基于光电容积脉搏波描记法的心率腕表研制

摘要

随着生活水平的提高，人们对健康和运动越发重视起来，为健康型可穿戴设备的快速发展提供了动力，国内的健康型可穿戴设备也迅速发展起来。但是快速推出产品的同时总是伴随着各种各样的问题:使用不便、续航能力不足、测量数据不准确等等。最近兴起的无胸带心率腕表或心率手环都存在以上问题。这类手表或手环测量心率的方法都是光电容积脉搏波描记法（Photo-Plethysmo-Graphy，PPG），这是一种光学探测心率的方法，使用起来非常方便，但是提高心率采集的精度却十分困难。 本课题的目标便是研制一种方便用户使用的智能心率腕表，具有低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy，BLE)通信功能和配套的Android应用软件、较长的续航时间和高精度的心率采集等功能。 为达到上述目标，首先分析了基于PPG原理的心率腕表测量准确率不易提高的原因。基线漂移、一波多峰、高斯白噪声、个体差异、人体运动、环境光干扰等都会造成心率准确测量的困难。此外，从功能和软硬件方面分别详细分析了设备功耗过高和BLE通信不易稳定的原因。基于此，制定后续研究的方案并做了下述研究和工作。 深入研究了小波理论并用C语言在实时嵌入式系统上实现了Mallat快速算法。在此基础上，继续研究小波在滤波上的应用，对心率信号进行了小波滤波和心率提取。对嵌入式程序设计思想和调度算法、实时操作系统（Real Time Operate System，RTOS）以及BLE协议和协议栈均作了较深入的研究，并基于TI-RTOS和BLE协议设计了软件架构和顶层的调度算法。此外，进行了硬件选型和设计，并制作了四层PCB板。最后基于Android系统编写了与心率腕表配合使用的应用软件。 最终研制得到的智能心率腕表具有日历时钟、计步、心率检测、数据掉电存储、用户交互，BLE通信等功能。计步测量误差在10％以内，静态心率测量误差在5％以内，动态心率误差在10％以内。心率腕表BLE通信稳定，续航时间在正常使用和待机情况下可以达到一周多，心率测量情况下可以达到12.5个小时。与智能心率腕表配合的应用软件具有BLE通信、心率显示和心率曲线绘制、计步、久坐提醒等功能。

目录

声明

摘要

1．1课题的研究背景

1．2 PPG心率测量原理

1．3课题研究现状

1．4课题的意义和工作

1．4．1课题的意义

1．4．2课题的工作

1．5论文结构

第2章课题难点分析及方案设计

2．1课题难点分析

2．1．1心率腕表准确率不易提高的原因

2．1．2可穿戴设备功耗问题分析

2．1．3蓝牙通信稳定性问题分析

2．2小波(Wavelet)

2．2．1小波简介

2．2．2小波进行心率提取的优势

2．3．1 BLE简介

2．3．2 BLE在可穿戴设备领域的优势

2．4嵌入式实时操作系统(RTOS)

2．4．1 TI-RTOS简介

2．4．2使用RTOS的必要性

2．5 Android

2．5．1 Android简介

2．5．2 Android与可穿戴设备关系紧密

2．6总体方案设计

2．6．1系统功能设计

2．6．2心率准确测量方案设计

2．6．3低功耗方案设计

2．6．4 BLE稳定通信方案设计

2．7本章小结

第3章心率算法研究与实现

3．1小波算法深入研究

3．1．1多分辨率分析

3．1．2二尺度方程与正交滤波器组

3．2心率算法设计

3．2．1心率算法实现步骤

3．2．2小波基选取和分解层数确定

3．2．3小波强制去噪和阈值去噪

3．2．4波峰波谷提取与心率计算

3．3本章小结

第4章嵌入式硬件平台设计

4．1硬件总体方案设计

4．2测量光源的选择

4．3主控和蓝牙电路设计

4．3．1 CC2640简介

4．3．2主控和蓝牙电路设计

4．4电源电路的设计

4．4．1供电电路设计

4．4．2锂电池充电电路

4．5输入设备电路设计

4．5．1心率探测电路设计

4．5．2加速度计电路设计

4．5．3按键和USB复位电路

4．6输出设备电路设计

4．7四层PCB制作

4．8本章小结

第5章嵌入式软件系统设计

5．1 BLE协议栈的研究分析

5．1．1 BLE协议的低功耗原理分析

5．1．2 BLE协议栈架构

5．2软件架构设计

5．2．1总体架构设计

5．2．2文件组织

5．3调度算法设计

5．3．1调度算法总体设计

5．3．2事件驱动调度算法设计

5．3．3有限状态机调度算法设计

5．4 GATT层Profile设计

5．5本章小结

第6章Android应用程序设计

6．1 Android系统架构的研究分析

6．2总体方案设计

6．2．1软件功能界面设计

6．2．1对象设计和文件组织

6．2．3各对象之间的交互设计

6．3 Android平台BLE通信程序设计

6．4本章小结

第7章实验测试和结果

7．1 BLE通信测试

7．2低功耗测试

7．3计步精度测试

7．4心率采集精度测试

7．5本章小结

8．1总结

8．2展望

参考文献

致谢