智能手环心率测量系统的设计

孙超 王游司 陈洪燕 卢宇

【摘 要】 随着社会的不断进步，人们生活水平的不断提高，人们对健康越来越重视，对智能医疗检测设备提出了更高的要求。对此，论文提出了一种基于son1303的智能手环的监测系统，主要是监测心率。

【Abstract】With the continuous progress of society and the improvement of people's living standard， people are paying more and more attention to health， and put forward higher requirements for intelligent medical testing equipment. In view of this， a monitoring system of intelligent bracelet based on son1303 is proposed， which is mainly used to monitor heart rate.

【关键词】心率 ； 光电容积法； 滤波

【Keywords】heart rate； optical capacitance method； filtering

【中图分类号】TP3 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0149-02

1 发展背景

在社会老龄化日趋严重的时代，心脑血管疾病成了老年人的隐形杀手。所以，对于老年人来说，有一款实时测量心率的智能手环可以帮助老年人随时了解自己的健康状况，对疾病的及时预防和治疗意义重大。年轻的用户可以通过自己的心率来设定自己的运动强度，制定自己的健康锻炼计划。智能手环体积小，节能，方便，环保，价格相对较低[1]，已经受到越来越多人们的青睐。但大多智能手环对心率监测存在误差，且准确测量的条件比较苛刻，在静止测量时对心律的监测误差最小，动态测量心率误差太大。对此本文提出一种智能手环的检测系统，采用光电容积法准确地监测心率。

1.1 国外发展状况

在2014年苹果推出一款利用电容积脉搏波描计法，也是本系统所采用的方法的智能手环Apple Watch[2]。它利用绿色LED向手腕发射出可见光，再用光电感应器 感应反射光，根据脉搏会使动脉、静脉和毛细血管产生容积发生周期性变化，使反射光的强度大小发生变化来测量心率。但是在实际的使用中发现设备的测量并不精准，尤其是在运动的时候误差大的可以忽略不看 ，而且人的肤质以及毛发密度也会影响心率测量精度，只有在静止测量时测量的数据较为精确，误差通常在10%左右。

1.2 国内发展状况

在国外智能手环蓬勃发展时，国内的智能手环也不甘落后。国内的厂商们纷纷投身于智能手环的研发和制作。由于人们的需求不同，手环发展呈现差异化，以满足用户们的个性化需求。

ZDC（互联网消费调研中心）统计的数据显示，2015年1-6月中国智能手环市场参与竞争的厂商数量持续增长，从1月的37家增长到6月的44家，有7家新晋加入。而在售的智能手环产品也从1月的54款上升至69款，增加了15款之多，用户的关注度也随之水涨船高。

其中市场销售量在前额的生产厂家如：小米、华为、咕咚等公司设计的手环功能不但有计步、睡眠分析、运动追踪等功能还包括监测心率的功能。

但是相比之下有心率监测的手环种类数量还是相对较少。而且测量的精度比较差，从市场分析和用户的需求来看，心率监测将会普及在各类智能手环中。

2 技术简介

本文采用光电容积法和滤波。

2.1 光电容积法

这种方法是通过可见光在人体组织的反射，通常是利用两个绿色LED向手腕发射出可见光，再利用光电感应器 感应反射光，得到光信号。人体的皮肤、骨骼、肉、脂肪等对光的反射为固定数值，一般不发生改变。而人体中毛细血管、动脉和静脉随着脉搏跳动而发生容积的变化。当心脏收缩时外周血容量达到最大数值，此时血管容积开始扩张，其吸收光的能力增强，所以检测到光的强度最小。當心脏扩张时，外周血容量少，光吸收量少，检测到光的强度最大。因此对光的检测是变化的，这个变化的频率就是脉搏，再将光强度的变化通过模数转换器转换为电信号，再对信号进行处理、加工、完善，得到心率。

因为绿光对外界环境温度变化造成的信号漂移数值最小，故采用绿光，使之测得的数值误差更小，结果更加精确，更易于后期数据处理和分析。

2.2 检测系统的设计

外围电路的设计：

心率数据实时监测数据采集基于松恩电子有限公司研发的 son1303心率传感器完成。芯片采用了光电容积脉搏波描记法，使用发光波长为570nm的绿光，与红外光相比反射率更高 ，测量感度更高，绿光对外界温度变化照成的信号漂移最小。在经过电路滤波后，配合son3130四运放能直接输出方波信号。

2.2.1 软件设计

单片机与放大电路的IO口连接后，对单片机定时器清零，并设置中断，每接收一次脉冲单片机就计数一次，计够60s时中断计数。

2.2.2 数据采集

3 结语

监测系统作为智能手环框架的一部分，也是评价一款手环好坏的标准，在未来智能医疗中有着广泛的应用。对于病人的病情诊断和康复有着重大的意义。随着生活水平的不断提高，以后私人医疗将会越来越普及。虽然传统的医疗设备能够准确地检测出人体各种生理数据，但是传统的医疗检测设备笨重而且价格昂贵，不能满足人们对实时测量的需求。在未来的发展中此系统不仅可用于智能手环，也可用于其他需要监测心律的小型化设备中。

【参考文献】

【1】马旭平.智能手环系统的设计及实现[J].中小企业管理与科技，2009（2）：97-99.

【2】苏泳铭.适用于智能穿戴的心率模块的设计[J].中国科技博览，2012（11）：24-25.