基于伽利略的心跳采集系統(tǒng)

1 介紹

本文介紹了心率檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括硬件模塊和軟件模塊。硬件模塊負(fù)責(zé)了心跳信息的收集、處理和發(fā)送;軟件模塊即為運(yùn)行于Android平臺(tái)上的客戶端，用以接收硬件模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并記錄和顯示，它的另一項(xiàng)重要功能就是判斷使用者是否在做有氧運(yùn)動(dòng)。軟硬件系統(tǒng)利用藍(lán)牙相互通信。

整套系統(tǒng)可以在兩種運(yùn)行模式下工作：全功能模式和低功耗模式。這兩個(gè)模式的切換可以在客戶端上控制。在全功能模式下，系統(tǒng)把收集到的心跳數(shù)據(jù)加以分析，得出心率信息，然后把心率信息和心跳波形數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給客戶端，客戶端接收到這些數(shù)據(jù)后一方面把心率信息顯示出來(lái)，另一方面把心跳波形顯示在客戶端的界面上;在低功耗模式下，系統(tǒng)停止心跳數(shù)據(jù)的傳送，在客戶端上不需要處理心跳波形數(shù)據(jù)，從而使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量降低，也減輕了系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，這樣系統(tǒng)達(dá)到我們需求的同時(shí)，可以更加省電。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

圖1是我們的整個(gè)系統(tǒng)，圖4為伽利略開發(fā)板，圖2的模塊是pulse sensor 心率傳感器，圖5是藍(lán)牙模塊HC-06，圖1試運(yùn)行在英特爾架構(gòu)的安卓平臺(tái)上的客戶端。pulse sensor通過(guò)收集人的心跳波形，然后傳給伽利略開發(fā)板進(jìn)行處理，提取出心跳波形中包含的心率信息，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送給安裝有我們客戶端的智能手機(jī)。客戶端名字為：Hsport(healthy sport)，它接收硬件平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后把心跳波形顯示于界面上得到一個(gè)區(qū)域內(nèi)，把心率信息也顯示出來(lái)，另外客戶端還通過(guò)分析傳過(guò)來(lái)的心率信息，判斷用戶是否在做有氧運(yùn)動(dòng)，并給用戶相應(yīng)的提醒。

3 原理分析

3.1 硬件模塊

3.1.1 件需求

(1)pulse sensor

pulse sensor 是利用光容積法獲取人體的心跳信息的，主要是在人體的指尖或者耳垂上檢測(cè)，這個(gè)是光容積法的一個(gè)局限之一，但是它精確快速和人體沒(méi)有直接的接觸。pulse sensor是一款開源硬件，原本是利用在Arduino開源平臺(tái)上的，如果和Arduino配套使用，官方會(huì)提供可以直接利用的源代碼、運(yùn)行于多種平臺(tái)上的客戶端(Windows，Linux, Mac)。pulse sensor 只有一根信號(hào)線，從信號(hào)線以模擬信號(hào)的形式傳出采集到的心跳波形。

3.1.2 Intel Galileo

Intel Galileo是Intel專為移動(dòng)電子開發(fā)提供給的開發(fā)板，在硬件接口上兼容Arduino。Galileo搭載Quark SoC X1000處理器, Quark 系列的處理器強(qiáng)大，微型并且低功耗、可用于互聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備等未來(lái)廣闊的電子領(lǐng)域中，它功能非常強(qiáng)大是32位單核單線程的奔騰結(jié)構(gòu)的處理器，最高速度為400Mhz。

3.1.3 藍(lán)牙模塊HC-06

我們選擇的是HC-06藍(lán)牙從機(jī)模塊，支持藍(lán)牙2.0協(xié)議。藍(lán)牙模塊可以和任何擁有藍(lán)牙功能的設(shè)備連接通信。我們用它來(lái)和運(yùn)行客戶端的手機(jī)進(jìn)行通信。

3.2 硬件運(yùn)行機(jī)制

利用上述的三大模塊，我們可以構(gòu)建出如圖6的硬件系統(tǒng)。

pulse sensor 采集心率信息 送入Galileo平臺(tái)上，然后Galileo平臺(tái)對(duì)心跳波形進(jìn)行處理，通過(guò)藍(lán)牙模塊給客戶端。藍(lán)牙模塊通過(guò)UART串口控制。Galileo處理的關(guān)鍵點(diǎn)就是計(jì)算兩個(gè)相鄰的心跳脈沖之間的間隔時(shí)間，利用這個(gè)間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算每分鐘的心跳次數(shù)(心率)，我們利用MATLAB輔助工具來(lái)模擬和驗(yàn)證我們的算法。具體如圖7所示。

首先對(duì)pulse sensor傳進(jìn)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采樣上圖綠色波形即為經(jīng)過(guò)采樣的心跳信號(hào)，然后通過(guò)和一個(gè)閾值比較，如果心跳強(qiáng)度值超過(guò)閾值，則強(qiáng)行置1，否則置0，所以綠色波形轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色的矩形波，我們?cè)賹?duì)矩形波的上升沿探測(cè)，標(biāo)記處上升沿的時(shí)間，圖8中為紅點(diǎn)標(biāo)出上升沿，通過(guò)計(jì)算紅色點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，就可以計(jì)算出心率了，實(shí)際上我們可以利用心跳波形的最大點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記的，但是兩者的結(jié)果都是一樣的。

4 軟件模塊

客戶端為Android平臺(tái)上的應(yīng)用程序，可以運(yùn)行于x86架構(gòu)的Android平臺(tái)，也可以運(yùn)行于基于ARM的Android平臺(tái)。前面提到過(guò)，客戶端的功能是接收硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后表現(xiàn)在界面上，并且從用戶的心率信息判斷用戶是否在做有氧運(yùn)動(dòng)，給相應(yīng)的提醒。

4.1 界面設(shè)計(jì)

客戶端分為：注冊(cè)界面、系統(tǒng)介紹界面、登陸界面，主界面、藍(lán)牙設(shè)備選擇界面和設(shè)置界面。

主界面有連接按鈕，波形顯示區(qū)(灰色部分)、心率區(qū)(青色部分)、有氧運(yùn)動(dòng)提示區(qū)(粉紅色部分)。

設(shè)置界面通過(guò)設(shè)置是否顯示波形控制系統(tǒng)的工作模式(全功能或者低功耗模式)，并可以調(diào)整年齡，記錄有氧運(yùn)功時(shí)間，設(shè)置波形密度等。

4.2 運(yùn)行機(jī)制

在界面介紹中的圖9為運(yùn)行于全功能模式下的情形，它也表現(xiàn)了用于并未處于有氧運(yùn)動(dòng)。圖8為低功耗模式下，波形停止顯示，也表現(xiàn)了用戶在有氧運(yùn)動(dòng)，底部的一片區(qū)域變?yōu)榫G色，手機(jī)周期性發(fā)出聲音并震動(dòng)。這個(gè)數(shù)據(jù)之所以是71，是因?yàn)槲覀冊(cè)谠O(shè)置界面吧年齡設(shè)置得比較高，因此心率很低時(shí)就被判定為出于有氧運(yùn)動(dòng)。

有氧運(yùn)動(dòng)判別法：進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)心率達(dá)到最大心率的50%-90%，就可認(rèn)定是在進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng) 。最大心率=220-年齡。