一种基于反射式光电传感器的智能心率腕表

赵志勇等

摘 要：老年人的身体健康问题已受到社会的广泛关注，面临突发疾病，无法及时就医，在很大程度上提高了老年疾病的致死率。本文通过对发射式光电传感器的研究，提出了一种用于监测心率的智能腕表，可应用于突发老年疾病的监测与报警，文章将就该产品的系统框架、主要模块原理、应用价值等方面做详细的阐述。

关键词：反射式光电传感器；心率监测；脉搏；老年人；蓝牙；腕表

1 引言

近年来心脑血管疾病极大的影响了老年人的健康，因此心脑血管疾病的预防和治疗成为了医学领域的一大课题，心脑血管发病急，致命性强，但发病时如果能及时进行救治会大大减轻其危害，针对此特点市场上出现了一批用于检测心率的仪器设备，但由于其心率采集方式多为挤压式而不能长时间使用。在此我们提出了这种基于反射式光电传感器的智能心率监测腕表，可长时间佩戴不影响老人的正常活动。另外最近社会上在老人摔倒后出现了扶与不扶的问题，就此我们在腕表中加入自动录音模块，此功能可为发生意外是责任人的认定提供一定依据。

2 系统总体设计

2.1 系统整体框架

本智能心率监测腕表由数据采集终端和核心数据处理器组成。数据采集终端采用腕表形式将最新科技的反射式光电感应心率感应传感器、蓝牙发送模块封装于其内。通过心率感应传感器采集人体心率数据，并通过蓝牙将采集的心率数据传输到数据处理器，数据处理器的蓝牙将接收的数据传送到处理器STM32f103中，STM32f103进行数据比对，当心率实测值≥最高警戒值或心率实测值<最低警戒值时，STM32f103将控制GSM模块向监护人的手机拨打报警电话，并启动GPS定位系统，然后将定位信息以短消息的形式发送到监护人手机，以便监护人能及时了解心脏病突发病人的具体信息，在第一时间进行救治，另外，在腕表侧面装有SOS键，在紧急时刻可以进行一键报警，内部装有自动录音装置，在发生意外时进行自动录音，为责任方的确认提供事实依据。系统总体框图如图1-1

3 系统硬件设计

3.1 心率测量

3.1.1 测量原理

利用波长为960nm的光束照射皮肤表面，光束将通过反射的方式传送到光电接收器。在此过程中由于受到皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器监测到的光强度将减弱，其中皮肤、肌肉、组织等对光的吸收再整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈现搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强最少，当心脏舒张时，正好相反，检测到光强最大，是光接收器检测到的光强度随之成脉动性变化，将此光强度变化信号转化为电信号便可获得脉搏的相关信息。

3.1.2 反射式光电传感器

反射式光电传感器与皮肤接触时红外发光管发出波长为960nm的红外光经反射后进入红外接收管此时光强已减弱，并此时光强信号呈脉动性变化，经光电转换后使其输出电流发生同样规律的改变，这样就实现了对心率信号的提取。传感器及外围电路框图如图1-2。

红外发射电路为红外发光管提供适当的驱动电流使其发出960nm的红外光.红外检测电路为光敏管设置一合适的静态工作点。由于传感器的输出阻抗较大，且输出电流很小，若直接进行放大则信号的损失过大，因此通过阻抗变换电路对传感器的输出电阻进行变换，以使放大电路获得较高的增益。

3.1.3 信号处理电路

由传感器提取出的脉搏信号极其微弱很小，并且含有较高频率的干扰信号，为从中获取有效信号需对此信号进行一系列的处理.信号处理电路框图如图1-3

由于脉搏的频率很低，而干扰信号又具有较高的频率，因此采用二阶低通滤波电路对干扰信号进行滤波。传感器输出的信号非常小，采用多级放大电路进行信号放大。经过放大的信号如果直接利用迟滞比较器进行整形将引人新的干扰，为此在迟滞比较器前设计了积分电路保证最终获得可靠的心率信号。

3.2 系统运算处理单元电路

信号运算处理单元电路由STM32f103、蓝牙模块、GPS模块、GSM模块、录音模块、声光器件构成，STM32负责对提取出的脉搏信号进行处理，根据处理结果控制其它模块进行工作，实现心率监测、报警、定位、录音等功能。

4 结论

本文所提出的智能心率监测腕表解决了传统挤压式心率监测仪器不便携带的缺陷，可进行广时间区间的心率监测。其携带的由声光报警、一键SOS与GSM求救短信发送功能所组成的紧急情况自救系统，能够在很大程度上提高中老年人在突发疾病情况下的存活率，具有明显的实用价值。随着单孩家庭的普遍，老龄化社会的趋近，该产品的社会意义也将日益体现，得到广泛应用。

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