一种可刷卡健康手环的设计

引 言

现今的智能穿戴设备是指可直接穿戴或和衣物、鞋帽等合为一体的，并可以通过内置软件和云端数据进行交互，同时对使用者产生一定影响的小型电子器件[1]。目前市场上的智能穿戴设备可谓琳琅满目，不论是令人向往的头戴式虚拟现实设备，还是多种多样的智能手表和手环，抑或是直接穿在脚上的智能跑鞋，它们都将智能化带到一个新的高度，为智能化开拓了一个新的领域。

智能化和小巧化是智能设备的发展趋势，对于本文将要介绍的手环来说，它具备了便携而不简单，小巧实用且功耗较低的特点，除了一般手表都具有的时钟功能，它还能够监测佩戴者的心率，并在适当的时候给予提醒 ；另外，考虑到目前一人持有数张磁卡的不便性，我们将IC卡扩展到该手环上，让其成为一种消费方式，不仅方便美观，也起到了为人们“减负” 的作用。

1 系统结构

本系统主要由主控制器、IC 卡、心率监测和 GSM 部分与GPS 部分这几大结构组成，系统的总体结构如图 1 所示。

手环内的心率传感器一直在监测人体体征，一旦发生异 常，MCU 接收到指令，立刻驱动 GPS 获取当前地理位置并 通过 GPRS 连接网络地图，把位置信息以短信形式发送到固 定的移动通讯设备上 ；另一方面，该手环系统内置 S50 卡，即 采用 NXP MF1 IC S50 制作的非接触智能卡，能够与阅读器 配合进行交易，比如公交地铁刷卡，电子门票等。

1.1 主控制器

主控制器选用的是基于ARM Cortex-M 内核的 STM32 系列。本文所介绍的系统采用了STM32F103，是由TI 公司推出的 32 位微处理器，72 MHz 主频，支持 2.0–3.6 V 电压供电， 具有睡眠、停机和待机等低功耗模式，在待机情况下电流仅为 2 uA 左右[2]。同时，它具有丰富的I/O 资源和片内外设： 多达 51 个快速 I/O 端口均可以映像到外部中断，且具有多种输入输出模式；2 个 12 位的模数转换器及16 个外部输入通道， 灵活的 7 路通用DMA 也为该芯片增色不少[3]。

1.2 心率监测

1.2.1 检测原理

传统的心率测量方法主要有三种 ：一是从心电信号中提取 ；二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算 ；三是光电容积法。前两种方法提取信号时都会限制使用者的活动， 如果长时间使用会增加其生理和心理上的不舒适感。而光电容积法作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有使用简单、

佩戴方便和可靠性高等特点。

光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造 成透光率不同来进行心率测量的[4]。当光束透过人体外周血管， 由于动脉搏动充血容积变化，导致这束光的透光率发生改变， 此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信 号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而呈周期变化 的信号，动脉血管的容积也周期性变化，因此光电变换器的电 信号变化周期就是脉搏率。

1.2.2 硬件电路

此系统使用了光电式心率传感器， 该传感器采用了AM2520 绿光 LED， 峰值波长为 515 nm ；而光接收器为APDS-9008 环境光感受器，感受峰值波长为 565 nm ；两者的峰值波长相近，灵敏度较高。此外，由于脉搏信号的频带一般在 0.05 ～200 Hz 之间，信号幅值小，在毫伏级水平，容易受到干扰。因此，在信号采集之后，还需要通过滤波电路、放大电路来滤除干扰，获取较为准确的脉搏信号。电路原理图如图 2 所示。

1.3 预警机制的设计 

该系统的通信部分使用的是 SIMCOM 公司的 sim908 集 成芯片，它是一款集成 GPS 导航技术完整的四频 GSM/GPRS 芯片，将 GPRS 和 GPS 整合在 SMT 封装里，为客户实现内 嵌 GPS 的应用显著节省了开发时间和费用。整块芯片的工作 电压为 3.2 ～ 4.5 V，低功耗，能够实现短信、语音、GPRS 数据和 CSD 数据的传输 [5]。 

1.3.1 GPS 与 GPRS 介绍

 GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系统） 的简称，以全球 24 颗人造卫星为基础，是指利用定位卫星在 全球范围内实时进行定位的系统，最早由美国国防部研制，具 有全方位和高精度的特点，综合定位的精度可达厘米级别，目 前民用领域则只开放了 10 米左右的定位精度。

GPRS 是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，是全球移动通信系统（GSM）的延续和发展， 不同于以往占用整个频道来传输数据的方式，GPRS 是封包式 传输，使得信道资源得以共享，提高了资源的利用率 [6]。它能 同时兼容电容型数据和分组交换数据，连接因特网。 

1.3.2 预警机制的实现 

手环可使用该系统的通信部分与外界联系而实现预警 功能。当心率监测部分发现人体脉搏不稳定，处于异常状态 时，就向处理器发出异常信号 ；处理器接收到信号之后，驱 动 GPS 部分获取当前经纬度坐标 ；系统的软件设计部分已经 添加了高德地图的 API，可以把经纬度坐标转换为地图上的 地点标识，给出网址链接。由于采用的是集成 GPS/GSM 的 SIM908 芯片，手环就能够把网址链接以短消息的形式发送到手机上，起到了预警作用。

 1.4 刷卡实现及结构设计 

无线射频（RFID）技术普及已久，它改变了人类的生活 方式，对科技发展造成了长足的影响，目前该项技术也非常成 熟。该系统中的刷卡功能就是采用了 RFID 技术，使用的是 Philips 电子公司生产的 Mifare 1 S50，该卡的 RFID 芯片所具 有的独特的非接触式接口标准已被制定为国际 ISO/IEC 14443 TYPE A 标准 [7]。

Mifare 1 S50 卡的电气部分由天线和 RFID 芯片组成，天 线为几组绕线线圈，封装到 ISO 卡片中。卡与读写器之间的通 讯采用国际通用的 DES 和 RES 保密交叉算法，保密性能较高。 该卡的工作频率为 13.56 MHz，可在 100 mm 范围内在同一时 间处理多张卡 [8]。 

手环的机械结构主要由显示屏、射频卡、系统 PCBA 和 手环底座及表腕组成，其分层示意图如图 3 所示。由于刷卡 工作在高频范围，这部分的电磁强度比较大，射频卡和系统 PCB 之间增加一个隔离层，以便减少电磁干扰。

1.5 电源管理 

生理信号的特点是信号幅度特别小，往往都是微伏或者 毫伏级别，信噪比极其微弱，因此一个小小的干扰都会超过 生理信号大小而将其淹没。而这些干扰包括运动干扰、环境 光干扰、电磁干扰和工频干扰等。其中，来自电源的工频干扰 是最主要也是最容易让人忽略的干扰源 [9]。 

我们平常使用的 220 V 交流市电并不纯净，里面含有很 多噪声，这些噪声可以通过电源线窜入心率测量的系统电源， 影响传感器的工作环境导致输出不正常。工频干扰示意如图 4 所示。

为解决上述问题，系统采用锂电池供电，在充电过程中 使用电源管理芯片控制整个充电流程，读取电池电量，实现过 低提醒、充满自动断电等功能 [10] ；锂电池放电电路与滤波电 路结合，使传感器得到更纯净的电源。 

2 系统工作原理 

系统的工作流程如图 5 所示，其中字母“S”表示系统接收到的触发信号类型，“S1”、“S2”、“S3”、“S4”分别代指电 磁波信号、体征信号、GPS 触发信号和 GSM 触发信号。 

当系统开始工作时，如果有与手环内置 S50 卡相对应的 阅读器发出电磁波信号，该 IC 卡便能感应到而且与之相匹配， 完成读卡或写卡等操作。与此同时，系统也一直在监测人体的 心率特征，当心率处于正常范围时，便显示在手环的 LED 屏 幕上 ；当人体发生异常，心率不齐时，便发出信号触发 GPS 模块获取使用者当前的位置 ；GPS 一旦被触发并且完成获取 地理位置的操作后，它便告知控制器触发 GSM 模块开始工作， 即将此刻的位置信息以短消息的形式发送到预先设定好的通 讯设备上。

3 系统实际工作情况 

3.1 功耗测试 

在实际工作情况下，采用 5 V 电压供电。其功耗情况如 表 1 所示。从表 1中可以发现，在一个工作周期中，系统工作 状态的最大功率为 0.75 W，而处于休眠状态时只有 0.10 W。 因此，手环的整体功耗较低。

3.2 心率数据 

为了测试该手环所具备的心率监测功能的准确性，对测 试者同时用听诊器和本文所设计的手环对脉搏进行计数，得 到如表 2 所列的心率数据。

在实际测量时，人工使用听诊器的测量数值与手环自动 测量的数值相比，有一定的误差，平均误差值为 1.8，在允许 范围之内。这种误差可能也是由于人工测量时的起始时间和终 止时间把握不准导致的。

3.3 定位测试 

用信号发生器给心率监测部分提供一个频率为 100 Hz 以 上的信号，让手环采取预警机制，进行定位和短信发送。测试 结果如图 6 所示。

4 结 语

本文所设计的手环不但实现了对人体体征信号——心率 的监测，能够针对特殊情况采取预警机制，防止意外的发生 ； 还结合了射频刷卡功能，小巧实用，此外，系统设计整体无外 部指令输入，使用方便 ；数据测量准确度较高，应用性广泛 ； 系统结构较精简，便于维护。 

该手环适合于家庭中的婴幼儿及老年人使用，让家人随 时随地了解他们的安全状况 ；也适合用于医院，构建一个关护 和消费系统，为患者提供自动化和人性化的服务。