一款心率戒指的設計

作者簡介：楊風健（1987—），男，碩士，吉林醫藥學院教師。

0   引言

隨著人們生活水平的提高，健康、便攜、智能的生活理念已深入人心，對于可穿戴、人性化的健康產品，受到了人們廣泛的關注^[1]。生活中，戒指是一種穿戴飾品，因其美觀、小巧、不影響生活受到人們的廣泛喜愛，傳統戒指功能相對單一，僅具有裝飾作用，已無法滿足人們對于穿戴類產品的智能化需求。目前，國內外檢測心率的主要方法為：動脈血壓法，光電測量法，動脈血壓法，而比較適合在穿戴式設備上使用的方法為光電測量法^[2]，因此，本文基于光電測量法設計了一種具有心率檢測、運動計步、藍牙通信、鋰電池供電、可充電功能的心率戒指。

1   設計思路

1.1 手指PPG信號檢測

食指指間動脈循行如圖1所示，根據人體動脈網絡在手上的分布，可發現在每根手指兩側均有動脈血管走行，而食指指間動脈血流量相比其他手指更強一些，同一根手指的指根部位搏動最強，因此，本文選擇的食指的手指根部內側作為PPG信號的采樣點。盡管如此，手指的PPG信號依然相對較弱，而且受限于電路體積。因此，PPG信號的采集與處理仍然是本設計的一大難點。

圖1 手指動脈走行示意圖

1.2 電路總體設計

電路總體設計框圖如圖2所示，主要包括的電路單元有：STM32F103主控制器電路、MPU6050加速度傳感器電路、OLED顯示電路、藍牙通信電路、報警電路、鋰電池供電電路、光電傳感器與信號調理電路。

圖2 系統硬件電路框圖

2   電路設計

2.1 PPG信號檢測單元

為了盡可能降低電路板占用戒指的體積與空間，同時為了降低成本，便于改進，將PPG信號的檢測電路單獨設計成一塊電路板，該電路板與主控板相分離，并通過軟線連接，進行信號的傳輸控制。

具體電路如圖3所示，其中光電傳感器選擇的至關重要，因為整個戒指的體積較小，導致鋰電池的容量較低，電路設計的每一個環節均需考慮功耗的問題，本設計中，光電傳感器的型號為SON7015，其工作電流只有0.2 mA，傳感器尺寸4 mm×2 mm×1 mm，內部集成2個綠光LED及前置放大電路，外圍電路也非常簡單，非常適用于手指動脈的PPG信號檢測。該電路中，只有在接收到單片機控制信號時才驅動LED發光，為了降低電流消耗，可采用具有一定占空比的方波進行驅動，在經過SON7015內部的前置放大后，輸出信號經過一級帶通濾波及放大處理，該濾波器電路的中間電平為1.5 V，以此來實現PPG信號圍繞1.5 V電平進行波動，便于后期將信號送入單片機A/D進行采樣處理。

該部分電路在布線時，需要盡量節省空間，電阻電容皆可選擇0402封裝，運算放大器選擇SSOP封裝。

2.2 主控制器單元

主控制器選擇STM32F103C8T6單片機，內部自帶A/D轉換硬件電路^[3]，可以減少電路體積，同時由于需要進行一定信號濾波、FFT變換等信號的運算處理，因此對單片機的運算處理速度有一定要求，同時這款32位的單片機共有48管腳，相對來說，體積較小，因此綜合考量，采用該單片機作為硬件的核心控制器，同時，為減小電路復雜度，縮小體積，時鐘電路采用芯片內置的時鐘電路，復位方式采用RC復位電路，輔以電阻、電容等單片機工作的最小系統電路。具體電路參見官方手冊，本文不再贅述。

2.3 電池及供電單元

本設計中，采用300 mAh的鋰電池進行供電，電池體積較小，可充電，適用于在可穿戴設備上使用，由于整個電路系統采用3.3 V電壓供電，鋰電池輸出電壓最高可達4.2 V，因此需要對鋰電池輸出電壓進行降壓處理，選用TI公司的低壓差穩壓芯片TPS76333，輸出電壓3.3 V，最大電流可達150 mA，由于系統功耗較低，所以滿足系統使用需求，具體電路如圖4所示。

2.4 加速度傳感&藍牙通信單元

加速度傳感器選用MPU6050芯片，輔以少量外圍器件即可工作^[4]，并且采用I2C總線與主控制器進行數據通訊，占用I/O口線少，有助于PCB布線。藍牙與通信模塊采用TI公司出產的CC2640芯片，體積小，整個模塊體積8 mm×8 mm，貼片封裝，串口通信，比較適合在穿戴式設備上使用。

3   軟件設計

單片機程序設計需要實現以下功能：PPG信號顯示、藍牙數據雙向傳輸、心率數據提取及顯示。如圖5所示，單片機程序設計采用模塊化的分層編程設計思想，主要分為底層驅動程序和頂層應用程序。底層驅動程序主要包括：模擬I2C總線設備驅動、OLED液晶模塊的驅動、A/D轉換程序、UART驅動程序。頂層應用程序主要包括：FFT心率提取程序、PPG信號顯示程序、藍牙數據通信程序等。

軟件部分的核心為心率信號的提取，由于采用光電法進行PPG信號采樣，不可避免地會引入運動偽差，因此如何從PPG信號中提取心率信號是心率戒指的1個核心問題^[5]，本設計中采用心率信號提取的主流程如下。

存儲A/D采樣到的PPG數據和MPU6050加速度傳感器數據→PPG數據均值濾波處理→加速度傳感器數據進行FFT變換，得到運動干擾信號頻率→對PPG采樣信號進行FFT變換→在PPG采樣信號譜里面找到第1譜峰和第2譜峰→正常情況下，2個譜峰中有一個為心率信號，另一個為運動干擾信號→根據已知運動干擾信號頻率，即可明確心率信號頻率→心率（單位：bpm）=心率信號頻率×60(s)。

圖5 主程序流程圖

4   結語

最終實現的心率戒指如圖6所示，OLED屏幕上可顯示實時的PPG波形，同時每隔6 s更新1次心率值，并可將采集到的數據通過藍牙上傳到手機端.通過戒指的試制與測試，證實該方案可行，能夠采集到手指上的PPG信號并計算得到心率，戒指體積大小可以接受，無明顯不適，可充電。但是在劇烈運動的情況下，計算得到心率數值會產生失真，心率提取算法尚有待改進；體積方面可進一步縮小，例如可嘗試采用柔性電路板制作電路，以使戒指的內部空間更加緊湊。

圖6 心率戒指實物圖

參考文獻：

[1] 楊風健,齊秋菊,郭紅壯,等.可穿戴生理參數測量儀的設計[J].電子產品世界,2017,24(12):49-51+55.

[2] 辛毅.基于前項差分和動態閾值的PPG心率測量算法[J].電子產品世界,2019,26(09):27-29+26.

[3] 李浩.采用STM32F103芯片的紅外測溫儀設計[J].電子產品世界,2013,20(09):45-47+56.

[ 4 ] 龍愷, 龔濤.基于CMOS攝像頭H M C 5 8 8 3 + M P U 6 0 5 0的模擬滅火訓練系統[J].電子產品界,2015,22(11):62-64+67.

[5] 馬艷閣.可穿戴式心率監測儀研究[D].天津:天津科技大學,2017.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2020年9月期）