藍牙智能服裝系統原理及設計

隨著傳感器技術、材料技術和無線通信技術的快速發(fā)展，采用將醫(yī)用監(jiān)測設備與服裝相結合的方法可以較好地滿足人們這一需求。

文中提出一種穿戴式多參數監(jiān)測智能服飾系統，它將傳感器、織物電纜和柔性電路板有機結合到服裝中，實現了在日常生活以及作業(yè)環(huán)境下對多生理參數的動態(tài)、協同監(jiān)測，具有生理信號檢測、信號特征提取功能，并利用藍牙技術完成數據的備份，以便于進一步分析，也可以利用具有藍牙功能的通信設備，實現遠程醫(yī)療服務等功能。

1 系統硬件組成

藍牙智能服裝系統原理，如圖1所示。該系統由電池模塊、傳感器、柔性電路板、電子織物、中央處理器和藍牙模塊組成。CPU采用ADI公司基于 ARM7TDMI內核的ADμC7024處理器，ADμC7024卓越的處理能力、集成眾多片上外圍器件和芯片低功耗的特點，完全勝任目前本系統的應用。本系統利用傳感器無創(chuàng)采集人體的各項生命體征參數，處理器對采集到的信號進行軟處理，可以計算出體溫、心率、血壓等信息。并通過藍牙模塊將信息備份到內置藍牙的手機、電腦等設備上。在身體狀況異常時本系統能夠發(fā)出警報信號。本系統還可以通過轉發(fā)來支持遠程醫(yī)療服務。

1.1 監(jiān)測傳感器

傳感器負責測量心率、體溫等生命體征參數的采集。考慮到本系統可穿戴式的特點，在傳感器的選型方面，盡量選用集成化，靈敏度和精度高的產品，這樣既能減少系統電路的面積，便于穿戴，又能提高系統的穩(wěn)定性和可靠性。

血壓采集模塊采用Freescal公司生產的MPXV5050GP壓電傳感器，將其置于衣袖中部肘關節(jié)內側，這樣可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉換為輸出電信號，具體電路如圖2所示。該傳感器采用離子注入工藝，內部集成了放大器，濾波器等信號處理單元電路，外部只需要很少的元件即可工作。在輸出端輸出經過放大和整形的電信號，這樣就直接將傳感器的輸出端接入ADμC7024內部集成的12位ADC進行模數轉換。再經過軟件處理得到血壓值。

PVDF壓電薄膜具有質量輕，質地柔軟，耐用性好，壓電響應動態(tài)范圍大的特點，采用多層接觸式壓電薄膜傳感器測量心率，可以減少干擾信號。心率采集模塊采用HK-2000H型集成數字脈搏傳感器，將其置于服飾的左胸口部，即可用于測量心率。HK-2000H集成了PVDF壓電薄膜、高靈敏溫度補償元件、感溫元件、程控放大電路、信號調理電路、濾波電路、A/D轉換電路。集成化避免了采用分立元件設計電路占用較大面積的缺點。原理圖如圖3所示。 HK-2000H型集成數字脈搏傳感器采用USB端口輸出，可以方便地對其輸出進行軟件上的處理。

體溫采集模塊采用Maxim公司的模擬溫度傳感器MAX6612檢測體表溫度。MAX6612采用5 pin的SC70封裝，最大工作電流僅為35μA，具有功耗低、精度高、體積小的特點，并對ADC做了電路上的優(yōu)化，適合本系統的應用。具體的體溫采集電路如圖4所示。

MAX6612輸出幅值與所測溫度的關系滿足表達式

測量到的輸出電信號經過ADμC7024處理器上的1 2位逐次逼近型ADC進行模數轉換，轉換結果將存儲在寄存器ADCDAT0中，通過ADC狀態(tài)寄存器ADCSTA的最低位可以查看ADC轉換是否完成，當 ADC轉換結束時，最低位被置位。通過讀取寄存器ADCDAT0中的值，再利用軟件，根據上述算法得到測量的體表溫度。

1.2 柔性電路板

考慮到服裝穿著的舒適度，同時又不能影響對生命體征數據的處理。主板的設計采用柔性電路板。該電路板采用聚酰亞胺或聚脂薄膜為基材，可以承受多次彎曲、折疊和卷繞，散熱性能好，將其與電子織物結合便可方便地將傳感器網絡分布于全身各處，既對服裝的舒適度影響較小，又利于各項生命體征數據的采集。

1.3 電子織物

為了在盡量不影響穿著舒適度的條件下便于獲取傳感器數據，本系統采用將金屬導線編織到傳統織物中制造電子織物的方法實現衣物中各模塊之間的電連接。這樣既可以保護金屬導線，減少穿著者的不適，又便于將傳感器采集到的數據傳導到處理器進行處理。

1.4 藍牙模塊

本系統采用藍牙模塊實現與內嵌藍牙功能的外部設備的數據交換。為減小系統體積、減輕系統質量和降低功耗，本藍牙模塊采用Class-2設計方案，USB輸出，傳輸距離為10 m，支持藍牙2.0版本協議能夠滿足系統的需求。藍牙芯片采用CSR公司的BC417413，芯片內部集成了8 MB閃存，主要存放的是基帶、鏈路管理層和主機控制接口的軟件，還包括一些API，用于對芯片進行配置。前端射頻帶通濾波器選用MDR771F-CSR- T，巴倫采用TDK公司的HHM-1517完成系統的差分射頻信號和天線輸入輸出信號之間的轉換。具體設計方案原理圖如圖5所示。

1.5 外擴功能

本系統支持系統功能外擴。針對糖尿病、高血壓患者的實際需求可以加裝測量血糖、血氧等模塊，進行對血糖、血氧等的無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測。使穿戴者隨時進行測量，方便易操作。

2 軟件設計

本系統軟件包括穿戴式監(jiān)測儀部分和外聯設備部分。

2.1 穿戴式監(jiān)測儀軟件

穿戴式監(jiān)測儀可以工作在兩種模式下：一是心率采集模式，二是全項采集模式，程序方框圖如圖6所示。當工作于心率采集模式時，穿戴式監(jiān)測儀實時監(jiān)測穿戴者心率，并在心率小于某一臨界點時，發(fā)出報警信號，提醒穿戴者注意，同時經藍牙將心率數據發(fā)送至外聯設備。這一模式可以降低功耗，延長電池的使用時間。在接受到外聯設備發(fā)送的命令后，穿戴式監(jiān)測儀工作于全項采集模式，這時采集穿戴式檢測儀所支持的所有生命體征參數數據，并通過藍牙模塊傳輸到外聯設備。

2.2 外聯設備軟件

外聯設備軟件流程圖如圖7所示。

外聯設備能夠遙控控制穿戴式監(jiān)測儀工作于全項采集模式，將穿戴式監(jiān)測儀采集到的各項生理指標實時在終端顯示屏幕上并保存，方便以后查看。需要的話，能夠通過無線網絡和Intemet網絡將采集到的數據發(fā)送給遠端的醫(yī)生，實現遠程監(jiān)測。當使用者的關鍵生理指標小于或大于某個臨界點時，外聯設備能將采集到的數據和GPS信息以短信的方式發(fā)送給預先設置的緊急聯系人并撥打此號碼，確保緊急聯系人能第一時間知道使用者的身體狀況，及時采取救助措施，保護穿著者的生命安全，適合于患有突發(fā)性心臟病者使用。

3 總結與展望

提出并設計了一種用于生命監(jiān)測的智能服裝系統，可以根據使用者的需求選擇合適的工作模式。同時該系統通過藍牙技術將人體、智能手機和電腦等外聯設備組網，可以將采集到的生命體征數據進行備份，也便于遠程醫(yī)療服務的開展。