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蓝牙技术

智能健康检测系统设计


智能手表,是可穿戴技术的典型产品,其智能硬件系统结合精确的算法能够实现健康高度智能化监测,并结合即时通信技术,完成定位跟踪、社交分享、网络交互等功能,最终实现“互联网+健康”。

蓝牙低功耗(Bluetooth low energy,BLE)是短距离无线通信标准,蓝牙 4.0 技术(bluetooth smart)在此基础上推出了兼容经典蓝牙协议的新低功耗蓝牙标准(Bluetooth smart low energy,BSLE)。本文基于 BSLE 设计了实用的佩戴式腕表系统,旨在辅助人类保持健康的运动与生活方式。

一、系统模型结构

本文所设计的系统主要分为智能硬件和面向BLE 无线通信技术与安卓客户端的应用软件两大部分。硬件分为内部运行嵌入式实时操作系(free real time operating system,FreeRTOS)(V8.2.3,USA)的微控制单元(microcontroller unit,MCU),并移植了通用的文件系统(file allo-cation table file system,FATFS)模块,即小型嵌入式系统通用的文件配置表(file allocation table,FAT)文件系统模块,用于管理文件和存储数据功能;其次集成了各硬件功能模块——计步器(step)模块、心脏速率监测(pulse sensor)模块、姿态传感器和磁阻传感器模块、闪迪(SanDisk)公司发明的快闪存储器(Micro-SD)卡模块、电源管理模块、液晶显示器(liquid crystal display,LCD)与触摸彩屏模块、实时时钟(real-time clock,RTC)的备用电池模块、移动网络通信模块等。系统的结构和功能如图 1所示。需要说明的是系统电路原理图的准确设计与印制电路板的合理布线会大大提高设备工作稳定性以及功耗等指标。本文聚焦这一问题对智能手表系统进行了标准化设计,提高了系统稳定性。

二、系统软件设计

本文开发平台选用管理多任务的实时操作系统 FreeRTOS,这是一款完全免费也非常成熟的开源操作系统,优点是任务优先级数量不受限制编程更具灵活性,移植方便。本文考虑到主控 MCU没有扩展外部存储芯片的情况,而且芯片内部存储执行代码的内存也相当有限,所以选择了编译生成代码量非常少的 FreeRTOS。同时为了提高运行速度,解决内部存贮问题,本文也将数据融合与任务调度算法安排到服务器端来执行,安卓设备端只做实时的数据存储,有效地解决了移动设备计算能力和容量有限的难点问题。

2.1 算法数学模型

考虑实现难度,选择平均值滤波算法(average filtering algorithm,AFA)并进行改进后应用于本文系统以去除噪声[8]。AFA 模型采用差分方程,如式(1)所示。

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中 aK、bK 为系统差分方程系数,X(K)为系统输入计算值,Y(n)为系统原来状态函数。如果将系数 bK 值取 0,则所得公式如式(2)所示。式(2)中通过分析计算,选择合理的滤波器系数 aK数值,硬件上就可以实现各种功能的数字滤波器。

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如果 Y 的数值设计合理,通过计算 Y 与 X(K)之间误差平方和最小极限值,即得公式如式(3)所示

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由一元函数极限定理可得:

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设输入需要计算值 X(K)包含 Si(信号)与 Ci(噪声),则 N 次滤波后计算信号如式(5)所示。

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2.2 BLE 客户端应用程序数据同步方法

本系统客户端 MCU 通过通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串行口与传感器模块相连接。传感器模块启动后MCU 会自动发送广播码,客户端应用程序(applica-tion program,APP)搜索到广播码即进行连接,成功之后 MCU 通过串口与移动终端之间进行双向通信,传感器数据就被推送给 MCU;MCU 将传感器数据作相应的处理后,客户端 APP 再次开始运行,首先扫描 BLE 模块nRF51822(Nordic Inc.,丹麦)并与之连接,然后主控 MCU 按照一定格式将数据打包后发送给蓝牙模块,蓝牙模块接收后按照BLE协议中的通用总规范(generic attributes,GATT),将数据封装成加密无线信号并发射出去,与之处于连接状态的蓝牙设备将接收到的数据包同样按照GATT 的协议解析,还原出原始数据,提供客户端APP 使用。

2.3  图形用户界面软件设计

本系统的 LCD 图形界面是利用对图片和文字进行特定格式编码后的屏幕驱动取模软件所绘制的。软件运行在 FreeRTOS 的内核上,硬件启动初始化后,程序自动跳转到主函数上执行:首先完成硬件初始化后,创建 FreeRTOS 的一个主任务与来电监听任务。主任务调用相关的 LCD 驱动函数来完成锁屏界面的绘制与显示。用户在指定的屏幕区域完成解锁后,调用相关的 LCD 驱动函数完成主菜单界面显示。主菜单界面代码绘制包含通信录、拨号以及应用三大功能。用户选择进入到不同应用程序,算法会根据触摸屏检测区域判断并执行相应的处理代码,同时创建处理单独应用的FreeRTOS 任务。

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三、结论

本文设计的优点

  1. 实现了心率监测、计步测量、健康运动分析等功能。对比市场上智能手环等智能终端,本系统以具备通话功能与面向移动终端的图形界面为优势;相对于市场上的电话手表,系统具备完善的运动健康监测的功能,而且功耗低,因此本系统具有较强的新颖性和实用性。

  2. 思维创新:系统硬件上的 LCD 图形界面设计采用非移植第三方(独立开发)的图形用户界面库,实现了 LCD 与触摸屏的良性交互与人机友好界面等功能,使系统显示简洁,重点内容突出,而且系统不同功能之间的切换反应迅速。总之,本文研究的智能手表系统将人机交互模式、远程移动通信、传感器和短距离蓝牙通信等新兴技术一体化融合后应用于本系统开发实践。

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