老人智能腕带设计

电3时坡北至

UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina

课程设计报告

设计题目老人智能腕带设计

课程名称

学生姓名

所在学院

指导老师

应用背景：

可穿戴设备是指人体可穿戴的微型电子产品，通常与现有配饰(如手表)集成或者

取而代之。在物联网技术的支持下，该细分市场正迅猛发展，因此对于更小型化、更直

观的设备的需求也在快速提升。可穿戴健康设备刚刚崭露头角，未来机遇和影响或许不

可限量。基于可穿戴设备在医疗行业上应用的巨大潜力，我们有所思考：老人摔倒不用

扶，及时做出应答？把医院"搬"回家，病人在家如同住院？本设计希望能够通过智能腕

带实时监测老人的生理状态，将老人健康状况数据实时发送到云端，进行大数据计算分

析，同时给医护人员监测观察。

一、预期功能

1.实时检测老人的体温、心率、睡眠等生理状态并发送到云端分析，同时基于大数据

预测老人的身体状况或病情发展，达到未雨绸缪的效果；

2.老人摔倒或睡眠出现异常等较轻症状时发送警报到子女手机上；

3.老人出现突发重大疾病时将数据发送到医院，救护人员通过GPS定位前去抢救。

二、系统整体框架设计

可穿戴装置的关键技术有四：传感技术、计算技术、电源技术和通信技术。智能腕

带即为一个嵌入式系统。本系统的层次结构如图1所示，分为三个层次：硬件层、操作

系统层和应用软件层。

J(D(

Bd

Md

1<

JAppDriverLightweightAPIs

O

S

Framework

Driver&Middleware&Protocol

os

EmbeddedOS

(LightweightRTOS)

MCUnGPSWi-Fi+BT

图1

硬件层的具体模块功能见图2,主要包括嵌入式处理器或控制器、存储器、I/O接

口、高效的电源管理系统等。这里采用微控制器(MCU)作为核心部件，根据采用的MCU可

以在芯片中集成更多的外设功能。嵌入式微控制器由早期的单片机(SingleChip

Computer)发展而来，在芯片内部集成了处理器、RAM、ROM、I/O、定时器/计数器、A/D、

D/A等功能部件。所需的MCU应具备以下几个特点：

•尺寸小，集成度高；

•具有强的实时多任务支持能力；

•具有很强的存储区保护能力；

•具有较低功耗。

MCU按性能从低到高分有Cortex-MO到Cortex-M4,且ARM后续还推出较Cortex-MO

更低功耗更高性能的Cortex-MO+o这里选用Cortex-M0+（图3）0

Disolav

LCD/OLEDDisplay

DisplayController

令

EmbeddedController

CPU&Memory

PowerManagementOutputDriver

AnalogFrontEndConnectivity

ter/magnetometer

图2

NettedVectoredUpInccrrupt

InterruptControllerControllerInterface

Memory

ProcecuonWatchpomt

LkvtDebug

BrenkpomtAccess

AHB-lftcLowLatencyPort

MicroTrace

IncerfwI/O

BuHer

图3

电源管理模块分为电池、充电装置和电池校准器。由于可穿戴设备的电容容量一般

比较小，电池容量为100mAh左右。超低静态电流和小封装电源管理单芯片是个趋势。

该电源管理芯片需集成线性充电、LD0和DC/DC等功能。LD0和DC/DC给其他模块供电，

比如蓝牙、传感器、MCU、GPS等。TI的MicroSiP电源模块TPS82740,它支持200mA输

出电流、具有95%的转换效率、工作状态时的静态电流仅为360nA,待机电流为70nA。

它非常适合可穿戴的应用。

重要的子系统是数据采集或传感器子系统。根据器件的类型，其可能是只有几个

MEMS传感器的简单系统，也可能是采用专用传感器集线器连接相关传感器的复杂系统。

MEMS传感器在用于监控人体各方位运动的健身和健康设备中发挥着关键作用。这些传

感器又称为运动传感器。所有这些传感器都是通过I2C或SPI通信接口提供数字式运动

信息。图中此类传感器包括3轴加速计、陀螺仪、磁力计。

串口通信模块还可以通过12c总线实现与GPS、Wi-Fi和低功耗蓝牙的连接，Wi-Fi

用于接入互联网，实时传送数据到云端，低功耗蓝牙用来与子女手机相通信，老人出现

轻微症状可及时通知身边的子女，同时从手机端也能看到老人的身体状况统计信息。

模拟传感器包括心率、体温、血糖、睡眠监测等传感器。模拟传感器需要称为模拟

前端(AFE)的特殊组件。AFE包含运算放大器、滤波器和ADC,其用于将模拟信号调节

并转换成数字信号，以便于CPU处理。该功能有时可与CPU集成，亦可以与传感器芯片

集成。

LED、蜂鸣器和振动电机等UI元件可以帮助实现设备向用户提供的提醒与反馈。举

例来说，当老人在做噩梦或在最佳睡眠唤醒时间时振动电机启动以振醒老人。脉宽调制

(PWM)对驱动这些元件的关键。PWM可用于实现调光等各种LED效果，而且还能提供实

现触觉反馈的各种振动效果。如果在固件中实现，这些技术需要精确的定时和频繁的CPU

处理。因此，关键是选择支持硬件PWM的处理器/控制器。

嵌入式软件分为系统软件和应用软件。系统软件即运行于嵌入式硬件平台之上的嵌

入式操作系统。鉴于医疗监测需要保证实时和快速应答，这里嵌入式操作系统选用的是

轻量级的RTOS(real-timeoperatingsystem),实时操作系统RT0S的优点是消耗系统

资源少、耗电量小、通常无延迟，缺点是功能和软件相对固定，功能扩展较复杂。由于

医疗可穿戴设备的数据分析使用大数据的算法，十分复杂，我们将数据分析送给云端处

理。故在智能腕带内部只需要完成基本的数据采集、简单处理和传输等功能即可，无需

高级的操作系统。

APIs(ApplicationProgramInterfaces)可以实现调用通信功能：Wi-Fi和低功

耗蓝牙(Bluetooth4.0)o应用软件层通过驱动和App实现具体功能的运行。

三、硬件设计

功能列表

•一、传感类:二、通信类:

・1、心率监测1、蓝牙4.0

•2、睡眠监测2、WI-FI

3、GPS

•3、体温监测

•4、血糖监测

•5,跌倒报警

（1）MCU

使用芯片：Cortex-MO+

结构框图：

AHB-LiteinterfacetSingle-cycle^SerialWireor

*OptionalcomponenttosystemI/OportJTAGdebugport

特点：

1、能效最高的ARM处理器

由于具有一种优化的架构，而该架构具有一个仅有两级的流水线，Cortex-M0+处理

器可达到仅11.2uW/MHz的功耗（90LP工艺，最低配置），同时将性能提升至2.15

CoreMark/MHz。

2、简单

Cortex-M0+处理器保留了Cortex-MO处理器的56个指令，从而使开发变得简单

而快速。Thumb®指令集提供了无法匹敌的代码密度，同时提供了32位计算性能。这

些功能的组合使得Cortex-M0+能够顺理成章地在很广大的应用领域里成为8/16位系

统经济实用的升级换代产品，同时它还保留了与更强大的Cortex-M3和Cortex-M4处

理器的工具和二进制向上兼容性。

3、多功能性

每种应用都是不同的，都有其特定需要。为了使我们的合作伙伴能设计出应用最为

广泛的解决方案，Cortex-M0+处理器提供了十分丰富的功能。其中许多功能（如内存

保护单元和可重定位的矢量表）对于Cortex-M3和Cortex-M4处理器来说是共同的;

其他功能则为该此款新的处理器所特有，即用于提高控制速度的单周期I/O接口和用

于增强调试的MicroTraceBuffer□

Cortex-MO+Cortex-MO

Staticpower0.95uW0.96uW

Dynamicpower11.21uW/MHz16.36uW/MHz

（2）传感器功能模块

1、心率监测

原理：

当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收

器，在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度

将减弱，其中皮肤肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变，的而皮肤

内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也

最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时正好相反，检测到的光强度最大，使光

接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，将此光强度变化信号转换成电信号便可获得

容积脉搏血流的变化。

原理示意图：

传感器使用:

NJL5303RCOBPPHOTOREFLECTORwithGreenLED

（集成了波长570nm绿光二极管、光感应传感器）

优点：

1、相比传统的采用红光的二极管,

绿光更适合测量脉搏用，反射率

更高，测量感度更高；

2、内部集成高科技纳米涂层环

境光检测传感器，过滤不需要的

光源，减少由其他光源干扰的误

判动作，准确度高。

PCBPattern

使用接口:I2C/SPI

2、睡眠监测

原理：

内置加速传感器，通过传感器和手腕的接触，来监测人的动作，智能腕带主要通过

体动频率获知睡眠的状态，动作多说明睡眠浅，深度睡眠用户体动相对较少。配以心电

监测功能，结合软件算法，能够比较精确的得出用户睡眠过程的图谱。

•睡眠深度一般是以身体活动减少和感觉灵敏度降低作为衡量指标的，目前对于睡眠

深度的精确测量还是比较困难的。

•睡眠监测是通过传感器监测人的动作，以系统的计算方式进行累计计算，每2分钟

记录一次合计值，与此同时的姿势数据得到记录。通过计算来判断睡眠状态。

•深度睡眠只占据睡眠时间的25%,也被称作"黄金睡眠只有进入深度睡眠状态

的中睡期、深睡期以及快速眼动睡眠期，才对接触疲劳有较大作用。（除了这几个时

期，还有浅睡、轻睡时期，大约占睡眠时间的55%）

传感器使用：

LIS3DH三轴加速传感器

Figure1.Blockdiagram

SDAl2Cserialdata(SDA)

SDISPIserialdatainput(SDI)

SDO3-wireinterfaceserialdataoutput(SDO)

SDOSPIserialdataoutput(SDO)

SAO12clesssignificantbitofthedeviceaddress(SAO)

SPIenable

CS

l2C/SPImodeselection|(1:l2Cmode;0:SPIenabled)

(BOTTOMVIEW)

使用接口：I2C/SPI

3、体温监测

原理：

通过温度传感器，时刻测量体表温度，将数据传送到MCU,并通过蓝牙传送到智能手

机。根据一定的算法，将采集到的温度信息进行一定的校正，一旦校正后的温度出现异常,

则发起报警。

传感器使用：

型号：AT30TSE002B-MAH-T

传感器测量温度范围是:-20~+125度，

分段精度：在+75℃~+95°C时精度为±『C

在+40°C~+125°C时精度为±21

在-20°C~+125°C时精度为±3℃

此温度传感器在一秒内至少刷新温度寄存器的值8次以上，即刷新时间最大是125ms刷新

一次，正常情况是75ms刷新一次值。

Figure1-1.BlockDiagram

SCLKEVENTAOA1A2

PinNameDescription

AO,A1,A2AddressInputs8-WDFN

Serial向3~二＞

Vcc□81匚AO

EVENT□72匚

SCLSerialClockInput

SCL□63匚

□54CGND

TemperatureAlertEVENT

GNDGroundBottomView

VccPowerSupply

使用接口：I2C/SPI

4、跌倒报警

原理：

老人摔倒时，他那一瞬间的运动肯定与正常睡觉的状态不一样。最明显的就是手部的传

感器重力加速度很快，而且与脚部在相近的水平线，全身都处于重力不平衡状态。

传感器使用：

LIS3DH三轴加速传感器（见2）

使用接口：I2C/SPI

5、血糖监测

原理：

无创式血糖仪的背面通过一层凝胶垫与人体皮肤接触。（凝胶，是一种介于固体与液体

之间的物质形态，不会像液体一样流动，却能够让溶解在其中的不同大小的分子，在电场的

作用下穿过。）凝胶中有两个电极，使用时电路接通，产生一股微电流通过人体的皮肤。皮

肤中的带电离子在电流作用下分别向正负两个电极运动，而组织液中的葡萄糖分子会被带电

离子“裹夹”着一起运动，进入凝胶。

无创式血糖仪通过测量葡萄糖分子与凝胶中一种酶（葡萄糖氧化酶）的反应程度，就可以

计算出当前的血糖水平，测量结果就可在屏幕上显示出来。

传感器使用:

葡萄糖传感器

使用接口：I2C/SPI

（3）无线通信模块

1、蓝牙4.0

目的：

由智能腕带所采集到的生理信息，通过A/D转换后，最终会由蓝牙讲数据传送到使用者

的智能手机端，并通过手机端强大的APP及相应算法进行处理，并进行图形化的数据分析，

给出相应的建议。

使用模块：

NordicnRF8001

采用nBlu解决方案的nRF8001峰值电流不12.5mA、连接状态下的平均电流很小，不到12|1A

（连接时间间隔为1秒）非常适合空间受限制、由钮扣电池供电的应用系统，这些正是低耗

能蓝牙技术所针对的用途。

NonVolatile

Memory

Volatile

Memory

PHY

卤由由

Figure1.nRF8001blockdiagram

TXDDigitaloutputUART(transmit)forBluetoothlowenergyDirectTestMode

Interface.Leaveunconnectedifnotinuse.

VSSPowerGround(0V)

VDDPowerPowersupply(1.9-3.6V)

RXDDigitalinputUART(receive)forBluetoothlowenergyDirectTestMode

Interface.Leaveunconnectedifnotinuse.

身

的

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MCUSPISPIJRQCC3000

masterSPIslave

4S--P-I=-D-O--U-T

SPIDIN

=►

SWRS126-016

3、GPS

目的：

通过GPS可以定位老人的位置，一旦老人走丢，可以通过GPS精确定位，而且一旦老

人在外发生意外，可以根据将GPS的位置信息发送给最近的医院，以便及时的救援。

使用模块：

SIRFIII

作

44-GSP3f

公

-

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QQ0Q0oo

ZNNNNo

09999m

CD

□N9RXA

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RXB

TXB

□N9

GND

1ll

CNQu

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9<9OxQ

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（4）电源模块

为了保证待机时间以及省去充电的麻烦，本设计的电源模块采用的是不可充

电式的纽扣电池，其中使用的是3V的南孚CR-2032型号电池。

型号：CR-2032

充电：不可

尺寸：直径20毫米，厚度3.2毫米（纽扣电池从型号可以看出大小，型号里的数字，前两位是直径，后

两位是厚度*10,单位都是毫米）

电压：3V

保存：5年（保存期限，是指电池的电量下降到90%以下的时间）

特点介绍

扣式锂电池，年平均容量降低不大于2%,储存寿命长；采用半密封结构，使用安全；温度适应范围较

大，在-20至U+60摄氏度的条件下都可正常工作；3V高电压，输出电流大，适合功率较大的设备。

扣式锂电池，一般典型工作电流在0.1毫安至0.2毫安之间，适用于输出功率较大（相对于纽扣电池而

言）的设备上，如手表、电子词典、主板CMOS电源等。

四、软件设计

（1）系统运行流程图

系统在运行过程当中，各模块并行，处理器运算速度完全可以满足要求，电源管理模块、

传感器模块、通信模块、显示模块，其中电源管理模块有较为成熟的设计可以参考，传

感器模块我们根据原理，设计了程序框图，而其中跌倒警报以及各项监测出现异常的警

报都会以最高优先级发出警报，如果蓝牙4.0网络可用，则立刻发送位置信息给附近的

救护中心，如果与手机蓝牙接通，则以短信形式通知子女，以上警报和各项通知功能可

以手动关闭。

(2)心率监测流程图

信号处

理子程

返回

(3)睡眠监测流程图

(4)体温检测流程图

（5）跌倒警报流程图

(6)血糖检测流程图

(7)电池管理流程图

开

五、需求与成本分析

需求背景：

目前，市场上关于可穿戴的智能设备越来越多，而且功能越来越炫酷。很多互联网公

司都设计出了各种各样的智能手环，智能手表等等，可是智能手环大多都是检测人的运动

状况和睡眠状况。而且这些可穿戴的智能设备主要都是针对年轻人来设计，忽略了老人这

一块市场。但是往往老人是最需要检测自身的健康状况的。同时相关数据显示，我国不少

城市人口老龄化超过10%,预计到2050年左右将达到三分之一。生活水平的提高也使得的

老年人的身体健康得到更多关注。调查显示，72%的子女希望有一定的智能产品能够帮助父

母省去每日主动测量各种数据的烦恼，86%的子女希望能够借助云服务平台更好地监测父母

的身体状况，而市场上的主流智能手环并不适用于老人群体。

成本估算:

功能涉及到的硬件成本（元）

NJL5303RCOBPPHOTOREFLECTORwithGreen

心率监测12

LED（绿光二极管、光感应传感器）

睡眠监测LIS3DH三轴加速传感器5

跌倒报警LIS3DH三轴加速传感器6

体温监测AT30TSE002B-MAH-T1

不清楚（预估50

血糖监测葡萄糖传感器

元）

蓝牙4.0NordicnRF800112

WI-FISimpleLinkCC300075

GPSSIRFIII60

小计221

ARMCortex-M0+15元（左右）

材料费及其他80元左右

总计315元左右

附件资料：

1、部分模块价格:

WI-FI模块

CC3000MODR进口原装正品2013绝