可穿戴式多生理参数采集系统设计*

张选 金珊 王菲 黄志强 赖珠琼

吉林大学 通信工程学院 吉林 长春 130012

引言

随着对当代学生体质健康状况的关心，针对学生的各种体育活动得到不断重视。但原本应该是斗志昂扬的运动场，却因为各种因素发生很多学生身体不适而晕倒猝死的事情。社会上的诸如以上的学生在校进行体育运动时突发晕倒甚至猝死的现象常有发生，所以对学生运动时的多项生理特征实时进行监测是一件急需解决的任务[1]。本文主要研究一种可对学生的体温、心率、呼吸率等多项生理特征进行一体化监测的系统，并可以应用到可穿戴式智能服装上。本穿戴式学生体育运动体质监测系统使用传感器、蓝牙、手机App等组成。人体可穿戴式智能服装能够对学生体育运动时的心率、呼吸、体温等多项生理指标能够实时检测，同时监测学生运动的距离，然后通过蓝牙传递到手机端，当穿戴者生理数据严重异常时，蜂鸣报警器立即报警，相关教官、教师可立即采取措施，对学生的训练量进行及时适当的调整，做到科学有效防止学生发生摔倒、猝死等意外情况。

1 研究目的、意义

基于培养集体主义意识的军训生活，同时也是为了通过实际训练来增强学生体质，但由于现在学生身体素质较差，亚健康现象普遍，原本应该是斗志昂扬的军训场，却因为各种不同原因，有很多学生“晕倒”。 据相关报道，某市某高中招收了1300名新生，在军训期间，前后有130多名学生晕倒，占参加军训学生总数的10%。然而这还不是最严重的，最悲剧的是有人在军训中晕倒身亡：武汉一名年仅14岁中学生夜跑时突然倒地，市某高校女大学生小雯（化名）在军训时意外摔倒，心脏骤停，120急救车赶到时已没了生命体征[2]。可见，及时监测学生的心率的重要性；热射病，俗称中暑，由于人体散热不到位，导致身体高热，严重者可能导致死亡。可见，及时监测学生的呼吸与温度等生理数据的重要性。社会上的诸如以上的学生在校进行体育运动时突发晕倒甚至猝死的现象常有发生，所以对学生运动时的多项生理特征实时进行监测是一件急需解决的任务。

2 国内外研究现状与分析

可以直接放在皮肤附近或者表面上的微控制器，通过传感器采集各种参数，再通过连接网络、数据处理分析、远程控制等，可以实时检测、分析、远程传输各种生理指标，这样的设备称为可穿戴式设备。随着小型电子设备、智能手机和通信技术的进步，可穿戴设备呈现爆炸式增长。最早出现的可穿戴式设备由于芯片集成度不够高，电池体积大，导致设备略显笨重，需要频繁充电，使用起来很不方便[3]。随着穿戴式设备的发展，技术越来越成熟，不断朝着多参融合的目标努力，芯片集成度越来越高，监测的生理指标越来越多，设备越来越精巧，舒适度大大提高。其中监测的生理指标主要有温度、心率、呼吸率及一些运动信号参数如加速度、步数等等。近年来，人们的生活品质逐渐提高，对医疗质量的要求不断提高，这极大地推动了可穿戴式设备的技术发展，掀起了国内外发展可穿戴式设备的热潮。世界首个研究穿戴式主板的机构——美国佐治亚理工学院，开发出一个集心率、呼吸频率、体温等生理参数监测于一体的监测设备[4]。美国森沙特公司也于2008年推出一款医护衬衫，它能够直接监测穿着者的呼吸、体温等数据，并将数据实时传送给医院[5]。美国海军与美国GeorgiaTech共同研发的智能监测服装的母板（GTWM）是将塑料光纤和电纤维织入织物中，通过与传感器和控制单元的连接，可以对人体生理状况进行评估，如测量人的体温、呼吸等。这种嵌入到服装中的可穿戴式多生理参数采集系统，使用会更加方便，用户感受零负担，实时性也更好，且可以预留足够的空间放置各种传感器和控制芯片。

3 本系统特点

具有多生理参数采集系统的智能服装具有以下特点。

3.1 可以同时对多种生理参数采集

相对于传统的血氧仪，温度计等医疗器械只能对单一的生理参数采集，该智能服装可以同时对多种数据进行采集，节约了大量的监测时间

3.2 可穿戴性

相对于传统的医疗器械，该多生理参数采集系统嵌套在了衣服里面，使得它可以测得穿戴者在运动中的生理情况，让穿戴者可以对自己的身体情况有了更清楚的认知，如果放在运动员，军人或者是学生的军训中都有者光明的前景。

3.3 操作简单

该多生理参数采集系统设计开发的App操作界面简单，简单明了，而且配备了一个OLED显示屏，在没有智能手机的情况下也可以对自己的生理数据进行观测。

3.4 具有预警功能

该多生理参数采集系统通过监测用户的多种生理数据，当用户的多种生理数据出现严重异常的情况下，就会通过蜂鸣报警器进行预警，可以在一定程度上保证穿戴者的安全。

3.5 可交互性

智能服装通过与手机蓝牙连接，实时地把数据传递在手机上，用户可以实时看到自己的生理数据的情况，让用户可以对自己的身体情况进行实时监测。

4 系统总体结构设计

本文设计的智能衣服上的多生理参数采集系统，能够对学生体育运动时的心率、体温、呼吸等生理参数进行实时采集，最终通过蓝牙模块将数据发送到手机端，并且设置阈值，当学生生理数据出现严重异常的时候，蜂鸣器立即报警，方便老师和教官对学生训练进行智能化监测管理。数据的采集主要采用呼吸、心率和血氧采集模块和DS18B20温度采集模块和ADXL345三轴重力加速度采集模块，实现对心率、体温、呼吸等生理参数的采集。数据的传递通过蓝牙模块来实现的，蓝牙模块与手机配对，将数据实时的传递到手机端，实现对生理数据的实时检测。

5 主要模块电路的设计

5.1 JDY-31蓝牙传输模块

本蓝牙模块就是专门为无线数据传输打造的，支持SP蓝牙串口协议，通过与用户手机的蓝牙配对，就可以实时地将单片机采集到的数据传递到手机App端，完成由机器到人的交互。

5.2 心电、呼吸和温度采集模块

5.2.1 呼吸、心率、血氧采集模块。本项目是采用MQ-R光电传感器，它可以检测心率、血氧、呼吸率3项参数。通过该模块，可以完成对穿戴者心率、血氧、呼吸率3项参数的采集，并且因为集成度高非常符合智能衣服的开发。

5.2.2 温度监测模块。DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。其测温范围-55℃～+125℃，完全可以应对穿戴者所处的各种环境，并且可以支持多点组网功能，实现多点测温。通过DS18B20对人体体温数据进行监测，之后通过32单片机采集和转发，完成对人体温数据的实时监测。

5.3 ADXL345三轴加速度传感器模块

ADXL345加速度传感器是一款体积较小的超低功耗数字化加速度传感器，它由三轴加速度传感器、敏感电子元件、模数转换、数字滤波、电源管理和逻辑控制、串行端口组成，可以完成对穿戴者加速度数据的采集。通过STM32单片机的采集、传递和中断计数，就可以对穿戴者运动距离进行监测。

6 多生理参数采集系统对应的手机App的开发

本项目通过软件Appinventor进行开发的，Google App Inventor是一个完全在线开发的Android编程环境，抛弃复杂的程式代码而使用积木式的堆叠法来完成Android程式，开发简单快捷。

主界面会显示用户的实时数据，如图1所示，用户就可以对自己的生理数据进行实时的监测，操作简单明了。

图1 App主界面

7 智能服装的创新点

与通常的衣服相比较本项目可以穿戴者的心率，血氧，温度，运动距离等多种数据采集，采集数据多，集成度高，衣服智能化程度高。

该智能衣服除了配套的App外，还设计了一块OLED实时显示屏，使得用户对自己生理数据观察时候，可以不借助手机，提高了智能衣服的便利性。

本系统采用了柔性电路板，除使得衣服更舒服外，传感器与身体接触的更好了，采集的数据更加精准。

硬件上还设置了报警装置，当用户的生理数据出现严重异常时，提醒用户注意，或者是，当用户出现中暑或者是心率骤停的时候，能够及时吸引周围人的注意。

8 结束语

军训学生等特殊人群都需要对身体情况进行特别关心，但是正常情况难以对其生理数据进行实时的检测，基于此方面的需求开发了一套智能衣服上的多生理参数采集系统，可以完成对穿戴者训练过程中生理数据和运动距离的实时采集，配套的App可以帮助教官和老师了解到学生训练的具体情况，合理调整学生的训练强度。可以预测，一旦产品进入市场，一定会有很大需求，在市场中肯定颇具竞争力。相信本文的研究会为未来智能衣服的研制和开发奠定自己的基础。