工作電流只有0.2 mA，傳感器尺寸4 mm×2 mm×1 mm，內(nèi)部集成2個(gè)綠光LED及前置放大電路，外圍電路也非常簡(jiǎn)單，非常適用于手指動(dòng)脈的PPG信號(hào)檢測(cè)。該電路中，只有在接收到單片機(jī)控制信號(hào)時(shí)才驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，為了降低電流消耗，可采用具有一定占空比的方波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在經(jīng)過SON7015內(nèi)部的前置放大后，輸出信號(hào)經(jīng)過一級(jí)帶通濾波及放大處理，該濾波器電路的中間電平為1.5 V，以此來實(shí)現(xiàn)PPG信號(hào)圍繞1.5 V電平進(jìn)行波動(dòng)，便于后期將信號(hào)送入單片機(jī)A/D進(jìn)行采樣處理。

該部分電路在布線時(shí)，需要盡量節(jié)省空間，電阻電容皆可選擇0402封裝，運(yùn)算放大器選擇SSOP封裝。

2.2 主控制器單元

主控制器選擇STM32F103C8T6單片機(jī)，內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換硬件電路^[3]，可以減少電路體積，同時(shí)由于需要進(jìn)行一定信號(hào)濾波、FFT變換等信號(hào)的運(yùn)算處理，因此對(duì)單片機(jī)的運(yùn)算處理速度有一定要求，同時(shí)這款32位的單片機(jī)共有48管腳，相對(duì)來說，體積較小，因此綜合考量，采用該單片機(jī)作為硬件的核心控制器，同時(shí)，為減小電路復(fù)雜度，縮小體積，時(shí)鐘電路采用芯片內(nèi)置的時(shí)鐘電路，復(fù)位方式采用RC復(fù)位電路，輔以電阻、電容等單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)電路。具體電路參見官方手冊(cè)，本文不再贅述。

2.3 電池及供電單元

本設(shè)計(jì)中，采用300 mAh的鋰電池進(jìn)行供電，電池體積較小，可充電，適用于在可穿戴設(shè)備上使用，由于整個(gè)電路系統(tǒng)采用3.3 V電壓供電，鋰電池輸出電壓最高可達(dá)4.2 V，因此需要對(duì)鋰電池輸出電壓進(jìn)行降壓處理，選用TI公司的低壓差穩(wěn)壓芯片TPS76333，輸出電壓3.3 V，最大電流可達(dá)150 mA，由于系統(tǒng)功耗較低，所以滿足系統(tǒng)使用需求，具體電路如圖4所示。

2.4 加速度傳感&藍(lán)牙通信單元

加速度傳感器選用MPU6050芯片，輔以少量外圍器件即可工作^[4]，并且采用I2C總線與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，占用I/O口線少，有助于PCB布線。藍(lán)牙與通信模塊采用TI公司出產(chǎn)的CC2640芯片，體積小，整個(gè)模塊體積8 mm×8 mm，貼片封裝，串口通信，比較適合在穿戴式設(shè)備上使用。

3   軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：PPG信號(hào)顯示、藍(lán)牙數(shù)據(jù)雙向傳輸、心率數(shù)據(jù)提取及顯示。如圖5所示，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)采用模塊化的分層編程設(shè)計(jì)思想，主要分為底層驅(qū)動(dòng)程序和頂層應(yīng)用程序。底層驅(qū)動(dòng)程序主要包括：模擬I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)、OLED液晶模塊的驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換程序、UART驅(qū)動(dòng)程序。頂層應(yīng)用程序主要包括：FFT心率提取程序、PPG信號(hào)顯示程序、藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信程序等。

軟件部分的核心為心率信號(hào)的提取，由于采用光電法進(jìn)行PPG信號(hào)采樣，不可避免地會(huì)引入運(yùn)動(dòng)偽差，因此如何從PPG信號(hào)中提取心率信號(hào)是心率戒指的1個(gè)核心問題^[5]，本設(shè)計(jì)中采用心率信號(hào)提取的主流程如下。

存儲(chǔ)A/D采樣到的PPG數(shù)據(jù)和MPU6050加速度傳感器數(shù)據(jù)→PPG數(shù)據(jù)均值濾波處理→加速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)頻率→對(duì)PPG采樣信號(hào)進(jìn)行FFT變換→在PPG采樣信號(hào)譜里面找到第1譜峰和第2譜峰→正常情況下，2個(gè)譜峰中有一個(gè)為心率信號(hào)，另一個(gè)為運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)→根據(jù)已知運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)頻率，即可明確心率信號(hào)頻率→心率（單位：bpm）=心率信號(hào)頻率×60(s)。

圖5 主程序流程圖

4   結(jié)語(yǔ)

最終實(shí)現(xiàn)的心率戒指如圖6所示，OLED屏幕上可顯示實(shí)時(shí)的PPG波形，同時(shí)每隔6 s更新1次心率值，并可將采集到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙上傳到手機(jī)端.通過戒指的試制與測(cè)試，證實(shí)該方案可行，能夠采集到手指上的PPG信號(hào)并計(jì)算得到心率，戒指體積大小可以接受，無明顯不適，可充電。但是在劇烈運(yùn)動(dòng)的情況下，計(jì)算得到心率數(shù)值會(huì)產(chǎn)生失真，心率提取算法尚有待改進(jìn)；體積方面可進(jìn)一步縮小，例如可嘗試采用柔性電路板制作電路，以使戒指的內(nèi)部空間更加緊湊。

圖6 心率戒指實(shí)物圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊風(fēng)健,齊秋菊,郭紅壯,等.可穿戴生理參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2017,24(12):49-51+55.

[2] 辛毅.基于前項(xiàng)差分和動(dòng)態(tài)閾值的PPG心率測(cè)量算法[J].電子產(chǎn)品世界,2019,26(09):27-29+26.

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[ 4 ] 龍愷, 龔濤.基于CMOS攝像頭H M C 5 8 8 3 + M P U 6 0 5 0的模擬滅火訓(xùn)練系統(tǒng)[J].電子產(chǎn)品界,2015,22(11):62-64+67.

[5] 馬艷閣.可穿戴式心率監(jiān)測(cè)儀研究[D].天津:天津科技大學(xué),2017.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）