一種可刷卡健康手環(huán)的設計

引 言

現(xiàn)今的智能穿戴設備是指可直接穿戴或和衣物、鞋帽等合為一體的，并可以通過內置軟件和云端數(shù)據進行交互，同時對使用者產生一定影響的小型電子器件[1]。目前市場上的智能穿戴設備可謂琳瑯滿目，不論是令人向往的頭戴式虛擬現(xiàn)實設備，還是多種多樣的智能手表和手環(huán)，抑或是直接穿在腳上的智能跑鞋，它們都將智能化帶到一個新的高度，為智能化開拓了一個新的領域。

智能化和小巧化是智能設備的發(fā)展趨勢，對于本文將要介紹的手環(huán)來說，它具備了便攜而不簡單，小巧實用且功耗較低的特點，除了一般手表都具有的時鐘功能，它還能夠監(jiān)測佩戴者的心率，并在適當?shù)臅r候給予提醒 ；另外，考慮到目前一人持有數(shù)張磁卡的不便性，我們將IC卡擴展到該手環(huán)上，讓其成為一種消費方式，不僅方便美觀，也起到了為人們“減負” 的作用。

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)主要由主控制器、IC 卡、心率監(jiān)測和 GSM 部分與GPS 部分這幾大結構組成，系統(tǒng)的總體結構如圖 1 所示。

手環(huán)內的心率傳感器一直在監(jiān)測人體體征，一旦發(fā)生異 常，MCU 接收到指令，立刻驅動 GPS 獲取當前地理位置并 通過 GPRS 連接網絡地圖，把位置信息以短信形式發(fā)送到固 定的移動通訊設備上 ；另一方面，該手環(huán)系統(tǒng)內置 S50 卡，即 采用 NXP MF1 IC S50 制作的非接觸智能卡，能夠與閱讀器 配合進行交易，比如公交地鐵刷卡，電子門票等。

1.1 主控制器

主控制器選用的是基于ARM Cortex-M 內核的 STM32 系列。本文所介紹的系統(tǒng)采用了STM32F103，是由TI 公司推出的 32 位微處理器，72 MHz 主頻，支持 2.0–3.6 V 電壓供電， 具有睡眠、停機和待機等低功耗模式，在待機情況下電流僅為 2 uA 左右[2]。同時，它具有豐富的I/O 資源和片內外設： 多達 51 個快速 I/O 端口均可以映像到外部中斷，且具有多種輸入輸出模式；2 個 12 位的模數(shù)轉換器及16 個外部輸入通道， 靈活的 7 路通用DMA 也為該芯片增色不少[3]。

1.2 心率監(jiān)測

1.2.1 檢測原理

傳統(tǒng)的心率測量方法主要有三種 ：一是從心電信號中提取 ；二是從測量血壓時壓力傳感器測到的波動來計算 ；三是光電容積法。前兩種方法提取信號時都會限制使用者的活動， 如果長時間使用會增加其生理和心理上的不舒適感。而光電容積法作為監(jiān)護測量中最普遍的方法之一，其具有使用簡單、

佩戴方便和可靠性高等特點。

光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造 成透光率不同來進行心率測量的[4]。當光束透過人體外周血管， 由于動脈搏動充血容積變化，導致這束光的透光率發(fā)生改變， 此時由光電變換器接收經人體組織反射的光線，轉變?yōu)殡娦?號并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動而呈周期變化 的信號，動脈血管的容積也周期性變化，因此光電變換器的電 信號變化周期就是脈搏率。

1.2.2 硬件電路

此系統(tǒng)使用了光電式心率傳感器， 該傳感器采用了AM2520 綠光 LED， 峰值波長為 515 nm ；而光接收器為APDS-9008 環(huán)境光感受器，感受峰值波長為 565 nm ；兩者的峰值波長相近，靈敏度較高。此外，由于脈搏信號的頻帶一般在 0.05 ～200 Hz 之間，信號幅值小，在毫伏級水平，容易受到干擾。因此，在信號采集之后，還需要通過濾波電路、放大電路來濾除干擾，獲取較為準確的脈搏信號。電路原理圖如圖 2 所示。

1.3 預警機制的設計 

該系統(tǒng)的通信部分使用的是 SIMCOM 公司的 sim908 集 成芯片，它是一款集成 GPS 導航技術完整的四頻 GSM/GPRS 芯片，將 GPRS 和 GPS 整合在 SMT 封裝里，為客戶實現(xiàn)內 嵌 GPS 的應用顯著節(jié)省了開發(fā)時間和費用。整塊芯片的工作 電壓為 3.2 ～ 4.5 V，低功耗，能夠實現(xiàn)短信、語音、GPRS 數(shù)據和 CSD 數(shù)據的傳輸 [5]。 

1.3.1 GPS 與 GPRS 介紹

 GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)） 的簡稱，以全球 24 顆人造衛(wèi)星為基礎，是指利用定位衛(wèi)星在 全球范圍內實時進行定位的系統(tǒng)，最早由美國國防部研制，具 有全方位和高精度的特點，綜合定位的精度可達厘米級別，目 前民用領域則只開放了 10 米左右的定位精度。

GPRS 是通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service）的簡稱，是全球移動通信系統(tǒng)（GSM）的延續(xù)和發(fā)展， 不同于以往占用整個頻道來傳輸數(shù)據的方式，GPRS 是封包式 傳輸，使得信道資源得以共享，提高了資源的利用率 [6]。它能 同時兼容電容型數(shù)據和分組交換數(shù)據，連接因特網。 

1.3.2 預警機制的實現(xiàn) 

手環(huán)可使用該系統(tǒng)的通信部分與外界聯(lián)系而實現(xiàn)預警 功能。當心率監(jiān)測部分發(fā)現(xiàn)人體脈搏不穩(wěn)定，處于異常狀態(tài) 時，就向處理器發(fā)出異常信號 ；處理器接收到信號之后，驅 動 GPS 部分獲取當前經緯度坐標 ；系統(tǒng)的軟件設計部分已經 添加了高德地圖的 API，可以把經緯度坐標轉換為地圖上的 地點標識，給出網址鏈接。由于采用的是集成 GPS/GSM 的 SIM908 芯片，手環(huán)就能夠把網址鏈接以短消息的形式發(fā)送到手機上，起到了預警作用。

 1.4 刷卡實現(xiàn)及結構設計 

無線射頻（RFID）技術普及已久，它改變了人類的生活 方式，對科技發(fā)展造成了長足的影響，目前該項技術也非常成 熟。該系統(tǒng)中的刷卡功能就是采用了 RFID 技術，使用的是 Philips 電子公司生產的 Mifare 1 S50，該卡的 RFID 芯片所具 有的獨特的非接觸式接口標準已被制定為國際 ISO/IEC 14443 TYPE A 標準 [7]。

Mifare 1 S50 卡的電氣部分由天線和 RFID 芯片組成，天 線為幾組繞線線圈，封裝到 ISO 卡片中?？ㄅc讀寫器之間的通 訊采用國際通用的 DES 和 RES 保密交叉算法，保密性能較高。 該卡的工作頻率為 13.56 MHz，可在 100 mm 范圍內在同一時 間處理多張卡 [8]。 

手環(huán)的機械結構主要由顯示屏、射頻卡、系統(tǒng) PCBA 和 手環(huán)底座及表腕組成，其分層示意圖如圖 3 所示。由于刷卡 工作在高頻范圍，這部分的電磁強度比較大，射頻卡和系統(tǒng) PCB 之間增加一個隔離層，以便減少電磁干擾。

1.5 電源管理 

生理信號的特點是信號幅度特別小，往往都是微伏或者 毫伏級別，信噪比極其微弱，因此一個小小的干擾都會超過 生理信號大小而將其淹沒。而這些干擾包括運動干擾、環(huán)境 光干擾、電磁干擾和工頻干擾等。其中，來自電源的工頻干擾 是最主要也是最容易讓人忽略的干擾源 [9]。 

我們平常使用的 220 V 交流市電并不純凈，里面含有很 多噪聲，這些噪聲可以通過電源線竄入心率測量的系統(tǒng)電源， 影響傳感器的工作環(huán)境導致輸出不正常。工頻干擾示意如圖 4 所示。

為解決上述問題，系統(tǒng)采用鋰電池供電，在充電過程中 使用電源管理芯片控制整個充電流程，讀取電池電量，實現(xiàn)過 低提醒、充滿自動斷電等功能 [10] ；鋰電池放電電路與濾波電 路結合，使傳感器得到更純凈的電源。 

2 系統(tǒng)工作原理 

系統(tǒng)的工作流程如圖 5 所示，其中字母“S”表示系統(tǒng)接收到的觸發(fā)信號類型，“S1”、“S2”、“S3”、“S4”分別代指電 磁波信號、體征信號、GPS 觸發(fā)信號和 GSM 觸發(fā)信號。 

當系統(tǒng)開始工作時，如果有與手環(huán)內置 S50 卡相對應的 閱讀器發(fā)出電磁波信號，該 IC 卡便能感應到而且與之相匹配， 完成讀卡或寫卡等操作。與此同時，系統(tǒng)也一直在監(jiān)測人體的 心率特征，當心率處于正常范圍時，便顯示在手環(huán)的 LED 屏 幕上 ；當人體發(fā)生異常，心率不齊時，便發(fā)出信號觸發(fā) GPS 模塊獲取使用者當前的位置 ；GPS 一旦被觸發(fā)并且完成獲取 地理位置的操作后，它便告知控制器觸發(fā) GSM 模塊開始工作， 即將此刻的位置信息以短消息的形式發(fā)送到預先設定好的通 訊設備上。

3 系統(tǒng)實際工作情況 

3.1 功耗測試 

在實際工作情況下，采用 5 V 電壓供電。其功耗情況如 表 1 所示。從表 1中可以發(fā)現(xiàn)，在一個工作周期中，系統(tǒng)工作 狀態(tài)的最大功率為 0.75 W，而處于休眠狀態(tài)時只有 0.10 W。 因此，手環(huán)的整體功耗較低。

3.2 心率數(shù)據 

為了測試該手環(huán)所具備的心率監(jiān)測功能的準確性，對測 試者同時用聽診器和本文所設計的手環(huán)對脈搏進行計數(shù)，得 到如表 2 所列的心率數(shù)據。

在實際測量時，人工使用聽診器的測量數(shù)值與手環(huán)自動 測量的數(shù)值相比，有一定的誤差，平均誤差值為 1.8，在允許 范圍之內。這種誤差可能也是由于人工測量時的起始時間和終 止時間把握不準導致的。

3.3 定位測試 

用信號發(fā)生器給心率監(jiān)測部分提供一個頻率為 100 Hz 以 上的信號，讓手環(huán)采取預警機制，進行定位和短信發(fā)送。測試 結果如圖 6 所示。

4 結 語

本文所設計的手環(huán)不但實現(xiàn)了對人體體征信號——心率 的監(jiān)測，能夠針對特殊情況采取預警機制，防止意外的發(fā)生 ； 還結合了射頻刷卡功能，小巧實用，此外，系統(tǒng)設計整體無外 部指令輸入，使用方便 ；數(shù)據測量準確度較高，應用性廣泛 ； 系統(tǒng)結構較精簡，便于維護。 

該手環(huán)適合于家庭中的嬰幼兒及老年人使用，讓家人隨 時隨地了解他們的安全狀況 ；也適合用于醫(yī)院，構建一個關護 和消費系統(tǒng)，為患者提供自動化和人性化的服務。