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1、 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
2、. 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。HardwareOSMCUGPSWi-Fi + BTEmbedded OS(Lightweight RTOS)Driver & Middlewar
3、e & ProtocolFrameworkAppDriverLightweight APIsSoftware(APP)图1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(Single Chip Computer)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：l 尺寸小，集成度高；l 具有强的实时多任务支持能力；l 具有很强的存储区保护能力；l
4、 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, Temperature sensorsCPU & MemoryPower ManagementAnalog Front End (AFE)Output Driver (PWM)ConnectivitySerial CommunicationBatteryBattery ChargerVoltage RegulatorPower SupplyDisplay ControllerLC
5、D/OLED DisplayUSBLEDs,Buzzer,Vibrating MotorEmbedded ControllerWi-Fi / Bluetooth 4.0GPS3-axis gyroscope/accelerometer/magnetometerSerial FlashI2CSPIDisplay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100 mAh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。T
6、I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
7、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。PW
8、M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-time operating system), 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
9、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 (Application Program Interfaces)可以实现调用通信功能：Wi-Fi和低功耗蓝牙(Bluetooth 4.0)。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 2.15 CoreMark/MHz。2、简单
10、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）
11、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 Micro Trace Buffer。（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
12、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：NJL5303R COBP PHOTO REFLECTOR with Green LED(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
13、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。l 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。l 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。l 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
14、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+75C+95 C时精度为 1C 在+40C+125 C时精度为 2C在-20C+125 C时精度为 3C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
15、，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
16、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：由智能腕带所采集到的生理信息，通过A/D转换后，最终会由蓝牙讲数据传送到使用者的智能手机端，并通过手机端强大的APP及相应算法进行处理，并进行图形化的数据分析，给出相应的建议。使用模块：Nordic nRF8001采用Blu解决方案的nRF8001峰值电流不12.5mA、连接状态下的平均电流很小，不到12A（连接时间间隔为1秒）非常适合空间受限制、由钮扣电池供电的应用系统，这些正是低耗能蓝牙技术所针对的
17、用途。-2、WI-FI目的：通过WI-FI将老人的生理数据传送到云端，并通过大数据分析处理，判断老人当前的身体状况并给出相关建议。使用模块：SimpleLink CC3000-3、GPS目的：通过GPS可以定位老人的位置，一旦老人走丢，可以通过GPS精确定位，而且一旦老人在外发生意外，可以根据将GPS的位置信息发送给最近的医院，以便及时的救援。使用模块：SIRF III（4）电源模块为了保证待机时间以及省去充电的麻烦，本设计的电源模块采用的是不可充电式的纽扣电池，其中使用的是3V的南孚CR-2032型号电池。型号：CR-2032充电：不可尺寸：直径20毫米，厚度3.2毫米（纽扣电池从型号可以看
18、出大小，型号里的数字，前两位是直径，后两位是厚度*10，单位都是毫米）电压：3V保存：5年（保存期限，是指电池的电量下降到90%以下的时间）特点介绍扣式锂电池, 年平均容量降低不大于2%，储存寿命长；采用半密封结构，使用安全；温度适应范围较大，在-20到+60摄氏度的条件下都可正常工作；3V高电压，输出电流大，适合功率较大的设备。扣式锂电池，一般典型工作电流在0.1毫安至0.2毫安之间，适用于输出功率较大（相对于纽扣电池而言）的设备上，如手表、电子词典、主板CMOS电源等。四、软件设计（1）系统运行流程图系统在运行过程当中，各模块并行，处理器运算速度完全可以满足要求，电源管理模块、传感器模块、
19、通信模块、显示模块，其中电源管理模块有较为成熟的设计可以参考，传感器模块我们根据原理，设计了程序框图，而其中跌倒警报以及各项监测出现异常的警报都会以最高优先级发出警报，如果蓝牙4.0网络可用，则立刻发送位置信息给附近的救护中心，如果与手机蓝牙接通，则以短信形式通知子女，以上警报和各项通知功能可以手动关闭。开始通信接口控制电源管理按键控制是否出现异常是否需要更电池点亮屏幕显示控制传感器控制是否发出警报显示报警信息警报信息通信功能警报控制模块腕带振动报警警报解除（2）心率监测流程图开始程序初始化处理相关事件是否有按键按下触发警报，手环振动，如果通信接口可用则上传警报信息数据采集，信号采样，量化，数
20、字信号处理，及心率计算存储数据是否出现异常情况蓝牙4.0是否连接上传数据，如果存在更新及时下载更新结束信号处理子程序接收采样数据低通滤波运算，滤除高频噪声数字微分运算匹配滤波运算中值算法计算心率返回（3）睡眠监测流程图开始初始化程序采样心率，从内存中获得心率监测结果从运动传感器中获得翻身频率，体动频率对心率，翻身频率，体动频率进行计算，得出睡眠程度结果是否进入深度睡眠是否出现睡眠异常通信接口是否可用与手机进行通信，告知睡眠信息，如果连接有其他家用电器如空调、扫地机器人、空气净化器、闹钟，可以根据事先的设置进行关闭或开启触发警报（4）体温检测流程图开始初始化程序进行温度采样，量化，进行数字信号处
21、理将数据存入内存是否出现异常通信接口是否可用发送警报将体温信息上传（5）跌倒警报流程图开始程序初始化从水平陀螺仪获取手、脚水平高度，并且计算水平高度差从加速度传感器中获得加速度数据加速度是否大于设定值水平高度差是否小于设定值判定老人摔倒，发出警报信息通信接口是否可用向周围通讯设备发送警报信息和求助信息（6）血糖检测流程图开始是否按键触发血糖检测程序初始化预热采集血糖数据血糖数据分析结束（7）电池管理流程图五、需求与成本分析需求背景：目前，市场上关于可穿戴的智能设备越来越多，而且功能越来越炫酷。很多互联网公司都设计出了各种各样的智能手环，智能手表等等，可是智能手环大多都是检测人的运动状况和睡眠状
22、况。而且这些可穿戴的智能设备主要都是针对年轻人来设计，忽略了老人这一块市场。但是往往老人是最需要检测自身的健康状况的。同时相关数据显示，我国不少城市人口老龄化超过10%，预计到2050年左右将达到三分之一。生活水平的提高也使得的老年人的身体健康得到更多关注。调查显示，72%的子女希望有一定的智能产品能够帮助父母省去每日主动测量各种数据的烦恼，86%的子女希望能够借助云服务平台更好地监测父母的身体状况，而市场上的主流智能手环并不适用于老人群体。成本估算：功能涉及到的硬件成本（元）心率监测NJL5303R COBP PHOTO REFLECTOR with Green LED（绿光二极管、光感应传感器 ）12睡眠监测LIS3DH三轴加速传感器5跌倒报警LIS3DH三轴加速传感器6体温监测AT30TSE002B-MAH-T1血糖监测葡萄糖传感器不清楚（预估50元）蓝牙4.0Nordic nRF800112WI-FISimpleLink CC300075GPSSIRF III60小计221ARM Cortex-M0+15元（左右）材料费及其他80元左右总计315元左右附件资料：1、部分模块价格：WI-FI模块蓝牙模块LIS3DH三轴加速传感器模块
