老人智能腕帶設(shè)計

電3時坡北至

UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina

課程設(shè)計報告

設(shè)計題目老人智能腕帶設(shè)計

課程名稱

學生姓名

所在學院

指導老師

應用背景：

可穿戴設(shè)備是指人體可穿戴的微型電子產(chǎn)品，通常與現(xiàn)有配飾(如手表)集成或者

取而代之。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，該細分市場正迅猛發(fā)展，因此對于更小型化、更直

觀的設(shè)備的需求也在快速提升?？纱┐鹘】翟O(shè)備剛剛嶄露頭角，未來機遇和影響或許不

可限量。基于可穿戴設(shè)備在醫(yī)療行業(yè)上應用的巨大潛力，我們有所思考：老人摔倒不用

扶，及時做出應答？把醫(yī)院"搬"回家，病人在家如同住院？本設(shè)計希望能夠通過智能腕

帶實時監(jiān)測老人的生理狀態(tài)，將老人健康狀況數(shù)據(jù)實時發(fā)送到云端，進行大數(shù)據(jù)計算分

析，同時給醫(yī)護人員監(jiān)測觀察。

一、預期功能

1.實時檢測老人的體溫、心率、睡眠等生理狀態(tài)并發(fā)送到云端分析，同時基于大數(shù)據(jù)

預測老人的身體狀況或病情發(fā)展，達到未雨綢繆的效果；

2.老人摔倒或睡眠出現(xiàn)異常等較輕癥狀時發(fā)送警報到子女手機上；

3.老人出現(xiàn)突發(fā)重大疾病時將數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院，救護人員通過GPS定位前去搶救。

二、系統(tǒng)整體框架設(shè)計

可穿戴裝置的關(guān)鍵技術(shù)有四：傳感技術(shù)、計算技術(shù)、電源技術(shù)和通信技術(shù)。智能腕

帶即為一個嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為三個層次：硬件層、操作

系統(tǒng)層和應用軟件層。

J(D(

Bd

Md

1<

JAppDriverLightweightAPIs

O

S

Framework

Driver&Middleware&Protocol

os

EmbeddedOS

(LightweightRTOS)

MCUnGPSWi-Fi+BT

圖1

硬件層的具體模塊功能見圖2,主要包括嵌入式處理器或控制器、存儲器、I/O接

口、高效的電源管理系統(tǒng)等。這里采用微控制器(MCU)作為核心部件，根據(jù)采用的MCU可

以在芯片中集成更多的外設(shè)功能。嵌入式微控制器由早期的單片機(SingleChip

Computer)發(fā)展而來，在芯片內(nèi)部集成了處理器、RAM、ROM、I/O、定時器/計數(shù)器、A/D、

D/A等功能部件。所需的MCU應具備以下幾個特點：

?尺寸小，集成度高；

?具有強的實時多任務支持能力；

?具有很強的存儲區(qū)保護能力；

?具有較低功耗。

MCU按性能從低到高分有Cortex-MO到Cortex-M4,且ARM后續(xù)還推出較Cortex-MO

更低功耗更高性能的Cortex-MO+o這里選用Cortex-M0+（圖3）0

Disolav

LCD/OLEDDisplay

DisplayController

令

EmbeddedController

CPU&Memory

PowerManagementOutputDriver

AnalogFrontEndConnectivity

ter/magnetometer

圖2

NettedVectoredUpInccrrupt

InterruptControllerControllerInterface

Memory

ProcecuonWatchpomt

LkvtDebug

BrenkpomtAccess

AHB-lftcLowLatencyPort

MicroTrace

IncerfwI/O

BuHer

圖3

電源管理模塊分為電池、充電裝置和電池校準器。由于可穿戴設(shè)備的電容容量一般

比較小，電池容量為100mAh左右。超低靜態(tài)電流和小封裝電源管理單芯片是個趨勢。

該電源管理芯片需集成線性充電、LD0和DC/DC等功能。LD0和DC/DC給其他模塊供電，

比如藍牙、傳感器、MCU、GPS等。TI的MicroSiP電源模塊TPS82740,它支持200mA輸

出電流、具有95%的轉(zhuǎn)換效率、工作狀態(tài)時的靜態(tài)電流僅為360nA,待機電流為70nA。

它非常適合可穿戴的應用。

重要的子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集或傳感器子系統(tǒng)。根據(jù)器件的類型，其可能是只有幾個

MEMS傳感器的簡單系統(tǒng)，也可能是采用專用傳感器集線器連接相關(guān)傳感器的復雜系統(tǒng)。

MEMS傳感器在用于監(jiān)控人體各方位運動的健身和健康設(shè)備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些傳

感器又稱為運動傳感器。所有這些傳感器都是通過I2C或SPI通信接口提供數(shù)字式運動

信息。圖中此類傳感器包括3軸加速計、陀螺儀、磁力計。

串口通信模塊還可以通過12c總線實現(xiàn)與GPS、Wi-Fi和低功耗藍牙的連接，Wi-Fi

用于接入互聯(lián)網(wǎng)，實時傳送數(shù)據(jù)到云端，低功耗藍牙用來與子女手機相通信，老人出現(xiàn)

輕微癥狀可及時通知身邊的子女，同時從手機端也能看到老人的身體狀況統(tǒng)計信息。

模擬傳感器包括心率、體溫、血糖、睡眠監(jiān)測等傳感器。模擬傳感器需要稱為模擬

前端(AFE)的特殊組件。AFE包含運算放大器、濾波器和ADC,其用于將模擬信號調(diào)節(jié)

并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便于CPU處理。該功能有時可與CPU集成，亦可以與傳感器芯片

集成。

LED、蜂鳴器和振動電機等UI元件可以幫助實現(xiàn)設(shè)備向用戶提供的提醒與反饋。舉

例來說，當老人在做噩夢或在最佳睡眠喚醒時間時振動電機啟動以振醒老人。脈寬調(diào)制

(PWM)對驅(qū)動這些元件的關(guān)鍵。PWM可用于實現(xiàn)調(diào)光等各種LED效果，而且還能提供實

現(xiàn)觸覺反饋的各種振動效果。如果在固件中實現(xiàn)，這些技術(shù)需要精確的定時和頻繁的CPU

處理。因此，關(guān)鍵是選擇支持硬件PWM的處理器/控制器。

嵌入式軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件即運行于嵌入式硬件平臺之上的嵌

入式操作系統(tǒng)。鑒于醫(yī)療監(jiān)測需要保證實時和快速應答，這里嵌入式操作系統(tǒng)選用的是

輕量級的RTOS(real-timeoperatingsystem),實時操作系統(tǒng)RT0S的優(yōu)點是消耗系統(tǒng)

資源少、耗電量小、通常無延遲，缺點是功能和軟件相對固定，功能擴展較復雜。由于

醫(yī)療可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)分析使用大數(shù)據(jù)的算法，十分復雜，我們將數(shù)據(jù)分析送給云端處

理。故在智能腕帶內(nèi)部只需要完成基本的數(shù)據(jù)采集、簡單處理和傳輸?shù)裙δ芗纯?，無需

高級的操作系統(tǒng)。

APIs(ApplicationProgramInterfaces)可以實現(xiàn)調(diào)用通信功能：Wi-Fi和低功

耗藍牙(Bluetooth4.0)o應用軟件層通過驅(qū)動和App實現(xiàn)具體功能的運行。

三、硬件設(shè)計

功能列表

?一、傳感類:二、通信類:

?1、心率監(jiān)測1、藍牙4.0

?2、睡眠監(jiān)測2、WI-FI

3、GPS

?3、體溫監(jiān)測

?4、血糖監(jiān)測

?5,跌倒報警

（1）MCU

使用芯片：Cortex-MO+

結(jié)構(gòu)框圖：

AHB-LiteinterfacetSingle-cycle^SerialWireor

*OptionalcomponenttosystemI/OportJTAGdebugport

特點：

1、能效最高的ARM處理器

由于具有一種優(yōu)化的架構(gòu)，而該架構(gòu)具有一個僅有兩級的流水線，Cortex-M0+處理

器可達到僅11.2uW/MHz的功耗（90LP工藝，最低配置），同時將性能提升至2.15

CoreMark/MHz。

2、簡單

Cortex-M0+處理器保留了Cortex-MO處理器的56個指令，從而使開發(fā)變得簡單

而快速。Thumb?指令集提供了無法匹敵的代碼密度，同時提供了32位計算性能。這

些功能的組合使得Cortex-M0+能夠順理成章地在很廣大的應用領(lǐng)域里成為8/16位系

統(tǒng)經(jīng)濟實用的升級換代產(chǎn)品，同時它還保留了與更強大的Cortex-M3和Cortex-M4處

理器的工具和二進制向上兼容性。

3、多功能性

每種應用都是不同的，都有其特定需要。為了使我們的合作伙伴能設(shè)計出應用最為

廣泛的解決方案，Cortex-M0+處理器提供了十分豐富的功能。其中許多功能（如內(nèi)存

保護單元和可重定位的矢量表）對于Cortex-M3和Cortex-M4處理器來說是共同的;

其他功能則為該此款新的處理器所特有，即用于提高控制速度的單周期I/O接口和用

于增強調(diào)試的MicroTraceBuffer□

Cortex-MO+Cortex-MO

Staticpower0.95uW0.96uW

Dynamicpower11.21uW/MHz16.36uW/MHz

（2）傳感器功能模塊

1、心率監(jiān)測

原理：

當一定波長的光束照射到皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收

器，在此過程中由于受到指端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度

將減弱，其中皮膚肌肉組織等對光的吸收在整個血液循環(huán)中是保持恒定不變，的而皮膚

內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也

最大，檢測到的光強度最??；而在心臟舒張時正好相反，檢測到的光強度最大，使光

接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉(zhuǎn)換成電信號便可獲得

容積脈搏血流的變化。

原理示意圖：

傳感器使用:

NJL5303RCOBPPHOTOREFLECTORwithGreenLED

（集成了波長570nm綠光二極管、光感應傳感器）

優(yōu)點：

1、相比傳統(tǒng)的采用紅光的二極管,

綠光更適合測量脈搏用，反射率

更高，測量感度更高；

2、內(nèi)部集成高科技納米涂層環(huán)

境光檢測傳感器，過濾不需要的

光源，減少由其他光源干擾的誤

判動作，準確度高。

PCBPattern

使用接口:I2C/SPI

2、睡眠監(jiān)測

原理：

內(nèi)置加速傳感器，通過傳感器和手腕的接觸，來監(jiān)測人的動作，智能腕帶主要通過

體動頻率獲知睡眠的狀態(tài)，動作多說明睡眠淺，深度睡眠用戶體動相對較少。配以心電

監(jiān)測功能，結(jié)合軟件算法，能夠比較精確的得出用戶睡眠過程的圖譜。

?睡眠深度一般是以身體活動減少和感覺靈敏度降低作為衡量指標的，目前對于睡眠

深度的精確測量還是比較困難的。

?睡眠監(jiān)測是通過傳感器監(jiān)測人的動作，以系統(tǒng)的計算方式進行累計計算，每2分鐘

記錄一次合計值，與此同時的姿勢數(shù)據(jù)得到記錄。通過計算來判斷睡眠狀態(tài)。

?深度睡眠只占據(jù)睡眠時間的25%,也被稱作"黃金睡眠只有進入深度睡眠狀態(tài)

的中睡期、深睡期以及快速眼動睡眠期，才對接觸疲勞有較大作用。（除了這幾個時

期，還有淺睡、輕睡時期，大約占睡眠時間的55%）

傳感器使用：

LIS3DH三軸加速傳感器

Figure1.Blockdiagram

SDAl2Cserialdata(SDA)

SDISPIserialdatainput(SDI)

SDO3-wireinterfaceserialdataoutput(SDO)

SDOSPIserialdataoutput(SDO)

SAO12clesssignificantbitofthedeviceaddress(SAO)

SPIenable

CS

l2C/SPImodeselection|(1:l2Cmode;0:SPIenabled)

(BOTTOMVIEW)

使用接口：I2C/SPI

3、體溫監(jiān)測

原理：

通過溫度傳感器，時刻測量體表溫度，將數(shù)據(jù)傳送到MCU,并通過藍牙傳送到智能手

機。根據(jù)一定的算法，將采集到的溫度信息進行一定的校正，一旦校正后的溫度出現(xiàn)異常,

則發(fā)起報警。

傳感器使用：

型號：AT30TSE002B-MAH-T

傳感器測量溫度范圍是:-20~+125度，

分段精度：在+75℃~+95°C時精度為±『C

在+40°C~+125°C時精度為±21

在-20°C~+125°C時精度為±3℃

此溫度傳感器在一秒內(nèi)至少刷新溫度寄存器的值8次以上，即刷新時間最大是125ms刷新

一次，正常情況是75ms刷新一次值。

Figure1-1.BlockDiagram

SCLKEVENTAOA1A2

PinNameDescription

AO,A1,A2AddressInputs8-WDFN

Serial向3~二＞

Vcc□81匚AO

EVENT□72匚

SCLSerialClockInput

SCL□63匚

□54CGND

TemperatureAlertEVENT

GNDGroundBottomView

VccPowerSupply

使用接口：I2C/SPI

4、跌倒報警

原理：

老人摔倒時，他那一瞬間的運動肯定與正常睡覺的狀態(tài)不一樣。最明顯的就是手部的傳

感器重力加速度很快，而且與腳部在相近的水平線，全身都處于重力不平衡狀態(tài)。

傳感器使用：

LIS3DH三軸加速傳感器（見2）

使用接口：I2C/SPI

5、血糖監(jiān)測

原理：

無創(chuàng)式血糖儀的背面通過一層凝膠墊與人體皮膚接觸。（凝膠，是一種介于固體與液體

之間的物質(zhì)形態(tài)，不會像液體一樣流動，卻能夠讓溶解在其中的不同大小的分子，在電場的

作用下穿過。）凝膠中有兩個電極，使用時電路接通，產(chǎn)生一股微電流通過人體的皮膚。皮

膚中的帶電離子在電流作用下分別向正負兩個電極運動，而組織液中的葡萄糖分子會被帶電

離子“裹夾”著一起運動，進入凝膠。

無創(chuàng)式血糖儀通過測量葡萄糖分子與凝膠中一種酶（葡萄糖氧化酶）的反應程度，就可以

計算出當前的血糖水平，測量結(jié)果就可在屏幕上顯示出來。

傳感器使用:

葡萄糖傳感器

使用接口：I2C/SPI

（3）無線通信模塊

1、藍牙4.0

目的：

由智能腕帶所采集到的生理信息，通過A/D轉(zhuǎn)換后，最終會由藍牙講數(shù)據(jù)傳送到使用者

的智能手機端，并通過手機端強大的APP及相應算法進行處理，并進行圖形化的數(shù)據(jù)分析，

給出相應的建議。

使用模塊：

NordicnRF8001

采用nBlu解決方案的nRF8001峰值電流不12.5mA、連接狀態(tài)下的平均電流很小，不到12|1A

（連接時間間隔為1秒）非常適合空間受限制、由鈕扣電池供電的應用系統(tǒng)，這些正是低耗

能藍牙技術(shù)所針對的用途。

NonVolatile

Memory

Volatile

Memory

PHY

鹵由由

Figure1.nRF8001blockdiagram

TXDDigitaloutputUART(transmit)forBluetoothlowenergyDirectTestMode

Interface.Leaveunconnectedifnotinuse.

VSSPowerGround(0V)

VDDPowerPowersupply(1.9-3.6V)

RXDDigitalinputUART(receive)forBluetoothlowenergyDirectTestMode

Interface.Leaveunconnectedifnotinuse.

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SWRS126-016

3、GPS

目的：

通過GPS可以定位老人的位置，一旦老人走丟，可以通過GPS精確定位，而且一旦老

人在外發(fā)生意外，可以根據(jù)將GPS的位置信息發(fā)送給最近的醫(yī)院，以便及時的救援。

使用模塊：

SIRFIII

作

44-GSP3f

公

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CD

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GND

1ll

CNQu

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山Ld5

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（4）電源模塊

為了保證待機時間以及省去充電的麻煩，本設(shè)計的電源模塊采用的是不可充

電式的紐扣電池，其中使用的是3V的南孚CR-2032型號電池。

型號：CR-2032

充電：不可

尺寸：直徑20毫米，厚度3.2毫米（紐扣電池從型號可以看出大小，型號里的數(shù)字，前兩位是直徑，后

兩位是厚度*10,單位都是毫米）

電壓：3V

保存：5年（保存期限，是指電池的電量下降到90%以下的時間）

特點介紹

扣式鋰電池，年平均容量降低不大于2%,儲存壽命長；采用半密封結(jié)構(gòu)，使用安全；溫度適應范圍較

大，在-20至U+60攝氏度的條件下都可正常工作；3V高電壓，輸出電流大，適合功率較大的設(shè)備。

扣式鋰電池，一般典型工作電流在0.1毫安至0.2毫安之間，適用于輸出功率較大（相對于紐扣電池而

言）的設(shè)備上，如手表、電子詞典、主板CMOS電源等。

四、軟件設(shè)計

（1）系統(tǒng)運行流程圖

系統(tǒng)在運行過程當中，各模塊并行，處理器運算速度完全可以滿足要求，電源管理模塊、

傳感器模塊、通信模塊、顯示模塊，其中電源管理模塊有較為成熟的設(shè)計可以參考，傳

感器模塊我們根據(jù)原理，設(shè)計了程序框圖，而其中跌倒警報以及各項監(jiān)測出現(xiàn)異常的警

報都會以最高優(yōu)先級發(fā)出警報，如果藍牙4.0網(wǎng)絡(luò)可用，則立刻發(fā)送位置信息給附近的

救護中心，如果與手機藍牙接通，則以短信形式通知子女，以上警報和各項通知功能可

以手動關(guān)閉。

(2)心率監(jiān)測流程圖

信號處

理子程

返回

(3)睡眠監(jiān)測流程圖

(4)體溫檢測流程圖

（5）跌倒警報流程圖

(6)血糖檢測流程圖

(7)電池管理流程圖

開

五、需求與成本分析

需求背景：

目前，市場上關(guān)于可穿戴的智能設(shè)備越來越多，而且功能越來越炫酷。很多互聯(lián)網(wǎng)公

司都設(shè)計出了各種各樣的智能手環(huán)，智能手表等等，可是智能手環(huán)大多都是檢測人的運動

狀況和睡眠狀況。而且這些可穿戴的智能設(shè)備主要都是針對年輕人來設(shè)計，忽略了老人這

一塊市場。但是往往老人是最需要檢測自身的健康狀況的。同時相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國不少

城市人口老齡化超過10%,預計到2050年左右將達到三分之一。生活水平的提高也使得的

老年人的身體健康得到更多關(guān)注。調(diào)查顯示，72%的子女希望有一定的智能產(chǎn)品能夠幫助父

母省去每日主動測量各種數(shù)據(jù)的煩惱，86%的子女希望能夠借助云服務平臺更好地監(jiān)測父母

的身體狀況，而市場上的主流智能手環(huán)并不適用于老人群體。

成本估算:

功能涉及到的硬件成本（元）

NJL5303RCOBPPHOTOREFLECTORwithGreen

心率監(jiān)測12

LED（綠光二極管、光感應傳感器）

睡眠監(jiān)測LIS3DH三軸加速傳感器5

跌倒報警LIS3DH三軸加速傳感器6

體溫監(jiān)測AT30TSE002B-MAH-T1

不清楚（預估50

血糖監(jiān)測葡萄糖傳感器

元）

藍牙4.0NordicnRF800112

WI-FISimpleLinkCC300075

GPSSIRFIII60

小計221

ARMCortex-M0+15元（左右）

材料費及其他80元左右

總計315元左右

附件資料：

1、部分模塊價格:

WI-FI模塊

CC3000MODR進口原裝正品2013絕