论文总字数：16716字

目 录

1 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2课题意义 1

1.3课题目的 1

1.4传统简易脉搏测量 2

1.5国内外现状 2

1.6可穿戴方案 2

1.6.1传统方案 2

1.6.2显示方法的精进 3

1.6.3供电方式的精进 3

1.6.4蓝牙的改进 3

2总体设计方法 3

2.1总体流程 3

2.2 Pulse传感器 3

2.2.1前言 4

2.2.2采集脉搏信号的集方法 4

2.2.3光电容积法和振动式pulse传感器 4

2.2.4传感器的比较 4

3下位机设计 6

3.1芯片的选择 6

3.2 cc2540单片机 6

3.3系统总体电路方案 6

3.4供电电路 7

3.5蓝牙设计方案 7

3.6内部AD转换 8

4单片机软件设计 9

4.1主程序流程图 9

4.2串口程序 9

4.3时钟设置 10

4.4定时器设计 10

4.5低功耗设计 11

4.6电路仿真设计 11

5智能机客户端 13

5.1 IOS系统 14

5.2 IOS应用的开发环境 14

5.3 IOS开发语言 14

5.4用户界面设计 15

5.5蓝牙通信程序方案 16

6 测试结果 18

7 总结 20

参考文献 21

致 谢 22

基于ios的可穿戴式脉搏信号采集系统

徐金艳

，China

Abstract：With the development of wearable devices, smart phones start to play an important role in the improvement and convenient of medical treatment. This paper shows a design of wearable pulse monitoring system based on ios platform and designs the corresponding software and the product.The paper introduces the advantages of CC2540 and buletooth 4.0 compared with others.The paper used type photoelectric volume pulse sensor to achieve pulse acquisition .This research can collect the picture and the number of pulse.It also deeply describles the process of the development. According to the simulation result, this plan has high reliability and validity.

Key words：ios；pulse；wearable; iphone

1 绪论

1.1课题背景

由于经济的发展，人们的生活质量也是越来越好，不论衣食住行还是其他的生活方面都在不断提高，但是伴随而来的也有疾病比如有的甚至被称为是‘富贵病’。所以，对于各种疾病的检测考验着医学科技的发展。长久以来，电子科学技术飞速发展的同时令人们研究科技代替人工的方向有巨大热情。

现如今的很多临床医学上的疾病，有很多疾病的症状与脉搏有关。可见，对病人脉搏的检测是一个不可缺少的步骤。在中医中，更是将脉诊作为一个重要步骤，将其结果作为重要参考。这种现状迫使研究开发者们开发出更加精确，有效的检测设备。随着近年来科学技术的飞速连续进步，设备的功能，性价比也在连续地提高。去医院看病排队每次都要消耗很多时间，随身可穿戴设备的出现就可以大大减少这方面时间的浪费，提高效率，因此，研究可穿戴设备之路是不可避免的一个潮流与趋势。

如今，电子市场是智能产品的市场，智能手机，智能机器人，连电饭锅也有智能预约。可见智能机已经由少数人拥有变成大众化商品。现代人越来越倾向于便捷生活，简单步骤，她们希望智能的东西可以代替大多数工作以节省有些不必要的时间。

随着科技的发展，现如今可穿戴设备人们也变得熟悉起来。苹果手表、穿戴式计数器、穿戴式能量消耗器、三星手环等逐步引起一波“可穿戴”的趋势。此类设计不光能够被使用者随身佩戴，还能与智能机相连进而与网络进行连接，实现更多功能。如今大众对能够便携穿戴的科技产品充满热情，紧跟潮流的厂家正在将本身的成品创新为能够穿戴科技设备。例如新兴开发的可穿戴意念力头箍，不仅体积小易便携，还能够通过无线网进入网路，手机上有APP，让你的头脑放松，记录其活动特征。还有创新型的蓝牙眼镜耳机，可以通过蓝牙从而连接智能手机的客户端，从而让用户听歌打电话，一应俱全。

1.2课题意义

虽然现在医院并不缺乏各类监测设备，但是对于一些小的方面的监测如脉搏等并非一定要去医院检测，假如每次都要去医院这就浪费时间与精力。所以，一款便携的监测设备可以减少这方面的资源浪费。一般这类便携式设备价格并不昂贵，这样小的卫生院，小区医院也可以配备使用。这种革命性改革可以为病人，医疗带来便利。如果尝试将医学监测与各种smart phones相联系，还可以为将来的远程医疗巩固基础。

各种生理信号中最有意义的不过为心电图信号与心跳信号了，并且对于临床医学研究起到很大帮助以及参考意义。医生能够参考患者的心跳与心电信号对疾病作出预先判断，同样病人也能依据心跳，心电信号简单了解自身的情况。本课题关键在于脉搏信号，试图把心跳脉搏信号的图像全部显现给医生，从而，医生可以进行准确的诊断。此外怎么利用脉搏波的图像和频谱分布来满足诊断要求，不是本设计的目标。

1.3课题目的

医学上的设备的不断进化，与电子产业的不断发展是不无关系的。各种性能不同的新兴传感器时不时地涌现，并且它们的精度不断提高，速度高并且性能也高的单片机体积逐渐变小，如此的发展也进一步更新的医院的医疗设备，一次又一次的发展了医疗技术。本文目的在于研究一种适合家庭，个人尤其是事务繁忙或者不便去医院进行检测的人群来便捷使用的可穿戴式低消费的系统来进行脉搏信号采集。

本设计的主要流程：采集脉搏信号并满足智能机与下位机的实时通信、编写同时补充改善手机客户端(以实现蓝牙实时通信）、系统调试。与此同时，努力改善产品从而缩小系统的体积、并且降低使用成本，减少系统的能量消耗，真正能实现便携，可穿戴。

1.4传统简易脉搏测量

血液是因为心脏的收缩挤压而进入心室的主动脉，然后进去人体全身的主动脉。人体动脉是富有弹性的，由肌肉和组织构成的回路，可以进行伸缩。当突然有一定量的血液进去血管，使血管一下伸张起来时，在人体表面皮肤薄一些的地方可以轻易体会到这种扩张，这就称之为脉搏。

在过去，医生通过不同的身体部位的搏动如手腕，足底，手臂来体会气血流动因而产生的体表博动即脉搏。普通人自己也能完成测量的最普通方法便是测量手腕脉搏。只需用自己的右手的两三个手指，放到左手的大拇指的最下面和手腕连接的一指宽的位置可以摸到动脉搏动。但是，这种测量方法存在很大误差，因为运动与静止就有很大差别，虽然比较方便简易，但是结论一般不具备权威性。

1.5国内外现状

近年来，国内外致力于研究不同类型，不同功能的脉搏测量仪器，也因此有了不小的进步，脉搏测量不仅仅是人工测量与听诊器测量这两种传统而又简易的测量方法，相反，现在的脉搏测量因为先进的电子技术可以进行更为精确的检测。电子技术的发展带动了测量技术的发展，将先进的理论付诸于实践，使脉搏测量仪功效增强，经济实惠从而有推广价值。在测量心跳的各种仪器的发展中，关键部分是对脉搏传感器的研究。

最近新兴的一种探测仪器是探测部分不进去人体也不会造成人体有损伤，但又可以自行消除测量仪器本身的误差，从而能提高测量精度，通常这类仪器在体外，在人体外部测量人体生理等参数的变化。

例如苹果手表（Apple Watch）是使用的红外光和LED绿光，并且使用与这两种光相对于的光传感器来检测脉搏。当人体温度在15摄氏度（59华氏度）之下的低温时，利用绿光传感器所检测到数据会更为的精确。苹果手表的绿光模式是每隔一分钟进行一次监测，但是红外光运行模式是每隔十分钟进行一次监测来采集人体相关的脉搏，心率的数据。在一个叫健康的APP中你会发现收集并经过分析的数据，从而作为用户消耗的热量（卡路里）的依据，并且该软件还能有反应心率的变化从而间接反应出运动的强度。

而对于三星gear s2手表，是借助自带的红外功能通过测量血液流速来换算成心率的。将手表带于手腕处，通过手表内程序就可以显示出实时脉搏信息。

对于市场上现有的几款运动手环，采用了光电容积脉搏波描述法记录脉搏，大多数都是通过绿光传感器LED来对皮肤下的血流动情况作出分析。

1.6可穿戴方案

1.6.1传统方案

对于测量心率，我们应该都是很熟悉的，从小到大不论是在医院还是学校都有这种经历，例如，学校每学年的健康测试中，会先让大家进行一些运动，比如踩箱子模仿上下楼梯，运动一段时间后，通过夹指式脉搏测量仪器来检测脉搏跳动。虽然夹指式脉搏测量仪器相对于大型的仪器已经精简不少，但是它任然需要高电压，多以大家只能够先集合再一起测脉搏，这就很浪费时间了。这些不便之处的原因大概有以下两个：显示方面与供电方面。对于传感器方面，其实算是功能便利的，但设计者追求更直接的功能，会增加显示屏。因此体积的增大不可避免，成本也会增加。通常的设备是采用220伏供电的，这样使用仪器不得不跑到有插座的地方才能进行。

1.6.2显示方法的精进

本方案通过删除原有设备设计的显示模块，直接利用使用者的智能机来展现图像。用智能机的好处在于：智能机仅是用来临时当做显示屏使用。此种方法使得在减小产品体积时又减少了生产成本，并且更关键的是这符合如今智能设备普遍这一大潮流。

1.6.3供电方式的精进

可穿戴设备，不仅要缩小设备体积，供电方式也应变为利用电池，进而给设备提供电源。如果采用降低通常的220伏电压来作为电源电压，产品便没有可携带性。Li电池便不非要让电源直接供电，不过当设备的消耗比较多时则利用到的锂电池便不能忽略它的重量和体积，所以本方案使用了超低功耗芯片，这就可以使功耗减小至最少。

1.6.4蓝牙的改进

因为是要与IOS系统进行数据的传输，所以普通蓝牙2.0并没有完成此功能的能力，因此要选用蓝牙4.0才能与Iphone4s等配有IOS系统的设备来传输数据。此外本设计为了便捷可穿戴，采用了BLE低功耗蓝牙。这种BLE低功耗蓝牙正如它所说的，功耗会更低，数据传输也更加安全，传输范围更广因此其实用程度高。低功耗蓝牙是通过低功耗蓝牙模块的主透传协议模块实现可替代手机设备与从透传协议模块连接，从而实现透传功能或者直接驱动设备的功能。

2总体设计方法

2.1总体流程

如图1，本系统由pulse sensor、cc2540芯片硬件集成蓝牙部分和手机客户端等构成。

电压信号

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