健康智能腕帶(共24頁)

1、 設課 程 設 計 報 告設計(shj)題目 老人(lo rn)智能腕帶設計 課程名稱 學生(xu sheng)姓名 所在學院 指導老師 應用(yngyng)背景：可穿戴設備是指人體可穿戴的微型電子產品，通常與現(xiàn)有配飾（如手表）集成或者取而代之。在物聯(lián)網技術的支持(zhch)下，該細分市場正迅猛發(fā)展，因此對于更小型化、更直觀的設備的需求也在快速提升?？纱┐?chundi)健康設備剛剛嶄露頭角，未來機遇和影響或許不可限量?；诳纱┐髟O備在醫(yī)療行業(yè)上應用的巨大潛力，我們有所思考：老人摔倒不用扶，及時做出應答？把醫(yī)院“搬”回家，病人在家如同住院？本設計希望能夠通過智能腕帶實時監(jiān)測老人的生理狀態(tài)，將老

2、人健康狀況數(shù)據(jù)實時發(fā)送到云端，進行大數(shù)據(jù)計算分析，同時給醫(yī)護人員監(jiān)測觀察。一、預期功能實時檢測老人的體溫、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)預測老人的身體狀況或病情發(fā)展，達到未雨綢繆的效果；老人摔倒或睡眠出現(xiàn)異常等較輕癥狀時發(fā)送警報到子女手機上；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，救護人員通過GPS定位前去搶救。二、系統(tǒng)整體框架設計可穿戴裝置的關鍵技術有四：傳感技術、計算技術、電源技術和通信技術。智能腕帶即為一個嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)的層次結構如圖1所示，分為三個層次：硬件層、操作系統(tǒng)層和應用軟件層。HardwareOSMCUGPSWi-Fi + BTEmbedded OS(

3、Lightweight RTOS)Driver & Middleware & ProtocolFrameworkAppDriverLightweight APIsSoftware(APP)圖1硬件層的具體模塊功能見圖2，主要包括嵌入式處理器或控制器、存儲器、I/O接口、高效的電源管理系統(tǒng)等。這里采用微控制器(MCU)作為核心部件，根據(jù)采用的MCU可以在芯片中集成更多的外設功能。嵌入式微控制器由早期的單片機(Single Chip Computer)發(fā)展而來，在芯片內部集成了處理器、RAM、ROM、I/O、定時器/計數(shù)器、A/D、D/A等功能部件。所需的MCU應具備以下幾個特點：尺寸(ch cu

4、n)小，集成度高；具有(jyu)強的實時多任務支持(zhch)能力；具有很強的存儲區(qū)保護能力；具有較低功耗。MCU按性能從低到高分有Cortex-M0到Cortex-M4，且ARM后續(xù)還推出較Cortex-M0更低功耗更高性能的Cortex-M0+。這里選用Cortex-M0+(圖3)。Biometric, Temperature sensorsCPU & MemoryPower ManagementAnalog Front End (AFE)Output Driver (PWM)ConnectivitySerial CommunicationBatteryBattery ChargerVol

5、tage RegulatorPower SupplyDisplay ControllerLCD/OLED DisplayUSBLEDs,Buzzer,Vibrating MotorEmbedded ControllerWi-Fi / Bluetooth 4.0GPS3-axis gyroscope/accelerometer/magnetometerSerial FlashI2CSPIDisplay圖2圖3電源(dinyun)管理(gunl)模塊分為(fn wi)電池、充電裝置和電池校準器。由于可穿戴設備的電容容量一般比較小，電池容量為100 mAh左右。超低靜態(tài)電流和小封裝電源管理單芯片是個

6、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，比如藍牙、傳感器、MCU、GPS等。TI的MicroSiP HYPERLINK /SEARCH/ART/%B5%E7%D4%B4%C4%A3%BF%E9.HTM 電源模塊TPS82740，它支持200mA輸出電流、具有95%的轉換效率、工作狀態(tài)時的靜態(tài)電流僅為360nA，待機電流為70nA。它非常適合可穿戴的應用。重要的子系統(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傳感器的復雜系統(tǒng)。MEMS傳感器在用于監(jiān)控人體各方位運動

7、的健身和健康設備中發(fā)揮著關鍵作用。這些傳感器又稱為運動傳感器。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總線實現(xiàn)與GPS、Wi-Fi和低功耗藍牙的連接，Wi-Fi用于接入互聯(lián)網，實時傳送數(shù)據(jù)到云端，低功耗藍牙用來與子女手機相通信，老人出現(xiàn)輕微癥狀可及時通知身邊的子女，同時從手機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包含運算放大器、濾波器和ADC，其用于將模擬信號調節(jié)并轉換成數(shù)字信號，以便于CPU處理。

8、該功能有時可與CPU集成，亦可以與傳感器芯片集成。LED、蜂鳴器和振動電機等UI元件可以幫助實現(xiàn)設備向用戶提供的提醒與反饋。舉例來說，當老人在做噩夢或在最佳睡眠喚醒時間時振動電機啟動以振醒老人。脈寬調制（PWM）對驅動這些元件的關鍵。PWM可用于實現(xiàn)調光等各種LED效果，而且還能提供實現(xiàn)觸覺反饋的各種振動效果。如果在固件中實現(xiàn)，這些技術需要精確的定時和頻繁的CPU處理。因此，關鍵是選擇支持硬件PWM的處理器/控制器。嵌入式軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件即運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)測需要保證實時和快速應答，這里嵌入式操作系統(tǒng)選用的是輕量級的RTOS(real-ti

9、me operating system), 實時操作系統(tǒng)RTOS的優(yōu)點是消耗系統(tǒng)資源少、耗電量小、通常無延遲，缺點是功能和軟件相對固定，功能擴展較復雜。由于醫(yī)療可穿戴設備的數(shù)據(jù)分析使用大數(shù)據(jù)的算法，十分復雜，我們將數(shù)據(jù)分析送給云端處理。故在智能腕帶內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?，無需高級的操作系統(tǒng)。 APIs ( HYPERLINK /TERM/A/API.html t _blank Application Program Interfaces)可以實現(xiàn)調用通信功能：Wi-Fi和低功耗藍牙(Bluetooth 4.0)。應用軟件層通過驅動和App實現(xiàn)具體功能的運行。三、

10、硬件設計（1）MCU使用(shyng)芯片(xn pin)：Cortex-M0+結構(jigu)框圖：特點：1、能效最高的 ARM 處理器由于具有一種優(yōu)化的架構，而該架構具有一個僅有兩級的流水線，Cortex-M0+ 處理器可達到僅 11.2uW/MHz 的功耗（90LP 工藝，最低配置），同時將性能提升至 2.15 CoreMark/MHz。2、簡單Cortex-M0+ 處理器保留了 Cortex-M0 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 Cortex-M0+ 能夠順理成章地在很廣大的

11、應用領域里成為8/16 位系統(tǒng)經濟實用的升級換代產品，同時它還保留了與更強大的 Cortex-M3 和 Cortex-M4 處理器的工具和二進制向上兼容性。3、多功能性每種應用都是不同的，都有其特定需要。為了使我們的合作伙伴能設計出應用最為廣泛的解決方案，Cortex-M0+ 處理器提供了十分豐富的功能。其中許多功能（如內存保護單元和可重定位的矢量表）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特有，即用于提高控制速度的單周期 I/O 接口和用于增強調試的 Micro Trace Buffer。（2）傳感器功能模塊1、心率(xn l)監(jiān)測

12、原理(yunl)：當一定波長的光束(gungsh)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，在此過程中由于受到指端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將減弱，其中皮膚肌肉組織等對光的吸收在整個血液循環(huán)中是保持恒定不變，的而皮膚內的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大， 檢測到的光強度最小; 而在心臟舒張時正好相反，檢測到的光強度最大，使光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉換成電信號便可獲得容積脈搏血流的變化。原理示意圖：傳感器使用：NJL5303R COBP PHOTO REFLECTOR with

13、 Green LED(集成了波長570nm綠光二極管、光感應傳感器 )優(yōu)點：1、相比傳統(tǒng)的采用紅光的二極管，綠光更適合測量脈搏用，反射率更高，測量感度更高；2、內部集成高科技納米涂層環(huán)境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，減少由其他(qt)光源干擾的誤判動作(dngzu)，準確度高。使用(shyng)接口：I2C/SPI-2、睡眠監(jiān)測原理：內置加速傳感器，通過傳感器和手腕的接觸，來監(jiān)測人的動作，智能腕帶主要通過體動頻率獲知睡眠的狀態(tài)，動作多說明睡眠淺，深度睡眠用戶體動相對較少。配以心電監(jiān)測功能，結合軟件算法，能夠比較精確的得出用戶睡眠過程的圖譜。睡眠深度一般是以身體活動減少和感覺靈敏度降低作為衡量

14、指標的，目前對于睡眠深度的精確測量還是比較困難的。睡眠監(jiān)測是通過傳感器監(jiān)測人的動作，以系統(tǒng)的計算方式進行累計計算，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(shyng)接口：I2C/SPI-3、體溫(twn)監(jiān)測原理(yunl)：通過溫度傳感器，時刻測量體表溫度，將數(shù)據(jù)傳送到MCU，并通過藍牙傳送到智能手機。根據(jù)一定的算法，

15、將采集到的溫度信息進行一定的校正，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：AT30TSE002B-MAH-T傳感器測量溫度范圍是:-20+125度，分段精度：在+75C+95 C時精度為 1C 在+40C+125 C時精度為 2C在-20C+125 C時精度為 3C此溫度傳感器在一秒內至少刷新溫度寄存器的值8次以上，即刷新時間最大是125ms刷新一次，正常情況是75ms刷新一次值。使用(shyng)接口：I2C/SPI-4、跌倒(di do)報警原理(yunl)：老人摔倒時，他那一瞬間的運動(yndng)肯定與正常睡覺的狀態(tài)不一樣。最明顯的就是手部的傳感器重力加速度很快，而且與

16、腳部在相近的水平線，全身都處于重力不平衡狀態(tài)。傳感器使用(shyng)：LIS3DH三軸加速傳感器（見2）使用接口：I2C/SPI-5、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兩個電極運動，而組織液中的葡萄糖分子會被帶電離子“裹夾”著一起運動，進入凝膠。無創(chuàng)式血糖儀通過測量葡萄糖分子與凝膠中一種酶(葡萄糖氧化酶)的反應程度，就可以計算出當前的血糖水平，

17、測量結果就可在屏幕上顯示出來。傳感器使用：葡萄糖傳感器使用接口：I2C/SPI（3）無線通信模塊1、藍牙4.0目的：由智能腕帶所采集到的生理信息，通過A/D轉換后，最終會由藍牙講數(shù)據(jù)傳送到使用者的智能手機端，并通過手機端強大的APP及相應算法進行處理，并進行圖形化的數(shù)據(jù)分析，給出相應的建議。使用(shyng)模塊：Nordic nRF8001采用(ciyng)Blu解決方案的nRF8001峰值(fn zh)電流不12.5mA、連接狀態(tài)下的平均電流很小，不到12A（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用系統(tǒng)，這些正是低耗能藍牙技術所針對的用途。-2、WI-FI目的(md)：

18、通過(tnggu)WI-FI將老人(lo rn)的生理數(shù)據(jù)傳送到云端，并通過大數(shù)據(jù)分析處理，判斷老人當前的身體狀況并給出相關建議。使用模塊：SimpleLink CC3000-3、GPS目的(md)：通過(tnggu)GPS可以(ky)定位老人的位置，一旦老人走丟，可以通過GPS精確定位，而且一旦老人在外發(fā)生意外，可以根據(jù)將GPS的位置信息發(fā)送給最近的醫(yī)院，以便及時的救援。使用模塊：SIRF III（4）電源模塊為了保證待機時間以及省去充電的麻煩，本設計的電源模塊采用的是不可充電式的紐扣電池，其中(qzhng)使用的是3V的南孚CR-2032型號(xngho)電池。型號(xngho)：CR-2

19、032充電：不可尺寸：直徑20毫米，厚度3.2毫米（紐扣電池從型號可以看出大小，型號里的數(shù)字，前兩位是直徑，后兩位是厚度*10，單位都是毫米）電壓：3V保存：5年（保存期限，是指電池的電量下降到90%以下的時間）特點介紹扣式鋰電池, 年平均(pngjn)容量降低不大于2%，儲存壽命長；采用半密封結構，使用安全；溫度適應范圍(fnwi)較大，在-20到+60攝氏度的條件下都可正常(zhngchng)工作；3V高電壓，輸出電流大，適合功率較大的設備?？凼戒囯姵兀话愕湫凸ぷ麟娏髟?.1毫安至0.2毫安之間，適用于輸出功率較大（相對于紐扣電池而言）的設備上，如手表、電子詞典、主板CMOS電源等。四、

20、軟件設計（1）系統(tǒng)運行流程圖系統(tǒng)在運行過程當中，各模塊并行，處理器運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計可以參考，傳感器模塊我們根據(jù)原理，設計了程序框圖，而其中跌倒警報以及各項監(jiān)測出現(xiàn)異常的警報都會以最高優(yōu)先級發(fā)出警報，如果藍牙4.0網絡可用，則立刻發(fā)送位置信息給附近的救護中心，如果與手機藍牙接通，則以短信形式通知子女，以上警報和各項通知功能可以手動關閉。開始通信接口控制電源管理按鍵控制是否出現(xiàn)異常是否需要更電池點亮屏幕顯示控制傳感器控制是否發(fā)出警報顯示報警信息警報信息通信功能警報控制模塊腕帶振動報警警報解除（2）心率(xn l

21、)監(jiān)測流程圖開始程序初始化處理相關事件是否有按鍵按下觸發(fā)警報，手環(huán)振動，如果通信接口可用則上傳警報信息數(shù)據(jù)采集，信號采樣，量化，數(shù)字信號處理，及心率計算存儲數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常情況藍牙4.0是否連接上傳數(shù)據(jù)，如果存在更新及時下載更新結束信號處理子程序接收采樣數(shù)據(jù)低通濾波運算，濾除高頻噪聲數(shù)字微分運算匹配濾波運算中值算法計算心率返回（3）睡眠(shumin)監(jiān)測流程圖開始初始化程序采樣心率，從內存中獲得心率監(jiān)測結果從運動傳感器中獲得翻身頻率，體動頻率對心率，翻身頻率，體動頻率進行計算，得出睡眠程度結果是否進入深度睡眠是否出現(xiàn)睡眠異常通信接口是否可用與手機進行通信，告知睡眠信息，如果連接有其他家用電器

22、如空調、掃地機器人、空氣凈化器、鬧鐘，可以根據(jù)事先的設置進行關閉或開啟觸發(fā)警報（4）體溫(twn)檢測流程圖開始初始化程序進行溫度采樣，量化，進行數(shù)字信號處理將數(shù)據(jù)存入內存是否出現(xiàn)異常通信接口是否可用發(fā)送警報將體溫信息上傳（5）跌倒(di do)警報流程圖開始程序初始化從水平陀螺儀獲取手、腳水平高度，并且計算水平高度差從加速度傳感器中獲得加速度數(shù)據(jù)加速度是否大于設定值水平高度差是否小于設定值判定老人摔倒，發(fā)出警報信息通信接口是否可用向周圍通訊設備發(fā)送警報信息和求助信息（6）血糖(xutng)檢測流程圖開始是否按鍵觸發(fā)血糖檢測程序初始化預熱采集血糖數(shù)據(jù)血糖數(shù)據(jù)分析結束（7）電池(dinch)管理流程圖五、需求與成本(chngbn)分析需求(xqi)