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系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括硬件模塊和軟件模塊。硬件模塊負責了心跳信息的收集、處理和發(fā)送;軟件模塊即為運行于Android平臺上的客戶端，用以接收硬件模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并記錄和顯示，它的另一項重要功能就是判斷使用者是否在做有氧運動。軟硬件系統(tǒng)利用藍牙相互通信。

整套系統(tǒng)可以在兩種運行模式下工作：全功能模式和低功耗模式。這兩個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)通過藍牙發(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，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)的運算負擔，這樣系統(tǒng)達到我們需求的同時，可以更加省電。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

圖1是我們的整個系統(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是藍牙模塊HC-06，圖1試運行在英特爾架構(gòu)的安卓平臺上的客戶端。pulse sensor通過收集人的心跳波形，然后傳給伽利略開發(fā)板進行處理，提取出心跳波形中包含的心率信息，通過藍牙模塊發(fā)送給安裝有我們客戶端的智能手機。客戶端名字為：Hsport(healthy sport)，它接收硬件平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后把心跳波形顯示于界面上得到一個區(qū)域內(nèi)，把心率信息也顯示出來，另外客戶端還通過分析傳過來的心率信息，判斷用戶是否在做有氧運動，并給用戶相應的提醒。

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，這個是光容積法的一個局限之一，但是它精確快速和人體沒有直接的接觸。pulse sensor是一款開源硬件，原本是利用在Arduino開源平臺上的，如果和Arduino配套使用，官方會提供可以直接利用的源代碼、運行于多種平臺上的客戶端(Windows，Linux, Mac)。pulse sensor 只有一根信號線，從信號線以模擬信號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 系列的處理器強大，微型并且低功耗、可用于互聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設備等未來廣闊的電子領域中，它功能非常強大是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 藍牙模塊HC-06

我們選擇的是HC-06藍牙從機模塊，支持藍牙2.0協(xié)議。藍牙模塊可以和任何擁有藍牙功能的設備連接通信。我們用它來和運行客戶端的手機進行通信。

3.2 硬件運行機制

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平臺上，然后Galileo平臺對心跳波形進行處理，通過藍牙模塊給客戶端。藍牙模塊通過UART串口控制。Galileo處理的關(guān)鍵點就是計算兩個相鄰的心跳脈沖之間的間隔時間，利用這個間隔時間來計算每分鐘的心跳次數(shù)(心率)，我們利用MATLAB輔助工具來模擬和驗證我們的算法。具體如圖7所示。

首先對pulse sensor傳進來的信號進行采樣上圖綠色波形即為經(jīng)過采樣的心跳信號，然后通過和一個閾值比較，如果心跳強度值超過閾值，則強行置1，否則置0，所以綠色波形轉(zhuǎn)變?yōu)樗{色的矩形波，我們再對矩形波的上升沿探測，標記處上升沿的時間，圖8中為紅點標出上升沿，通過計算紅色點之間的時間間隔，就可以計算出心率了，實際上我們可以利用心跳波形的最大點進行時間標記的，但是兩者的結(jié)果都是一樣的。

4 軟件模塊

客戶端為Android平臺上的應用程序，可以運行于x86架構(gòu)的Android平臺，也可以運行于基于ARM的Android平臺。前面提到過，客戶端的功能是接收硬件平臺的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后表現(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動，給相應的提醒。

4.1 界面設計

客戶端分為：注冊界面、系統(tǒng)介紹界面、登陸界面，主界面、藍牙設備選擇界面和設置界面。

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)、有氧運動提示區(qū)(粉紅色部分)。

設置界面通過設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，記錄有氧運功時間，設置波形密度等。

4.2 運行機制

在界面介紹中的圖9為運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動。圖8為低功耗模式下，波形停止顯示，也表現(xiàn)了用戶在有氧運動，底部的一片區(qū)域變?yōu)榫G色，手機周期性發(fā)出聲音并震動。這個數(shù)據(jù)之所以是71，是因為我們在設置界面吧年齡設置得比較高，因此心率很低時就被判定為出于有氧運動。

有氧運動判別法：進行體育運動時，當心率達到最大心率的50%-90%，就可認定是在進行有氧運動 。最大心率=220-年齡。