CN205072850U - 一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，该装置包括心率传感器模块、控制模块、低功耗蓝牙模块、安卓客户端应用APP。心率传感器模块包括光源、光接收器、滤波电路以及放大电路，该模块主要功能是通过接收因透光率的变化而反射的光信号，并将其转化为电信号，并进行平滑滤波、放大处理，实现心率信号的采集。控制模块主要功能是将心率传感器采集到心率的原始波形进行采样，然后计算出1分钟内的心跳数，即BPM值。低功耗蓝牙模块的主要功能是实现数据的发送。安卓客户端则是编写成智能手机APP的形式，调用手机本身的蓝牙模块、按键模块、LCD模块、电源模块、存储模块以及控制器模块进行数据的接收、处理与显示。

Description

一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，属于通信技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的日益提高，人们对于健康也提出了更高的要求，这体现在对于生理参数检测的舒适性和移动性上，于是可穿戴设备的时代已经悄然到来，并潜移默化的影响着本发明的生活。众所周知，心脏脉搏的跳动是人类是否能够正常新陈代谢的一个重要的指标，因而对于心率的监测显得尤为重要。而目前市场上存在的心率计大部分只能实现简单的心率测试，无法满足人们对于舒适性和移动性的需求。更重要的是随着智能移动终端的普及，将可穿戴设备与移动终端相结合会是一个很好的选择，不仅有利于可穿戴设备的推广普及，也是未来的趋势走向。这就会要求心率检测装置在保证其数据检测的准确性与稳定性的同时还应具有可以与智能手机连接使用的智能性，同时为了保证连接使用时间更长，还需要解决其低功耗性。这些需求和特点是市场上产品所不具备的。因而设计出一款能够实现心率数据在移动终端上显示的智能心率计显得尤为重要。

由于为了满足人们对于心率检测的舒适性和移动性的要求，同时也要满足可穿戴设备低功耗的要求，需要设计一款基于蓝牙4.0低功耗协议的智能心率计。蓝牙4.0是3.0的升级版本，与3.0版本相比优势更为明显，不仅覆盖范围增强，能够完全向下兼容，更重要的是加入了低功耗技术，使得蓝牙4.0技术拥有极低的运行和待机功耗，是一种“绿色”的技术，因而可以广泛应用在个人可穿戴设备上。

利用蓝牙4.0协议，结合心率传感器，可以将采集的数据及时、快速、高效的传给上位机。由于现在安卓手机的覆盖面相当广，并且考虑其移动性，进而选择上位机软件为安卓应用，这样可以在安卓客户端接收显示用户的心率数据，以满足移动性、舒适性与智能性的要求。

发明内容

本发明目的在于提供了一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，该装置采用的是蓝牙4.0低功耗技术，在与智能手机进行数据交互之时也具有更快的连接速度与数据传输速度。而且手机客户端不仅可以进行心率数据的显示，同时也提供数据上传等应用功能接口，结合服务器则可进一步实现心率检测装置的可玩性与智能性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，该装置包括心率传感器模块、控制模块、低功耗蓝牙模块、安卓客户端应用APP。

心率传感器模块包括光源、光接收器、滤波电路以及放大电路，该模块主要功能是通过接收因透光率的变化而反射的光信号，并将其转化为电信号，并进行平滑滤波、放大处理，实现心率信号的采集。

控制模块主要功能是将心率传感器采集到心率的原始波形进行采样，然后计算出1分钟内的心跳数，即BPM值(即：每分钟节拍数的单位)。

低功耗蓝牙模块的主要功能是实现数据的发送。

低功耗蓝牙模块与控制模块进行集成，安卓客户端则是编写成智能手机APP的形式，调用手机本身的蓝牙模块、按键模块、LCD模块、电源模块、存储模块以及控制器模块进行数据的接收、处理与显示。

安卓客户端应用APP的功能是实现数据的接收、处理和显示。

本发明所述的控制模块为CC2540控制模块。

有益效果：

1、本发明使用心率传感器通过光电容积法计算出测量的心率值，然后通过低功耗蓝牙模块将测量出的心率值实时的发送至与之连接的安卓智能手机客户端，进行数据处理与显示。

2、本发明在保证心率检测装置的准确性与稳定性的同时，也提供了可以随时与智能手机连接使用的移动性、实时性与低功耗性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的心率采集结构示意图。

图3为本发明的APDS-9008应用电路图。

图4为本发明的低通滤波电路图。

图5为本发明的MCP6001应用电路图。

图6为本发明心率采集的方法流程图。

图7为本发明的数据传输流程图。

图8为本发明的上位机软件流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明利用心率传感器以及蓝牙4.0模块作为心率采集的节点装置；并利用先进的蓝牙4.0低功耗技术实现心率数据在安卓客户端APP的接收显示。

本发明的系统包括：安卓客户端应用APP、CC2540控制模块、心率传感器和各功能模块。首先心率传感器采集用户的心率数据，交由CC2540控制模块进行处理，然后利用蓝牙4.0低功耗技术将数据以无线的方式传送给安卓客户端应用APP，最后安卓客户端APP将所接收的数据进行界面显示。

一、心率传感器设计

本发明心率测量的方法主要有三种，包括：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计算心率；三是采用光电容积法。前两种方法不能很好的满足移动性和舒适性的要求，而第三种方法不仅可以弥补前两种方法的不足，同时使得测量更为方便，也更加精确，进而本发明将采用第三种方法。光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管跳动时造成透光率的不同来进行心率测量的。其使用的心率传感器由光源、光电变换器等部分组成。通过接收因透光率的变化而反射的光信号，并将其转化为电信号，并进行平滑滤波、放大处理，实现心率信号的采集。

如图2所示，本发明的心率传感器包括光源(即：绿色LED)、光接收器、滤波电路和放大电路，可以采集到心率的模拟电压信号。绿色LED作为发光电源，是心率信号采集的光源；光接收器的作用是接收经脉搏跳动反射的光，并将其转化为电信号；滤波电路的作用是将所转化的电信号进行滤波杂波和高次谐波，使信号平滑；放大电路的作用是将所采集的较小的电信号进行放大，这样可以给后续电路更好的进行信号的处理。

二、光接收器

本发明采用光电容积法来实现通过光信号转变为电信号，因而需要一款能够实现光电转换的光变换器，同时，该变换器需要较高的响应能力，能够对周围环境光的变换迅速作出反应，并且以电信号的形式输出，因而，本发明选择环境亮度传感器APDS-9008。

APDS-9008是一款新型低成本小型化表面贴装环境亮度传感器，在设计紧密贴近人眼的光谱响应曲线，使得功耗可以大幅度的降低，从而可以大大延长电池的使用时间，同时配合低功耗蓝牙4.0可以实现产品电池使用寿命延长，体现绿色环保的理念。APDS-9008采用小型化无铅chipLED表面贴装封装，输出量是一个模拟信号，工作电压的范围在1.6V—5.5V之间，同时集成了相应的光传感器，使得该传感器具备卓越的响应输出能力。

APDS-9008在心率采集电路中的电路如图3所示，其电源和接地管脚直接按下图所示连接，在模拟输出端需要加一个负载电阻，在本发明中设置负载电阻为12KΩ：

如图3所示，由于血管的跳动使得透光率变化，APDS-9008接收到反射光，并将其转化为电信号，通过负载电阻实现心率信号的输出。

三、滤波电路

APDS-9008所采集到的电信号带有杂波和高次谐波，因而需要应用滤波电路将所采集的电信号进行滤波平滑处理，本发明中采用低通滤波电路。

滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。本发明采用电阻和电容器C来实现滤波功能。电路图如图4所示：

如图4所示，将APDS-9008采集到的心率信号从输入端输入，通过低通滤波电路可以得到滤波后的信号输出。

四、放大器模块

经过低通滤波以后的信号为了给后续电路更好地进行信号处理，因而需要将信号进行放大处理，本发明中采用的放大器为MCP6001。该放大器具有1MHz增益带宽积和90°相位容限(即：典型值)。在500pF的容性负载下，它也同样具有45°相位容限(即：典型值)。即使单电源供电电压只有1.8V，它仍然可以工作，此时静态电流为100μA(即：典型值)。其应用电路图如图5所示。

如图5所示，本发明将滤波后的信号通过MCP6001的输入端进行放大，就可以得到放大以后的心率信号，这样可以得到平滑滤波和放大处理后的心率信号。

五、系统软件设计

1、心率采集软件设计

心率传感器采集到心率的原始波形后，需要对这些采集的原始波形进行采样，一般人的心率在75次/分左右，本发明为了较为精确的采集数据，对波形进行2ms采样一次，也即采样频率为500Hz。

首先找到心率波形的峰值和谷值，然后开始寻找心跳，当采样值大于设定值并且采样持续时间大于3/5的IBI(即：心搏间期)时，进行心跳的计数累加，计算出1分钟内的心跳数，即BPM值。当2.5s内没有检测到心跳信号时将默认测试结束，将重置各项参数为默认值，等待继续测量。具体流程图如图6所示：

2、数据传输软件设计

本发明采用蓝牙4.0低功耗协议栈进行嵌入式下位机软件的设计。与蓝牙3.0相比，其明显的优势就是加入了低功耗技术。不仅广播信道的数量减少至3个，广播开启时间也大大减少，这样使得待机功耗大大降低；同时对数据格式进行了严格的定义，使得信号的峰值功率大大降低。

采集到的心率数据将通过蓝牙4.0低功耗协议栈进行数据的传输。首先心率传感器模块需要对硬件和协议栈进行初始化，然后发出广播信号，等待主机进行连接，当连接之后将所采集的心率数据进行传输。具体流程图如图7所示：

3、安卓客户端应用APP设计

由于主机是安卓智能手机，所以上位机软件为安卓应用程序。该应用程序在Eclipse软件环境下采用Java语言进行编写，调用蓝牙相关API函数，构造实现扫描、连接、接收和显示的类，实现对从机的扫描、连接从机和接收数据并界面显示的功能。

如图8所示，本发明首先应用初始化，然后调用系统蓝牙模块进行扫描，在十秒钟内完成对附近所有BLE设备的扫描，显示设备状态并等待连接。手动连接目标BLE设备，连接成功后，安卓客户端应用APP利用发现Service的方式来获取数据。数据通过低功耗蓝牙模块发送至安卓客户端，安卓客户端接收此数据并显示在界面上。

本发明经过上述的设计，实现了一款基于蓝牙4.0低功耗技术的智能心率装置，并且对该装置进行了准确性、可靠性和连接速度的测试。事实证明，该系统能够实现心率的准确采集，符合人的正常生理标准；同时能够实现数据的可靠传输，针对不同的介质和不同的距离，该系统基本能够满足测试者的需求；最后，本发明又对蓝牙4.0的连接速度进行了测试，发现其指标相比于蓝牙3.0有了较大的提升。因而，该款基于蓝牙4.0的智能心率计能够实现心率数据的准确采集、可靠传输以及安卓应用界面显示。

实施例2

场景一：在家庭等固定场景使用本装置测量心率。

本发明的心率检测装置可以放置在任何固定位置，使用者只需将自己的手机安装配套的手机APP即可。使用者在使用时打开手机APP，APP可以自行扫描心率检测装置，点击名称即可进行连接。使用者只需将手指放置于心率传感器之上，与之连接的智能手机APP界面即可实时显示此时使用者的心率检测值。使用结束后退出手机APP即可。由于采用低功耗蓝牙技术，心率检测装置可以长时间工作，无需担心本装置和手机在使用时的电量问题。

场景二：在运动中等移动场景使用本装置测量心率。

本发明的心率检测装置除了可以在固定位置使用外，也可以在移动状态下正常使用。由于本装置体积小，使用者可以将本装置固定在身体上，只需将心率传感器固定在手指或耳垂等处即可。使用者运行手机APP，随身携带手机，心率检测数据将会实时发送至手机。由于手机APP有记录功能，所以可以在运动结束后统一观察某时间段内的心率数据，有利于掌握自身健康状况。

Claims (6)

1.一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，其特征在于，所述装置包括心率传感器模块、控制模块、低功耗蓝牙模块、安卓客户端应用APP；

所述的心率传感器模块包括光源、光接收器、滤波电路和放大电路；所述的心率传感器模块的功能是通过接收因透光率的变化而反射的光信号，并将其转化为电信号，并进行平滑滤波、放大处理，实现心率信号的采集；

所述的控制模块的功能是将心率传感器采集到心率的原始波形进行采样，然后计算出1分钟内的心跳数，即BPM值；

所述的低功耗蓝牙模块的功能是数据的发送；所述的低功耗蓝牙模块与控制模块进行集成，安卓客户端则是编写成智能手机APP的形式，调用手机本身的蓝牙模块、按键模块、LCD模块、电源模块、存储模块以及控制器模块进行数据的接收、处理与显示；

安卓客户端应用APP的功能是实现数据的接收、处理和显示。

2.根据权利要求1所述的一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，其特征在于，所述装置的控制模块为CC2540控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，其特征在于，所述光接收器采用光电容积法来实现通过光信号转变为电信号。

4.根据权利要求1所述的一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，其特征在于，所述滤波电路是采用电阻和电容器C来实现滤波功能。

5.根据权利要求1所述的一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，其特征在于，所述装置包括放大器模块；所述放大器为MCP6001；该放大器具有1MHz增益带宽积和90°相位容限，即：典型值；在500pF的容性负载下，同样具有45°相位容限，即：典型值；即使单电源供电电压只有1.8V，它仍然可以工作，此时静态电流为100μA。

6.根据权利要求1所述的一种与手机建立连接的低功耗心率检测装置，其特征在于，所述安卓客户端应用APP调用蓝牙相关API函数，构造实现扫描、连接、接收和显示的类，实现对从机的扫描、连接从机和接收数据并界面显示的功能。