摘  要： 結(jié)合智能服裝與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用一種新型的光電反射式模擬傳感器，設(shè)計(jì)出一款可以隨身攜帶的心率采集監(jiān)測模塊。該模塊不僅可以實(shí)時(shí)地采集脈搏心率情況，同時(shí)可以將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測的數(shù)值超過或者低于正常的閾值時(shí)，會發(fā)出報(bào)警信號，方便救援人員及時(shí)救助。此心率采集模塊體積小、方便攜帶，將其嵌入到服裝設(shè)計(jì)中，同樣可以應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、野外探險(xiǎn)等多個(gè)領(lǐng)域，這種設(shè)計(jì)是服裝藝術(shù)和無線電子相結(jié)合的又一新興產(chǎn)物，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　關(guān)鍵詞： 智能服裝；心率；脈搏；ZigBee；實(shí)時(shí)監(jiān)測；pulsesensor

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”們追捧的對象，這一年更被業(yè)界認(rèn)定為“可穿戴設(shè)備元年”。簡單來說，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[1]。本文所設(shè)計(jì)的心率采集監(jiān)測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)，本文專門對服裝的口袋進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，對脈搏傳感器進(jìn)行安放，可以更加方便地對人體的脈搏進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測。

1 光電反射式傳感器工作原理

　　Pulsesensor是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。采用光電容積法的原理對信號進(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量脈搏。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏頻率[2]。

　　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，包括采集模塊、微處理模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊等。

　　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[3]。圖2所示為整形部分的電路原理圖，由于脈搏信號經(jīng)整形后為幅值為2~3 V的方波信號，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)測定后，R2的最佳值為10 kΩ。通過整形電路可以方便實(shí)現(xiàn)對脈搏數(shù)目的統(tǒng)計(jì)，為后期上位機(jī)的監(jiān)測提供條件。

2 心率信號處理模塊的設(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[4]。將I/O口P1.3設(shè)置為外部中斷口，輸入信號下降沿可觸發(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)脈搏采集模塊的協(xié)調(diào)器流程圖，圖4為心率采集過程流程圖。

3 心率采集監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

　　當(dāng)傳感器采集到脈搏數(shù)值后，會通過ZigBee協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程終端[5]，實(shí)時(shí)地顯示被測者的心率情況，通過編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)折線圖的繪制，對心率變化的趨勢進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，一旦發(fā)生異常時(shí)會觸發(fā)報(bào)警[6]，以方便救援，把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。圖5為某測試者心率正常時(shí)（基本穩(wěn)定在84次/min）的監(jiān)測曲線，圖6為另一測試者心率不正常時(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。

4 心率采集裝置在智能服裝上的測試結(jié)果

　　本文將脈搏采集裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、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。為了保證所測心率的精度，本文對傳感器進(jìn)行了黑色遮光處理，可以套在手指上，如圖8所示，方便測量。

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)[7]，本文基于ZigBee協(xié)議采用無線傳感器網(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)測裝置，該裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)對脈搏的實(shí)時(shí)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)品會在今后改變?nèi)藗兊纳罘绞絒8]，而本文設(shè)計(jì)的可穿戴脈搏監(jiān)測系統(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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