基于老年人健康状况监测的穿戴设备及系统设计研究

摘要

随着人口老龄化问题越来越严重，老年人健康状况问题引起了社会的广泛关注。同时，在物联网快速发展的今天，穿戴式医疗设备也正在悄然兴起，在两者基础上，设计基于老年人健康状态监测的智能穿戴设备及监测平台，具有非常重要的社会意义。针对老年人的健康状况，智能穿戴设备能够实时对人体生理信号进行获取，并传输到手机或者PC端监测系统，对老年人的日常健康监护及生活、医疗机构参考生理数据等方面有重要的实用价值。
　　论文对应用于智能穿戴设备中的低功耗技术进行了分析比较，选择了适用于本次课题的低功耗MCU及低功耗无线传输技术。在无线传输技术中，创新性的使用ZIGBEE无线传输协议，并在后续的工作中对终端节点及协调器节点进行硬件及程序设计。对人体健康生理参数中的心率进行了理论分析，并针对心率的提取方法做了重点的分析和研究。提出了从光电容积脉搏波中提取心率的三种算法，基于时域-峰值的RR间期算法及阈值峰值检测算法，以及基于频域的峰值算法，同时，利用四种滤波方法对获取的心率信号进行滤波处理，并使用处理后的数据借助MATLAB工具实现三种心率提取算法，最后对三种算法的结果进行对比分析并选取在硬件端所使用的心率计算方法。为了实现智能穿戴设备的开发及系统的设计研究，本文对相关的硬件及软件部分进行了研究开发，硬件部分，基于KL25Z开发板，最终在CodeWarrior编程环境下完成低功耗设计，设计了相关的硬件电路，其中包括心率采集电路、无线传输电路、电源电路等设计研究;软件部分，对心率采集的时域-峰值RR间期算法及相关模块的程序进行设计，实现心率波形及心率在上位机的可视化显示。最后，简易提出健康状况监测的PC端监测系统，对组织架构、相关模块、数据库等做简要设计研究。
　　论文完成了对低功耗策略及心率信号采集的结构方案设计，同时提出和建立了老年人健康智能监测的软件平台，是对针对老年人健康智能穿戴医疗的前瞻性探索，对今后的穿戴医疗研究具有一定的促进作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．1．1 人口老龄化背景

1．1．2 智能穿戴的发展背景

1．2 国内外的研究现状

1．3 课题的研究意义及研究内容

1．3．1 课题研究的意义

1．3．2 课题研究任务及内容

1．4 论文章节安排

第二章 智能穿戴设备的低功耗策略

2．1 典型低功耗MCU系列的选型

2．1．1 微控制单元介绍

2．1．2 低功耗MCU系列比较

2．1．3 基于Cortex M0+内核的主流MCU选取

2．2 低功耗的无线传输协议的选取

2．2．1 Wi-Fi通信技术

2．2．2 蓝牙(Bluetooth)技术

2．2．3 ZIGBEE(紫峰协议)通信技术

2．2．4 无线传输协议的选取

2．3 ZIGBEE通信体系

2．3．1 ZIGBEE网络结构

2．3．2 网络协议栈

2．4 本章小结

第三章 生理数据参数的理论研究

3．1 心率介绍

3．2 心率检测的方法

3．2．1 接触式检测方法

3．2．2 非接触式检测方法

3．3 光电容积脉搏波形成原理

3．3．1 朗伯-比尔定律

3．3．2 光电容积脉搏波信号分析研究

3．4 本章小结

第四章 心率信号滤波及提取算法研究

4．1 心率信号的滤波算法

4．1．1 小波滤波

4．1．2 FIR低通滤波

4．1．3 滑动平均滤波

4．1．4 中值滤波

4．1．5 滤波结果分析

4．2 快速傅里叶变换算法

4．2．1 快速傅里叶变换算法原理

4．2．2 快速傅里叶变换算法实现过程

4．2．3 算法结果分析

4．3 阈值峰值检测算法

4．3．1 阈值峰值检测算法过程

4．3．2 阈值峰值检测法结果分析

4．4 时域-峰值的RR间期算法

4．4．1 RR间期检测算法过程

4．4．2 RR间期检测算法结果分析

4．5 三种算法的对比分析

4．6 本章小结

第五章 基于低功耗心率检测的系统设计

5．1 系统硬件设计

5．1．1 系统控制芯片

5．1．2 心率采集电路设计及分析

5．1．3 ZIGBEE模块的设计

5．1．4 电源模块

5．2 系统低功耗软件设计

5．2．1 软件系统开发环境

5．2．2 低功耗模式程序设计

5．3 心率信号采集软件设计

5．3．1 信号采集部分程序设计

5．3．2 时域-峰值RR间期算法

5．4 ZIGBEE数据传输模块软件设计

5．4．1 终端节点程序设计

5．4．2 协调器节点程序设计

5．4．3 ZIGBEE协议栈程序设计

5．5 上位机设计及图形显示

5．5．1 上位机开发环境

5．5．2 上位机程序设计流程

5．5．3 上位机显示结果

5．6 本章小结

第六章 软件平台的设计与开发

6．1 软件平台简介

6．2 监测系统的功能模块

6．3 系统数据库设计

6．3．1 数据库连接

6．3．2 数据库表的设计

6．4 本章小结

总结与展望

1．论文总结

2．论文展望

致谢

参考文献