【信息化-精編】健康智能腕帶

1、健康智能腕帶University of Electronic Science and Technoloo of China課程設(shè)計報告設(shè)計題目老人智能腕帶設(shè)計課程名稱 學(xué)生姓名 所在學(xué)院 指導(dǎo)老師應(yīng)用背景:可穿戴設(shè)備是指人體可穿戴的微型電子產(chǎn)品,通常與現(xiàn)有配飾（如手表）集成或者取而代之。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下,該細(xì)分市場正迅猛發(fā)展,因此對于更小型化、更直 觀的設(shè)備的需求也在快速提升?？纱┐鹘】翟O(shè)備剛剛嶄露頭角,未來機(jī)遇和影響或許不 可限量。基于可穿戴設(shè)備在醫(yī)療行業(yè)上應(yīng)用的巨大潛力，我們有所思考：老人摔倒不用 扶，及時做出應(yīng)答？把醫(yī)院"搬"回家，病人在家如同住院？本設(shè)計希望能夠

2、通過智能 腕帶實(shí)時監(jiān)測老人的生理狀態(tài),將老人健康狀況數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到云端,進(jìn)行大數(shù)據(jù)計算 分析，同時給醫(yī)護(hù)人員監(jiān)測觀察。預(yù)期功能1. 實(shí)時檢測老人的體溫、心率、睡眠等生理狀態(tài)并發(fā)送到云端分析，同時基于大數(shù)據(jù)預(yù)測老人的身體狀況或病情發(fā)展,達(dá)到未雨綢繆的效果；2. 老人摔倒或睡眠出現(xiàn)異常等較輕癥狀時發(fā)送警報到子女手機(jī)上；3.老人出現(xiàn)突發(fā)重大疾病時將數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院,救護(hù)人員通過GPS定位前去搶救。二.系統(tǒng)整體框架設(shè)計可穿戴裝賣的關(guān)鍵技術(shù)有四：傳感技術(shù)、計算技術(shù)、電源技術(shù)和通信技術(shù)。智能腕帶即 為一個嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示,分為三個層次：硬件層、操作系統(tǒng) 埶應(yīng)用軟件層。riverLigh

3、tweight APIsAP硬件層的具體模塊功能Uin 2 ,入心T坦器匕乩峯 仔儲器、I/O接口、Framework總據(jù)采用的MCU可時器/計數(shù)器、A/D. DZJ - 0>尺寸小，集成度高；ar eDriver & Middleware & Protocol-rtEmbedded OS (Lightweight RTOS)I / /丿Wi-Fi + 盯以在芯片中集成更早期的單片機(jī)(Sin gleChipCom puter)久 ROM. I/O、定rMCUGPS<JI圖1具有強(qiáng)的實(shí)時多任務(wù)支持能力；高效的電源管理系統(tǒng)等。._具有很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)能力；具有較低功耗。

4、MCU按性能從低到高分有Cortex-MO到Cortex-M4 ,且ARM后續(xù)還推出較Cortex-MO更低功耗更高性能的Cortex-M0+,這里選用Cortex-M0+(® 3)。電源管理模塊分為電池、充電裝盧和電池校準(zhǔn)器。由于可穿戴設(shè)備的電容容量一般t匕較 小，電池容量為lOOmAh左右。超低靜態(tài)電流和小封裝電源管理單芯片是個趨勢。該 電源管理芯片需集成線性充電、LDO和DC/DC等功能。LDO和DC/DC給其他模塊供 電,比如藍(lán)牙、傳感器、MCU、GPS等。TI的MicroSiP電源模塊TPS82740 ,它支持200mA輸出電流、具有95%的轉(zhuǎn)換效率、工作狀態(tài)時的靜態(tài)電流僅

5、為360nA ,待機(jī)電流為70nA。它非常適合可穿戴的應(yīng)用。更要的子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集或傳感器子系統(tǒng)。根據(jù)器件的類型，其可能是只有幾個MEMS 傳感器的簡單系統(tǒng)，也可能是采用專用傳感器集線器連接相關(guān)傳感器的復(fù)雜系統(tǒng)。MEMS傳感器在用于監(jiān)控人體各方位運(yùn)動的健身和健康設(shè)備中發(fā)揮看關(guān)鍵作用。這些傳感器又稱為運(yùn)動傳感器。所有這些傳感器都是通過I2C或SPI通信接口提供數(shù)字式運(yùn)動 信息。圖中此類傳感器包括3軸加速計、陀螺儀、磁力計。串口通信模塊還可以通過I2C總線實(shí)現(xiàn)與GPS、Wi-Fi和低功耗藍(lán)牙的連接 Wi-Fi用于接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時傳送數(shù)據(jù)到云端,低功耗藍(lán)牙用來與子女手機(jī)相通信，老人出現(xiàn)輕 微癥狀可及時

6、通知身邊的子女,同時從手機(jī)端也能看到老人的身體狀況統(tǒng)計信息。模擬傳感器包括心率、體溫、血糖、睡眠監(jiān)測等傳感器。模擬傳感器需要稱為模擬前端(AFE )的特殊組件。AFE包含運(yùn)算放大器、濾波器和ADC,其用于將模擬信號調(diào)節(jié)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便于CPU處理。該功能有時可與CPU集成亦可以與傳感器芯片LED.蜂鳴器和振動電機(jī)等UI元件可以幫助實(shí)現(xiàn)設(shè)備向用戶提供的提醒與反饋。舉例來說，當(dāng)老人在做S夢或在最佳睡眠喚醒時間時振動電機(jī)啟動以振醒老人。脈寬調(diào)制(PWM )對驅(qū)動這些元件的關(guān)犍。PWM可用于實(shí)現(xiàn)調(diào)光等各種LED效果,而且還能提供實(shí)現(xiàn)觸覺反饋的各種振動效果。如果在固件中實(shí)現(xiàn),這些技術(shù)需要精確的定時

7、和頻 繁的CPU處理。因此關(guān)犍是選擇支持硬件PWM的處理器/控制器。嵌入式軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件即運(yùn)行于嵌入式硬件平臺之上的嵌入式 操作系統(tǒng)。鑒于醫(yī)療監(jiān)測需要保證實(shí)時和快速應(yīng)答,這里嵌入式操作系統(tǒng)選用的是輕量 級的RTOS(realtimeoperatingsystem),實(shí)時操作系統(tǒng)RTOS的優(yōu)點(diǎn)是消耗系統(tǒng)資源 少、耗電量小、通常無延遲,缺點(diǎn)是功能和軟件相對固定，功能擴(kuò)展較復(fù)雜。由于醫(yī)療 可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)分析使用大數(shù)據(jù)的算法十分復(fù)雜.我們將數(shù)據(jù)分析送給云端處理。故在智能腕帶內(nèi)部只需要完成基本的數(shù)據(jù)采集、簡單處理和傳輸?shù)裙δ芗纯蔁o需髙級 的操作系統(tǒng)。APIs(Applicatio

8、nProgramlnterfaces)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)用通信功能：Wi-Fi和低功耗藍(lán)牙 (Bluetooth4,0).應(yīng)用軟件層通過驅(qū)動和App實(shí)現(xiàn)具體功能的運(yùn)行。三-硬件設(shè)計(1) MCU使用芯片：Cortex-M0+ 結(jié)構(gòu)框圖: 特點(diǎn)：1、能效最高的ARM處理器由于具有一種優(yōu)化的架構(gòu)，而該架構(gòu)具有一個僅有兩級的流水線,Cortex-M0+5t 理器可達(dá)到僅1L2UW/MH2的功耗(90LP工藝，最低配S ),同時將性能提升至ZlSCoreMark/MHz, 2、簡單CortexM0+處理器保留了 Cortex-MO處理器的56個指令，從而使開發(fā)變得簡單而快速。Thumb®指令集提供了

9、無法匹敵的代碼密度，同時提供了 32位計算性能。這些功能的組合使得CortexM0+能夠順理成章地在很廣大的應(yīng)用領(lǐng)域里成為8/16位系 統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的升級換代產(chǎn)品,同時它還保留了與更強(qiáng)大的Cortex-M3和Cortex-M4 處理器的工具和二進(jìn)制向上兼容性。3. 多功能性每種應(yīng)用都是不同的，都有其特定需要。為了使我們的合作伙伴能設(shè)計出應(yīng)用最為 廣泛的解決方案，CortexMO+處理器提供了十分豐富的功能。其中許多功能(如內(nèi)存 保護(hù)單元和可重定位的矢量裘)對于Cortex-M3和Cortex-M4處理器來說是共同的;其他功能則為該此款新的處理器所4寺有，即用于提髙控制速度的單周期1/0接口和用于

10、 增強(qiáng)調(diào)試的 MicroTraceBuffer(2 )傳感器功能模塊心率監(jiān)測 原理：當(dāng)一定波長的光束照射到皮膚表面時光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收 器，在此過程中由于受至I脂端皮膚肌肉和血液的吸收袞減作用檢測器檢測到的光強(qiáng)度 將減弱，其中皮膚肌肉組織等對光的吸收在整個血液循壞中是保持恒定不變的而皮膚 內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化當(dāng)心臟收縮時外周血容量最多,光吸收量也 最大檢測到的光強(qiáng)度最小;而在心臟舒張時正好相反,檢測到的光強(qiáng)度最大，使光接收 器接收到的光強(qiáng)度隨之呈脈動性變化，將此光強(qiáng)度變化信號轉(zhuǎn)換成電信號便可獲得容積 脈搏血流的變化。原理示意圖：睡目民監(jiān)測是通過傳感器監(jiān)測人的

11、動作,以系統(tǒng)的計算方式進(jìn)行累計計算，每2分鐘 記錄一次合計值,與此同時的姿勢數(shù)據(jù)得到記錄。通過計算來判斷睡眠狀態(tài)。 深度睡眠只占據(jù)睡眠時間的25%，也被稱作”黃金睡眠只有進(jìn)入深度睡眠狀態(tài) 的中睡期、深睡期以及快速眼動睡眠期,才對接觸疲勞有較大作用。(除了這幾個時期 還有淺睡、輕睡時期,大約占睡眠時間的55% )傳感器使用:LIS3DH三軸加速傳感器使用接口 ： I2C/SPI3、體溫監(jiān)測原理:通過溫度傳感器時刻測量體表溫康,將數(shù)據(jù)傳送到MCU ,并通過藍(lán)牙傳送到智能手 機(jī)。根據(jù)一走的算法,將采集到的溫度倍想進(jìn)行一走的校正,一旦校正后的溫度出現(xiàn)異常, 則發(fā)起報警。傳感器使用: 型號：AT30TS

12、E002B-MAH-T 傳感器測量溫度范圍是:20 + 125度，分段精康：在+75OC+95°C時精度為1°C 在+40°C + 125°C時精庚為2°C在20°C + 125°C時精度為3°C此溫康傳感器在一秒內(nèi)至少刷新溫康寄存器的值8次以上,即刷新時間最大是125ms刷新-次，正常情況是75ms刷新一次值。使用接口 ： I2C/SPI4、跌倒報警原理:老人摔倒時，他那一瞬間的運(yùn)動肯定與正常睡覺的狀態(tài)不一樣。最明顯的就是手部的彳專 感器靈力力眩度很快*而且與腳部在相近的水平線,全身都處于靈力不平衡狀態(tài)。傳感器使

13、用:US3DH三軸加速傳感器（見2 ）使用接口 ： I2C/SPI5、血糖監(jiān)測原理:無創(chuàng)式血糖儀的背面通過一層凝膠墊與人體皮膚接觸。（凝膠,是一種介于固體與液體 之間的物質(zhì)形態(tài)，不會像液體一樣流動卻能夠讓溶解在其中的不同大小的分子，在電場的 作用下穿過。）凝膠中有兩個電極,使用時電路接通，產(chǎn)生一股微電流通過人體的皮膚。皮 膚中的帶電離子在電流作用下分別向正負(fù)兩個電極運(yùn)動,而組織液中的葡萄糖分子會被帶電 離子裹夾看一起運(yùn)動逬入凝膠。無創(chuàng)式血糖儀通過測量葡就分子與凝膠中一種酶匍萄糖氧化酹）的反應(yīng)程度就可以 計算出當(dāng)前的血糖水平,測量結(jié)果就可在屏幕上顯示出來。傳感器使用:使用接口 ： I2C/SPI

14、(3)無線通信模塊1. 藍(lán)牙4.0由智能腕帶所采集到的生理倍想，通過A/D轉(zhuǎn)換后,最終會由藍(lán)牙講數(shù)據(jù)傳送到使用 者的智能手機(jī)端并通過手機(jī)端強(qiáng)大的APP及相應(yīng)算法逬行處理并進(jìn)行圖形化的數(shù)據(jù)分 析 < 給出相應(yīng)的建議。使用模塊:NordicnRFSOOl采用pBlu解決方秦的nRFSOOl峰值電流不12.5mA、連接狀態(tài)下的平均電流很小,不到12mA (連接時間間隔為1秒)非常適合空間受限制、由鈕扣電池供電的應(yīng)用系統(tǒng)，這些正 是低耗能藍(lán)牙技術(shù)所針對的用途。2、WI-FI通過WI-FI將老人的生理數(shù)據(jù)傳送到云端并通過大數(shù)據(jù)分析處理，判斷老人當(dāng)前的身 體狀況并給出相關(guān)建議。使用模塊:Simple

15、LinkCC30003、GPS通過GPS可以定位老人的位量-旦老人走丟，可以通過GPS精確走位,而且一旦老 人在外發(fā)生意外可以根據(jù)將GPS的位爲(wèi)倍息發(fā)送給最近的醫(yī)院，以便及時的救援。使用模塊:SIRFin（4）電源模塊為了保證待機(jī)時間以及省去充電的麻煩,本設(shè)計的電源模塊采用的是不可充 電式的紐扣電池,其中使用的是3V的南孚CR-2032型號電池。型號:CR-2032 充電：不可 尺寸：廈徑20 3米,厚度32基米（紐扣電池從型號可以樹出大小,型號里的數(shù)字,前兩位是亶徑，后兩 位是厚度mo,單位部是基米） 電壓：3V 保存：5年（保存期限，曲電池的電量下降到90%以下的時間） 特點(diǎn)介紹 扣式建電

16、池，年平均容降彳氐不大于2% ,儲存壽命長；采用半密封結(jié)構(gòu)，使用安全；溫度適應(yīng)范00較大, 在20到+60 a氏度的條件下都可正常工作；3V商電壓,輸出電流大,適合功率較大的設(shè)備 扣式鋰電池，一般典型工作電流在01星安至0,2垂安之間,這用于輸出功率較大（相対于紐扣電池而B ） 的設(shè)備上,如手表、電子詞典、主板CMOS電源等.四軟件設(shè)計（1 ）系統(tǒng)運(yùn)行流程圖 系統(tǒng)在運(yùn)行過程當(dāng)中，各模塊并行，處理器運(yùn)算速度完全可以滿足要求，電源管理模塊、 傳感器模塊、通信模塊、顯示模塊，其中電源管理模塊有較為成熟的設(shè)計可以參考傳感器模塊我們根據(jù)原理設(shè)計了程厚框圖而其中跌倒警報以及各項(xiàng)監(jiān)測出現(xiàn)異常的警 報都會以最

17、髙優(yōu)先級發(fā)岀警報，如果藍(lán)牙40網(wǎng)絡(luò)可用,則立刻發(fā)送位信息給附近的救護(hù)中心如果與手機(jī)藍(lán)牙接通則以短信形式通知子女，以±警報和各項(xiàng)通知功能可(2)心趣測流程圖開始存儲數(shù)據(jù)結(jié)朿低通濾率運(yùn)算, 濾除高點(diǎn)噪聲匹配濾波運(yùn)算(3)睡眠監(jiān)旨開始初始化程序?qū)π穆?，L身頻率，體 動頻率進(jìn)行計算，得出 睡眠程度結(jié)果觸發(fā)警報(4 )體溫檢測流程圖(5 )跌倒gU：魁進(jìn)開始從加速度傳感器中 獲得加速度數(shù)據(jù)但是往往老人是最需要檢測自身的健康狀況的。同時相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國不少城市人口老齡化超過10% ,預(yù)計到2050年左右將達(dá)到三分之一。生活水平的提高也使得的老年人的身體健康得到更多關(guān)注。調(diào)查顯示，72%的子女希望有一定的智能產(chǎn)品能夠幫助父母省去每日主動測*各種數(shù)據(jù)的煩惱,86%的子女希望能夠借助云服務(wù)平臺更好地監(jiān)測父母的身體狀況 < 而市場上的主流智能手環(huán)并不適用于老人群體。成本估算：功能涉及到的硬件成本（元）心