ZigBee無線模塊心率采集設計方案

引言

從 2013年開始，智能腕表、手環(huán)、眼鏡陸續(xù)進入大眾視野，成為“潮人”們追捧的對象，這一年更被業(yè)界認定為“可穿戴設備元年”。簡單來說，可穿戴設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備。然而隨著無線傳感器技術的發(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、電源等設備嵌入到服裝中，可以實現(xiàn)特定的功能，以此方便人們的生活。

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時造成透光率的不同來測量脈搏。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動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。

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

圖1：系統(tǒng)功能模塊圖

1.2整形電路的設計

本系統(tǒng)的整形電路采用四電壓比較器LM339和若干電阻電容構成單限電壓比較電路。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，因此將閾值電壓設定為2.5 V較為合適，整個電路由+5 V直流電壓源供電，經(jīng)實驗測定后。尺2的最佳值為10 kn。通過整形電路可以方便實現(xiàn)對脈搏數(shù)目的統(tǒng)計，為后期上位機的監(jiān)測提供條件。

圖2：整形電路原理圖

2 心率信號處理模塊的設計

為了得到正確的脈搏頻率，可用設置中斷的手段來實現(xiàn)功能。將I/O口P1.3設置為外部中斷口，輸入信號下降沿可觸發(fā)外部中斷使系統(tǒng)進入外部中斷服務子程序，每進入一次服務子程序脈搏計數(shù)器加1，與此同時定時器1定時用戶自定義的時間周期。一旦到達定時時間則讀取計數(shù)器里的值，讀完清空各寄存器以便下次計數(shù)。圖3為本系統(tǒng)脈搏采集模塊的ZigBee無線模塊流程圖，圖4為心率ZigBee無線數(shù)據(jù)采集過程流程圖。

圖3：脈搏采集模塊流程

圖4：心率采集流程圖

3 心率采集監(jiān)測界面設計

當傳感器采集到脈搏數(shù)值后，會通過ZigBee無線模塊將采集到的數(shù)據(jù)上傳給遠程終端，實時地顯示被測者的心率情況，通過編程實現(xiàn)實時折線圖的繪制，對心率變化的趨勢進行跟蹤監(jiān)測，一旦發(fā)生異常時會觸發(fā)報警，以方便救援，把風險降到最低。圖5為某測試者心率正常時(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(如50次/min)觸發(fā)報警，綠燈變紅燈同時發(fā)出鳴笛聲。

圖5：測試者心率正常時監(jiān)測界面

圖6：心率有問題時的監(jiān)測界面

4 心率采集裝置在智能服裝上的測試結果

本文將脈搏采集裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送的ZigBee無線模塊、電源模塊等進行了封裝處理，同時，設計了特殊的口袋對ZigBee無線數(shù)據(jù)采集模塊進行了固定和安置，在口袋的底部設計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，本文對傳感器進行了黑色遮光處理，可以套在手指上.如圖8所示.方便測量。

圖7：智能服裝上的心率采集裝置

圖8：心率傳感器遮光采集

5 結論

可穿戴技術既面臨機遇又面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，本文基于ZigBee無線模塊采用無線傳感器網(wǎng)絡技術，設計了一款可穿戴的脈搏心率采集監(jiān)測裝置，該裝置不僅可以實現(xiàn)對脈搏的實時ZigBee無線數(shù)據(jù)采集，也可以通過遠程終端進行實時監(jiān)控。大數(shù)據(jù)的時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?，而本文設計的可穿戴脈搏監(jiān)測系統(tǒng)也是服裝領域和電子通信領域相結合的又一新興產(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用價值。