摘 要： 結合智能服裝與無線傳感器網絡技術，采用一種新型的光電反射式模擬傳感器，設計出一款可以隨身攜帶的心率采集監測模塊。該模塊不僅可以實時地采集脈搏心率情況，同時可以將采集的數據發送到上位機，實現遠程實時監控，當監測的數值超過或者低于正常的閾值時，會發出報警信號，方便救援人員及時救助。此心率采集模塊體積小、方便攜帶，將其嵌入到服裝設計中，同樣可以應用到醫學、野外探險等多個領域，這種設計是服裝藝術和無線電子相結合的又一新興產物，具有非常重要的現實意義。
關鍵詞： 智能服裝；心率；脈搏；ZigBee；實時監測；pulsesensor
0 引言
從2013年開始，智能腕表、手環、眼鏡陸續進入大眾視野，成為“潮人”們追捧的對象，這一年更被業界認定為“可穿戴設備元年”。簡單來說，可穿戴設備就是指可以直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件上的一種便攜式設備。然而隨著無線傳感器技術的發展，各式各樣的可穿戴的智能服裝也逐步出現在人們的生活中，智能服裝就是把小型的芯片、電子元器件、電源等設備嵌入到服裝中，可以實現特定的功能，以此方便人們的生活[1]。本文所設計的心率采集監測模塊采用市面上最先進的光電反射式傳感器，它不同于以往的壓電式、壓膜式傳感器，具有很高的靈敏度。同時，本文專門對服裝的口袋進行了特殊設計，對脈搏傳感器進行安放，可以更加方便地對人體的脈搏進行實時采集和監測。
1 光電反射式傳感器工作原理
Pulsesensor是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。采用光電容積法的原理對信號進行采集，將其佩戴于手指或耳垂等處，利用人體組織在血管搏動時造成透光率的不同來測量脈搏。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏頻率[2]。
1.1 系統功能模塊劃分
本文整體系統的功能模塊劃分如圖1所示，包括采集模塊、微處理模塊、無線數據收發模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊等。
1.2 整形電路的設計
本系統的整形電路采用四電壓比較器LM339和若干電阻電容構成單限電壓比較電路[3]。圖2所示為整形部分的電路原理圖，由于脈搏信號經整形后為幅值為2~3 V的方波信號，因此將閾值電壓設定為2.5 V較為合適，整個電路由+5 V直流電壓源供電，經實驗測定后，R2的最佳值為10 kΩ。通過整形電路可以方便實現對脈搏數目的統計，為后期上位機的監測提供條件。
2 心率信號處理模塊的設計
為了得到正確的脈搏頻率，可用設置中斷的手段來實現功能[4]。將I/O口P1.3設置為外部中斷口，輸入信號下降沿可觸發外部中斷使系統進入外部中斷服務子程序，每進入一次服務子程序脈搏計數器加1，與此同時定時器1定時用戶自定義的時間周期。一旦到達定時時間則讀取計數器里的值，讀完清空各寄存器以便下次計數。圖3為本系統脈搏采集模塊的協調器流程圖，圖4為心率采集過程流程圖。
3 心率采集監測界面設計
當傳感器采集到脈搏數值后，會通過ZigBee協議將采集到的數據上傳給遠程終端[5]，實時地顯示被測者的心率情況，通過編程實現實時折線圖的繪制，對心率變化的趨勢進行跟蹤監測，一旦發生異常時會觸發報警[6]，以方便救援，把風險降到最低。圖5為某測試者心率正常時（基本穩定在84次/min）的監測曲線，圖6為另一測試者心率不正常時（如50次/min）觸發報警，綠燈變紅燈同時發出鳴笛聲。
4 心率采集裝置在智能服裝上的測試結果
本文將脈搏采集裝置的數據發送模塊、電源模塊等進行了封裝處理，同時，設計了特殊的口袋對采集模塊進行了固定和安置，在口袋的底部設計有特殊的小孔可以走線，使光電傳感器外露，如圖7所示。為了保證所測心率的精度，本文對傳感器進行了黑色遮光處理，可以套在手指上，如圖8所示，方便測量。
5 結論
可穿戴技術既面臨機遇又面臨著嚴峻的挑戰[7]，本文基于ZigBee協議采用無線傳感器網絡技術，設計了一款可穿戴的脈搏心率采集監測裝置，該裝置不僅可以實現對脈搏的實時采集，也可以通過遠程終端進行實時監控。大數據的時代背景以及信息化智能化的科技產品會在今后改變人們的生活方式[8]，而本文設計的可穿戴脈搏監測系統也是服裝領域和電子通信領域相結合的又一新興產物，在智能服裝的發展方面有著非常重要的研究意義和實用價值。
參考文獻
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