健康智能腕带23

设课程设计报告设计题目老人智能腕带设计课程名称学生姓名所在学院指导老师应用背景：可穿戴设备是指人体可穿戴的微型电子产品，通常与现有配饰（如手表）集成或者取而代之。在物联网技术的支持下，该细分市场正迅猛发展，因此对于更小型化、更直观的设备的需求也在快速提升。可穿戴健康设备刚刚崭露头角，未来机遇和影响或许不可限量。基于可穿戴设备在医疗行业上应用的巨大潜力，我们有所思考：老人摔倒不用扶，及时做出应答？把医院“搬”回家，病人在家如同住院？本设计希望能够通过智能腕带实时监测老人的生理状态，将老人健康状况数据实时发送到云端，进行大数据计算分析，同时给医护人员监测观察。一、预期功能1.实时检测老人的体温、心率、睡眠等生理状态并发送到云端分析，同时基于大数据预测老人的身体状况或病情发展，达到未雨绸缪的效果；2.老人摔倒或睡眠出现异常等较轻症状时发送警报到子女手机上；3.老人出现突发重大疾病时将数据发送到医院，救护人员通过GPS定位前去抢救。二、系统整体框架设计可穿戴装置的关键技术有四：传感技术、计算技术、电源技术和通信技术。智能腕带即为一个嵌入式系统。本系统的层次结构如图1所示，分为三个层次：硬件层、操作系统层和应用软件层。硬件层的具体模块功能见图2，主要包括嵌入式处理器或控制器、存储器、I/O接口、高效的电源管理系统等。这里采用微控制器(MCU)作为核心部件，根据采用的MCU可以在芯片中集成更多的外设功能。嵌入式微控制器由早期的单片机(SingleChipComputer)发展而来，在芯片内部集成了处理器、RAM、ROM、I/O、定时器/计数器、A/D、D/A等功能部件。所需的MCU应具备以下几个特点：尺寸小，集成度高；HardwareOSMCUGPSWi-Fi+BTEmbeddedOS(LightweightRTOS)Driver&Middleware&ProtocolFrameworkAppDriverLightweightAPIsSoftware(APP)图1具有强的实时多任务支持能力；具有很强的存储区保护能力；具有较低功耗。MCU按性能从低到高分有Cortex-M0到Cortex-M4，且ARM后续还推出较Cortex-M0更低功耗更高性能的Cortex-M0+。这里选用Cortex-M0+(图3)。Biometric,TemperaturesensorsCPU&MemoryPowerManagementAnalogFrontEndOutputDriverConnectivitySerialCommunicationBatteryBatteryChargerVoltagePowerSupplyDisplayControllerLCD/OLEDDisplayUSBLEDs,Buzzer,VibratingMotorEmbeddedControllerWi-Fi/Bluetooth4.0GPS3-axisgyroscope/accelerometer/magnetometerSerialFlashI2CSPIDisplay图2图3电源管理模块分为电池、充电装置和电池校准器。由于可穿戴设备的电容容量一般比较小，电池容量为100mAh左右。超低静态电流和小封装电源管理单芯片是个趋势。该电源管理芯片需集成线性充电、LDO和DC/DC等功能。LDO和DC/DC给其他模块供电，比如蓝牙、传感器、MCU、GPS等。TI的MicroSiP电源模块TPS82740，它支持200mA输出电流、具有95%的转换效率、工作状态时的静态电流仅为360nA，待机电流为70nA。它非常适合可穿戴的应用。重要的子系统是数据采集或传感器子系统。根据器件的类型，其可能是只有几个MEMS传感器的简单系统，也可能是采用专用传感器集线器连接相关传感器的复杂系统。MEMS传感器在用于监控人体各方位运动的健身和健康设备中发挥着关键作用。这些传感器又称为运动传感器。所有这些传感器都是通过I2C或SPI通信接口提供数字式运动信息。图中此类传感器包括3轴加速计、陀螺仪、磁力计。串口通信模块还可以通过I2C总线实现与GPS、Wi-Fi和低功耗蓝牙的连接，Wi-Fi用于接入互联网，实时传送数据到云端，低功耗蓝牙用来与子女手机相通信，老人出现轻微症状可及时通知身边的子女，同时从手机端也能看到老人的身体状况统计信息。模拟传感器包括心率、体温、血糖、睡眠监测等传感器。模拟传感器需要称为模拟前端（AFE）的特殊组件。AFE包含运算放大器、滤波器和ADC，其用于将模拟信号调节并转换成数字信号，以便于CPU处理。该功能有时可与CPU集成，亦可以与传感器芯片集成。LED、蜂鸣器和振动电机等UI元件可以帮助实现设备向用户提供的提醒与反馈。举例来说，当老人在做噩梦或在最佳睡眠唤醒时间时振动电机启动以振醒老人。脉宽调制（PWM）对驱动这些元件的关键。PWM可用于实现调光等各种LED效果，而且还能提供实现触觉反馈的各种振动效果。如果在固件中实现，这些技术需要精确的定时和频繁的CPU处理。因此，关键是选择支持硬件PWM的处理器/控制器。嵌入式软件分为系统软件和应用软件。系统软件即运行于嵌入式硬件平台之上的嵌入式操作系统。鉴于医疗监测需要保证实时和快速应答，这里嵌入式操作系统选用的是轻量级的RTOS(real-timeoperatingsystem),实时操作系统RTOS的优点是消耗系统资源少、耗电量小、通常无延迟，缺点是功能和软件相对固定，功能扩展较复杂。由于医疗可穿戴设备的数据分析使用大数据的算法，十分复杂，我们将数据分析送给云端处理。故在智能腕带内部只需要完成基本的数据采集、简单处理和传输等功能即可，无需高级的操作系统。APIs(ApplicationProgramInterfaces)可以实现调用通信功能：Wi-Fi和低功耗蓝牙(Bluetooth4.0)。应用软件层通过驱动和App实现具体功能的运行。三、硬件设计（1）MCU使用芯片：Cortex-M0+结构框图：特点：1、能效最高的ARM处理器由于具有一种优化的架构，而该架构具有一个仅有两级的流水线，Cortex-M0+处理器可达到仅11.2uW/MHz的功耗（90LP工艺，最低配置），同时将性能提升至2.15CoreMark/MHz。2、简单Cortex-M0+处理器保留了Cortex-M0处理器的56个指令，从而使开发变得简单而快速。Thumb®指令集提供了无法匹敌的代码密度，同时提供了32位计算性能。这些功能的组合使得Cortex-M0+能够顺理成章地在很广大的应用领域里成为8/16位系统经济实用的升级换代产品，同时它还保留了与更强大的Cortex-M3和Cortex-M4处理器的工具和二进制向上兼容性。3、多功能性每种应用都是不同的，都有其特定需要。为了使我们的合作伙伴能设计出应用最为广泛的解决方案，Cortex-M0+处理器提供了十分丰富的功能。其中许多功能（如内存保护单元和可重定位的矢量表）对于Cortex-M3和Cortex-M4处理器来说是共同的；其他功能则为该此款新的处理器所特有，即用于提高控制速度的单周期I/O接口和用于增强调试的MicroTraceBuffer。（2）传感器功能模块1、心率监测原理：当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器，在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱，其中皮肤肌肉组织等对光的吸收在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，检测到的光强度最小;而在心脏舒张时正好相反，检测到的光强度最大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，将此光强度变化信号转换成电信号便可获得容积脉搏血流的变化。原理示意图：传感器使用：NJL5303RCOBPPHOTOREFLECTORwithGreenLED(集成了波长570nm绿光二极管、光感应传感器)优点：1、相比传统的采用红光的二极管，绿光更适合测量脉搏用，反射率更高，测量感度更高；2、内部集成高科技纳米涂层环境光检测传感器，过滤不需要的光源，减少由其他光源干扰的误判动作，准确度高。使用接口：I2C/SPI---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2、睡眠监测原理：内置加速传感器，通过传感器和手腕的接触，来监测人的动作，智能腕带主要通过体动频率获知睡眠的状态，动作多说明睡眠浅，深度睡眠用户体动相对较少。配以心电监测功能，结合软件算法，能够比较精确的得出用户睡眠过程的图谱。睡眠深度一般是以身体活动减少和感觉灵敏度降低作为衡量指标的，目前对于睡眠深度的精确测量还是比较困难的。睡眠监测是通过传感器监测人的动作，以系统的计算方式进行累计计算，每2分钟记录一次合计值，与此同时的姿势数据得到记录。通过计算来判断睡眠状态。深度睡眠只占据睡眠时间的25%，也被称作”黄金睡眠“。只有进入深度睡眠状态的中睡期、深睡期以及快速眼动睡眠期，才对接触疲劳有较大作用。（除了这几个时期，还有浅睡、轻睡时期，大约占睡眠时间的55%）传感器使用：LIS3DH三轴加速传感器使用接口：I2C/SPI---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3、体温监测原理：通过温度传感器，时刻测量体表温度，将数据传送到MCU，并通过蓝牙传送到智能手机。根据一定的算法，将采集到的温度信息进行一定的校正，一旦校正后的温度出现异常，则发起报警。传感器使用：型号：AT30TSE002B-MAH-T传感器测量温度范围是:-20~+125度，分段精度：在+75ºC~+95ºC时精度为±1ºC在+40ºC~+125ºC时精度为±2ºC在-20ºC~+125ºC时精度为±3ºC此温度传感器在一秒内至少刷新温度寄存器的值8次以上，即刷新时间最大是125ms刷新一次，正常情况是75ms刷新一次值。使用接口：I2C/SPI---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4、跌倒报警原理：老人摔倒时，他那一瞬间的运动肯定与正常睡觉的状态不一样。最明显的就是手部的传感器重力加速度很快，而且与脚部在相近的水平线，全身都处于重力不平衡状态。传感器使用：LIS3DH三轴加速传感器（见2）使用接口：I2C/SPI---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5、血糖监测原理：无创式血糖仪的背面通过一层凝胶垫与人体皮肤接触。(凝胶，是一种介于固体与液体之间的物质形态，不会像液体一样流动，却能够让溶解在其中的不同大小的分子，在电场的作用下穿过。)凝胶中有两个电极，使用时电路接通，产生一股微电流通过人体的皮肤。皮肤中的带电离子在电流作用下分别向正负两个电极运动，而组织液中的葡萄糖分子会被带电离子“裹夹”着一起运动，进入凝胶。无创式血糖仪通过测量葡萄糖分子与凝胶中一种酶(葡萄糖氧化酶)的反应程度，就可以计算出当前的血糖水平，测量结果就可在屏幕上显示出来。传感器使用：葡萄糖传感器使用接口：I2C/SPI（3）无线通信模块1、蓝牙4.0目的：由智能腕带所采