无线可穿戴式心率仪及异常心率数据检测设计

摘要

　　在科技飞速发展的今天，人们的生活质量正不断提高，对健康的关注也随之增长。在众多健康指标中，心率成为一项重要身体健康信号之一，它的快慢能让人提前了解自己身体状态以防各类疾病的突发。但是，单一的心率测量结果并不足以说明问题，人的心率还和当前运动状态、身高体重比、年龄等因素有关。

　　当前存在市面上的各类心率计普遍只到测量心率结果这一步，而没有给出异常数据的报警信息。

　　因此本文一方面设计了可实时传播心率数据的可穿戴式设备，另一方面该设备还能结合不同年龄、身高、体重、当前运动状态等综合因素来查出异常数据。

　　在设计心率仪报警时，要区分年龄、体质、运动状态、当前的身体状况等多种因素来考虑，将数据传递到后台进行分析处理，结合个人的习惯和个体差异体质来综合判断。

　　本文的主要工作是结合了红外传感器、倾角传感器、后台数据处理等方式解决了测量心率以及查找异常心率数据的问题。具体工作如下：第一，利用红外传感器的原理采集人的当前心率。第二，通过蓝牙模块将心率仪的数据实时传输到人们的手机，以达到人们可以随时随地掌握自己心率的目的。第三，用倾角传感器来捕捉人的运动状态。第四，将人的当前运动状态、当前心率、年龄、身高、体重等数据进行相应处理，从而查找出异常的心率数据。其中，被测用户还可以反馈自身的实际情况来微调自身正常心率范围。

　　关键字：红外传感器、蓝牙模块、手机 APP、心率监测系统、倾角传感器、健康的关注

Abstract

　　With the rapid development of science and technology, people's quality of life is constantly improving, and health concerns are also growing. Among many health indicators, heart rate has become one of the important signs of physical health. Its speed can help people understand their physical condition in advance to prevent the emergence of various diseases. However, a single heart rate measurement is not sufficient to illustrate the problem, and the person's heart rate is also related to the current exercise state, height to weight ratio, and age.

　　Currently, there are various types of heart rate meters on the market that generally only measure the heart rate results, but do not provide alarm information for abnormal data.

　　Therefore, on the one hand, this article designs a wearable device that can transmit heart rate data in real time. On the other hand, the device can also combine various factors such as age, gender, weight gain, and current exercise state, and transmit data to background data through data analysis. , Then give the alarm message.

　　When designing heart rate alarms, we must consider different factors such as age, gender, physical fitness, exercise state, and current physical conditions to design a reasonable alarm model.

　　The main task of this paper is to combine the infrared sensor, tilt sensor, background data processing and other methods to solve the problem of measuring heart rate and finding abnormal heart rate data. The specific work is as follows: First, the current heart rate of a person is collected using the principle of an infrared sensor. Secondly, the data of the heart rate meter is transmitted to people's mobile phones in real time through the Bluetooth module, so that people can grasp their heart rate anytime anywhere. Thirdly, using a tilt sensor to capture the state of motion of the person, and fourthly, processing the current state of the person's current motion, the current heart rate, the age, the height, the weight, etc., to find out the abnormal heart rate data.

　　Key words：Infrared sensor, Bluetooth module, mobile phone APP, heart rate monitoring system, tilt sensor, health concerns

　　以人为本是科学发展观的核心要素，是中国共产党人坚持全心全意为人民服务的党的根本宗旨。为了让人们关注自身的健康，也是为了响应我党为人民服务的宗旨，本文设计了一个可以实时传播数据的心率计，并能对读出的心率数据进行处理，从而辨别出异常的心率数据，方便人们时刻对自身的身体状况有个全面的了解。

　　结合文献中的实例：很多锻炼爱好者酷爱马拉松运动，这项运动同样也是减肥的最佳途径。但是很多人不科学的运动造成了肌肉拉伤、膝盖半月板损坏、甚至心脏衰竭猝死等现象。究其原因正是由于不关注心率的异常情况而导致运动过量产生的后果[1]。根据美国生物学家博格提出的心率最大值理论：个体能承受的最大运动量将取决于心率的情况；同样联邦德国学者也提出了相关的公式模型：个体最大心率值=0.9*（220-当前年龄）。[2]

　　这就表明锻炼并不只是刻苦、毅力就一定有效果，没有科学的依据只是徒劳甚至会受伤。正是基于这一点，本文设计的心率监测系统能及时抓出异常的心率预防此类运动过量而造成的伤亡发生。心率检测也不再局限于心脏病患者，普通人也都需要。

　　目前市面上的心率检测系统面对此类问题显得束手无策，只能被动的检测心率，更无法因不同人的体质去区分对应正常的心率范围。根据相关研究，全国每年 54 万人因心脏猝死死亡，仅次于癌症。而这其中，青少年在体能测试的跑步中猝死的几率一年高过一年。[3,4]

　　传统心率计过于关注心脏疾病患者的健康情况却忽视了普通人潜藏的安全隐患。每个人都是独立的个体，用传统心率计来统一标准是非常危险的。所以，本文针对这些缺陷对传统心率计进行了改进，以达到可以传播心率数据并根据个体不同情况检测其对应合理心率范围的目的。因为个体心率值和很多因素有关，包括身高、体重、年龄、当前心率、当前运动状态。[6]

　　区分异常的心率数据必须根据这五项的输入来判断心率数据的正常与否。而身高、体重、年龄是个体可以掌握并事先输入的；当前心率数据也能通过前两步制作的心率监测系统得到传播；那么剩下的主要任务就是两点：先获取当前的运动状态数据，再将所有得到的数据进行处理并进行综合性的判断。

　　当前运动状态的获取：

　　使用倾角传感器来感知个体当前是否产生步伐。若无步伐则表明当前是静息状态，若产生步伐则再借助时钟功能来判断运动状态的激烈与否。若传感器取得的步伐数据为每秒 2 步或以下，则判断为走路运动状态；若步伐数据为每秒 2步以上，则判断为跑步运动状态。

　　可穿戴式心率仪及异常心率数据检测文章图表：

正态分布在女性身高中的体现

水滴溅出的轨迹符合正态分布

国外市民智力分布统计情况图

高尔顿钉板实验图

人的身高分布情况模拟图

手机终端上的数据处理APP截图

目录

　　摘要
　　Abstract
　　目录
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 研究意义
　　　　1.2 研究方案
　　第 2 章 心率计模型设计
　　　　2.1 元器件与方案上的研究对比
　　　　　　2.1.1 传感器的研究对比
　　　　　　2.1.2 信号处理的问题研究
　　　　　　2.1.3 显示模块的选择
　　　　2.2 电路的设计研究
　　　　　　2.2.1 总电路图的设计
　　　　　　2.2.2 信号采集的电路设计
　　　　　　2.2.3 信号的放大、比较电路设计
　　　　　　2.2.4 外接显示器与键盘的电路设计
　　　　2.3 程序上的方案设计
　　　　　　2.3.1 关于测量方面的设计方法
　　　　　　2.3.2 主程序的设计
　　　　　　2.3.3 中断程序的设计
　　第 3 章 系统模型测试以及结果分析
　　　　3.1 仪器与测算方法
　　　　3.2 仿真和焊接成品
　　　　3.3 对测算数据结果进行分析
　　　　　　3.3.1 对统计结果进行分析
　　　　　　3.3.2 对结果产生误差的具体分析
　　第 4 章 心率检测系统在物联网上的通信研究
　　　　4.1 通信的作用
　　　　4.2 通信方式的研究
　　第 5 章 对异常数据的筛选研究
　　　　5.1 正常数据的范围
　　　　　　5.1.1 非剧烈运动状态下的范围
　　　　　　5.1.2 剧烈运动状态下的范围
　　　　5.2 运动状态的判断研究
　　　　5.3 数据的处理研究
　　第 6 章 总结和展望
　　参考文献
　　附录 A 系统仿真图
　　附录 B 系统原理图
　　附录 C 系统 PCB 图
　　附录 D 源程序
　　致谢

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