一款健康穿戴设备的设计与研究

董文斌 闫思卿 朱明玉 田明铭 杨振洁 河北农业大学

一款健康穿戴设备的设计与研究

董文斌 闫思卿 朱明玉 田明铭 杨振洁 河北农业大学

现如今预防和及时应对老年人突发疾病，为老年人健康保驾护航成为亟待解决的问题。本文介绍了一种基于STM32、ThinkGear脑电波采集模块、Pulse Sensor心率传感器，MPU6050模块，蓝牙模块为核心的智能可穿戴硬件的设计与研究方案。本方案中各传感器分工协作，采集佩戴者的各方面健康信息，并通过核心MCU进行数据处理、分析、整合，最终通过无线传输的方式将信息反馈到佩戴者的手机APP中，用户可实时、直观、清晰的了解自身的健康状况。

互联网+健康 智能可穿戴 脑电波 心率 无线传输

1 引言

近几年来，中国老龄化程度不断加重。预计在2020年，老年人数量将达到2.48亿，老龄化水平达到17.17%，其中80岁及以上老年人将达到3067万，空巢老人数量激增，如何有效预防和应对老年人突发状况成为一大难题。对于身体较差老年人需有专人时时监护其健康状况，耗费大量人力、时间和资金。对此，我们利用Gokit2,Thinkgear,Pulse Sensor心率传感器等开发设计了一套可以实时检测反馈用户健康状况的智能可穿戴硬件有效改善这一现状。

2 总体设计方案

本设计以智能可穿戴设备为依托，通过便携式微型传感器采集人的脑电波、心率等指标，并将采集到的脑电波、心率等模拟信号转换成数字信号，以蓝牙无线模块进行传输，并配备专门app分析接收数据，通过数据对比、曲线拟合等大数据运维及分析技术，向佩戴者及其家属反馈被测人健康信息，并附加运动度，久坐提醒、情绪波动程度等方面的监控，完成疾病预防与健康检测功能，实现便捷准确实时的了解及应对老年人突发状况问题。

3 系统硬件设计

本设备包括三个部分：数据采集部分、数据处理部分、无线传输部分。

3.1 数据采集部分

3.1.1 ThinkGear模块

美国Neurosky公司全力研发的脑电图传感器不同于普通医院中需要涂抹导电胶的湿性传感器而且具有强大的降噪功能，因此更适合用于可佩戴硬件的设计，此模块通过单EEG脑电通道+地线+参考电极的采集方式，可获得512Hz原始脑电信号，及佩戴者α、β、γ等脑电波形及专注度眨眼等状态。

3.1.2 Pulse Sensor心率传感器

Pulse Sensor是一种可以测量心率脉搏的光电反射式的模拟类型传感器。此模块根据人体组织在血管搏动所造成的透光率不同的原理——光电容积法来测量心率，此模块由光发射器、光接收器、低通滤波器、运算放大器等组成，客服了心电信号提取、血压测量等传统测量方式长时间测量造成使用者心理与生理上的不舒适感的弊端。

3.1.3 mpu6050角度传感器

6050是一个集成了3轴加速度计和三轴MEMS陀螺仪的9轴运动传感器，其运用3路ADC采集模拟量并将其输出为数字量，系统通过I2C协议从EEPROM写入或者读取数据，以实现使用者运动状态的监测和步数的计算。

3.2 数据处理部分

数据处理部分采用32位stm32微控制器，其具有运算速度迅速，资源丰富，便于开发，微控制器将各个传感器采集到的数据整合处理，并将其通过蓝牙发送给手机客户端。

3.3 无线传输部分

HC-05无线传输。模块本身采用BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.0标准+EDR协议，且拥有2.4Ghz PCB射频天线，通过AT指令配置其工作模式可以使其实现硬件本身与手机客户端通过UART的方式进行通信传输，传输距离达到20米以上可以保证极高的传输质量。

4 软件设计

（1）系统初始化，其中包括主控MCU及ThinkGear、Pulse Sensor、mpu6050、hc-05等各个传感器的初始参数的配置。

（2）蓝牙模块与app客户端进行链接，为数据传输提供前提。

（3）各个传感器进行数据采集并传递给主控芯片，主控芯片进行数据分析与处理，并将整合好的数据通过蓝牙传输给手机客户端。

（4）客户端获取数据，显示数据波形，以直观的数值形式将用户的专注度，疲劳度，心率，行走量等数据反馈给用户。

脑电信号采集过程如图1。

图1 脑电采集流程图

心率信号采集过程如图2。

5 客户端设计

手机客户端首先具有绑定硬件本身功能，其次是显示基本用户信息，如心率、专注度、疲劳状态、每日行走量等，其接收到从携带设备上传输的信息后，采用图形仿真、智能分析、曲线拟合等方式汇出数据图形与正常数据图形进行对比得出差异性从而判断使用者的身体状况和精神状态，从而进行健康性分析与疾病预测等。

图2 心率采集流程图

6 结语

本文设计了一种可穿戴智能硬件设备，用户及其家属通过该穿戴设备直观的体会到佩戴的精神状况与健康状态，并根据相关建议改善自身生活习惯等，其对疾病监测、疾病预防、健康生活具有极其深远的影响。

[1]王慧娟,王亚娟,朱小虎. 基于脑机交互接口的心理评测系统[J]. 北华航天工业学院学报,2014,(04):27-29

[2]戴君伟,王博亮. 光电脉搏传感器的研制和噪声分析[J]. 现代电子技术,2006,(02):78-80+90

[3]何影翠. 导电胶的研究与发展[J]. 化学与粘合,2008,(01):47-52

[4]戴君伟,王博亮. 光电脉搏传感器的研制和噪声分析[J]. 现代电子技术,2006,(02):78-80+90

[5]蒋窍,李杰,刘俊,杜英. 基于单片机的GPS/MEMS陀螺仪航向角实时测量系统[J]. 传感技术学报,2011,(06):919-922