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  • 心率传感器
    2022-05-14 20:10:20

    1、心率传感器发展:

    当物体被可见光辐照,被测物体之间的速度、加速度、形状、位移、振动、光强、光照、温度、直径、粗糙度、距离、成分和状态等改变量被转换成可变光信号,然后由广电传感器转换成电信号最后输出。广电传感器由发射机、接收机和电路组成。
    光电传感器转换成电信号最后输出。光电传感器通过半导体光源向目标物体持续发射光束,然后由光源件过滤出有效信号。发射机的标准透镜将光纤聚焦在接受骑上,接收器通过电缆接受有效信号到真空管放大器并对此作出响应。光电传感器装置中的管线偏转机构可以将光轴范围之间的发射角从0改变到25,反射光束后,形成传输线并沿直线返回。

    2、光电传感器心率测量方式:
    1、动脉血压法:心脏收缩与舒张,在心跳的周期中,血液对于血管的测压力导致血管壁搏动也呈现周期性变化,当舒张压高于收缩压时,心率增加;反之心率减慢。压力传感器就是利用动脉有规律的涨落的信号测量心率,常用的血压测量仪器就是根基此原理。
    2心电信号:人体电信号是身体的低频生理信号。心脏周期性泵血使人体组织和体液产生周期性生物电,通过安放在皮肤表面的电极,可以测量到扩散在身体表面的电信号。
    3、血氧法:由于血液中含氧红细胞与不含氧的红细胞对波长600nm可见红光和波长为900nm红外线的吸收率不同,伴随着血液中的含盐量随着心脏泵血的周期性变化,这种变化与心率变化一致。传统医用听诊器就是利用血氧法。
    4、血液浓度测量法:这是利用光电手段监测人体中血液容积变化的方法,也就是光电传感器的主要形式。

    原理:
    液体在某一波长处的吸光度与它的浓度成正比,浓度越高,吸光度越多。每当心脏跳动时,随着血管中的红细胞浓度升高,血压身高,血液颜色加深。光照射皮肤,血液浓度的变化引发光电效应在不同时段的显著差异,而这一差异被传感器检测到,进而可供分析心率。

    计算锻炼心率的范围,方法如下:用 220 减去实验者的年龄,这是心率最大值,然后用下面的公式计算最低锻炼心率和最高锻炼心率:

    220 一年龄=最大心率(MHR);

    MHR*0.6=最低锻炼心率;

    MHR*0.9=最高锻炼心率。

    3、光源选取:

    大多数设备都是把绿光作为传感器光源,之所以选择绿光主要是考虑到一下几个特点:

    1. 皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波;

    2. 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光;

    3. 进入皮肤组织的绿光(500nm)——黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收;

    4. 红光和接近IR的光相比其他波长的光更容易穿过皮肤组织;

    5. 血液要比其他组织吸收更多的光;

    6. 相比红光,绿(绿-黄)光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收;

    总体来说,绿光——红光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源,随着进一步的研究和对比,绿光作为光源得到的信号更好,信噪比也比其他光源好些,所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用(肤色、汗水),高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。

    AppleWatch利用LED绿光和红外光,以及两种光传感器来检测心率。当其处于15摄氏度(59华氏度)以下的低温时,根据测量绿光的吸收状况来获得更加精准的数据。而高温环境下,例如用户已经在健身房里挥汗如雨时,皮肤表面水分增加,由于更多绿光已经被吸收掉,要检测皮下反射的绿光就比较困难,此时AppleWatch就转换到红外光模式。

    4、光电式传感器的影响因素

    光线干扰

    事实上,光电式心率测量设备最大的技术障碍是如何将生物特征信号从干扰中分离出来,特别是运动干扰。不幸的是,当把光线射入一个人的皮肤时,只有一小部分光量子返回给传感器,并且收集的所有光量子,只有百分之一或千分之一是由心脏收缩的血流量调节的,剩下的都分散在非搏动性生理物质上,例如皮肤、肌肉、肌腱等等。因此,当这些非搏动性生理物质四处移动,比如在锻炼或者日常生活活动中,由此导致的光线随着时间变化运动躁动分散是很难从光线随着真实血流量的分散中区分出来的。周围光线干扰还加剧这个问题的严重性,比如随着时间的变化,太阳光的干扰可以完全渗透到光电探测器中,甚至创造出近似生理性质的脉动信号。

    肤色(可以忽略)

    人类拥有非常多种不同的漂亮肤色,多到以至于菲氏量表为肤色数值分类和对紫外线的反应而提供了7个类型的标准。不同的肤色对光的吸收是不同的,因此每一种肤色的特点在于都有不同的吸光图谱。那么,这意味着光电式心率测量设备传感器捕获的光的强度和波长是取决于穿戴传感器的人的肤色的。例如,深色皮肤吸收绿色光较多,这也表明了为什么大多数设备采用绿色LED作为光线发射器,限制了透过深色皮肤准确测量心率的能力的问题。这同样暴露出透过纹身的皮肤测量心率的问题,这也是苹果被人们诟病的“纹身门”,手腕有纹身的苹果手表用户发现显示屏上的数据显示非常微弱,甚至没有。

    交叉问题

    光电式心率监测器存在由于周期性活动期间的运动而产生的交叉干扰方面的问题,这个问题面临的最大的挑战是这种活动带来持续性的相同重复的动作。这点在记录慢跑和跑步期间的步伐频率时最常见,因为这些数据通常与心跳频率(140-180下/步数每分钟)处于同一个基本区间里。许多光电式心率监测设备面临的这个问题使得运算法则很容易将通过光电监测数据录入的步伐速率错误解读成心率。这就是为人所知的“交叉问题”,因为在图表上查看这些数据时,当心率和步伐速率发生重叠,许多光电式心率监测设备倾向于锁定步伐速率并将其显示为心率,尽管心率可能会在重叠后发生巨大改变。这个交叉干扰的问题在苹果表上体现很明显。

    5、传感器在人体上的位置选取:

    设备在人体上使用时面临的独有的挑战是位置的不同会导致测量数据产生显著的区别。最主要集中在三个部位:

    1、耳朵--在音频耳塞里

    2、胳膊--在上臂臂章上部或者下臂上

    3、手腕--在智能手表或者运动追踪器上

    事实表明,腕部是最不能做到精确测量的部位之一。因为这个区域(肌肉、肌腱、骨头等等)会产生更高的光线干扰,并且血管结构有高度的变异性。前臂部位被认为是更好的选择,因为在那里的皮肤表面有更高的血管密度。然而,对于光电式心率监测设备来说,耳朵是至今为止被认为最佳的部位。因为那里只有软骨和毛细血管,即使身体在运动也不会移动太多,因此大大减少了必须被过滤的光线的干扰。特别是,密集的动脉集合存在于抗耳屏耳和外耳之间。

    6、心率传感器的使用场景:

    参考博客: 脉搏波的应用前景_月疯的博客-CSDN博客_脉搏波信号

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  • 提高BLE传输速度的方法

    千次阅读 2020-10-15 10:50:17
    BLE(Bluetooh Low Energy)蓝牙低能耗本身是为了尽可能的节省电池电量...通常情况下,BLE传输数据量非常小, 有时候几百毫秒、甚至几秒十几秒才会发送一次用户数据,例如实时温度监控,智能穿戴设备的心率,计步上传等,

    BLE(Bluetooh Low Energy)蓝牙低能耗本身是为了尽可能的节省电池电量,因此采样间歇式的收发机制,每次传输的数据量非常小,对于ATT来说,典型的是20字节,虽然后续版本的数据量有所增加,但设备厂商有不同的实现方式,设备具体支持多长的数据发送,还是需要应用层做兼容适配,这无疑增加了开发的工作量。本文主要探讨的是如何提高BLE 4.0版本下的数据传输率。
    通常情况下,BLE传输数据量非常小, 有时候几百毫秒、甚至几秒十几秒才会发送一次用户数据,例如实时温度监控,智能穿戴设备的心率,计步上传等,有时候有需要实时大量的传送,例如设备固件的空中升级(OTA)、实时心电图,脉搏图等。 这就要求BLE设备提供在不同的应用场景下使用不同速率模式的能力,幸运的是,BLE早已考虑了这一点。规范里面提供了完善的机制来动态调整BLE主从设备的速率模式,其中一下几个参数最为重要,称为连接参数(connection params)
    Interval Min
    Interval Max
    Latency
    Timeout
    下面以ble sniffer工具监听到的主从设备间更新连接参数的实际交互来说明这个过程。
    以从机(穿戴设备)为准,在需要传输大量数据的时候,可以向主机发起调节连接参数的请求包,请求包中携带从机想要的连接参数信息:
    在这里插入图片描述
    这是一个L2CAP的数据包,方向为S->M表示从机发送到主机,SIG_Connection_Param_Update_Req字段中可以看到,从机想要的连接参数范围是
    IntervalMin=0x10 -->16x1.25ms=20ms
    IntervalMax=0x14 -->20=20x1.25ms=25ms
    slavelatency=0
    timeoutmultiplier=0x14 -->20=20x10ms=200ms

    接着主机收到从机的请求参数后,会根据自己的实际能力,决定是否同意从机的要求,若同意则主机会在从机给出的参数范围内选择一个适合自己的参数,同时发起更新连接参数:
    在这里插入图片描述
    可以看到,这个数据包是LL层的,主机已同意了更新,并设置
    interval=0x18 --> 24x1.25=30ms
    latency=0
    timeout=0x14 --> 20*10ms=200ms

    之后主机还在L2CAP层针对从机的SIG_Connection_Param_Update_Req更新请求做了一个回应,表明主机是否同意从机请求:
    在这里插入图片描述
    这里可以看到SIG_connection_Param_Update_Rsp字段result为0,为成功。

    除了可以通过减少连接事件的间隔来提高速率之外,还有另外一种方式。 我们知道BLE的 characteristic有两种写入方式: writeWithResponse和writeWithoutResponse,顾名思义,一种是写入数据到从机需要等待从机回应后才可以进行下一次发送,一种则不需要。
    writeWithResponse需要回应的写入:
    在这里插入图片描述
    writeWithoutResponse无需回应的写:
    在这里插入图片描述
    对比两种方式的协议解析可以看到,writeWithResponse方式在从机发送ATT_Write_Req后必须等待从机ATT_Write_Rsp回应时才能发送下一个数据包,这中间间隔了3个数据包(包含ATT_Write_Rsp),而writeWithoutResponse使用ATT_Write_Command,无需等待回应,可以持续发送,两次发送之间仅间隔了一个数据包,这无疑会提高了传输的速率。

    本文谈了两种提高BLE发送数据的方式,通过实际抓包展示了这两种方式的实际数据交互流程。需要说明的时,主机端应用层writeWithoutResponse方式持续发送,可能会把主机的发送队列填满,从而导致应用层的数据没有完整的投递到发送队列,造成丢包。实际开发中ios系统就发现,连续写入超过64帧(每帧20字节)数据后,后续的数据帧就会丢失,可以推测ios的ble发送队列大小应该是1KB,因此主机端需要一定的机制来解决这个问题,另外,发送和接收端的上层应用层需要根据业务逻辑,对ble协议栈提交上来的数据做一定的完整性校验。

    以上为实际开发过程中的一点体会和记录,虽然部分术语可能表述不正确,但希望对大家有点参考启示作用。

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  • 1、LCD1602液晶第一行显示设计信息,第二行显示心率和温度。 2、把手指放在脉搏传感器上,要轻轻的压在传感器上面,不要压死或者留有缝隙。 3、测脉搏的同时可以测温度,并将温度传感器实时的进行显示。 4、通过WIFI...

    系统的功能分析及体系结构设计

    (末尾附文件)
    系统功能分析
    本系统采用STC89C52单片机+LCD1602液晶+脉搏传感器+温度传感器DS18b20+WIFI模块电路设计而成。
    1、LCD1602液晶第一行显示设计信息,第二行显示心率和温度。
    2、把手指放在脉搏传感器上,要轻轻的压在传感器上面,不要压死或者留有缝隙。
    3、测脉搏的同时可以测温度,并将温度传感器实时的进行显示。
    4、通过WIFI模块将心率和温度上传到手机APP。

    系统具体框图
    在这里插入图片描述
    原理图:
    在这里插入图片描述
    Pulsesensor脉搏心率传感器模块电路设计
    脉搏心率传感器是用来测试心跳速率的传感器,实质是一款集成了放大电路和噪声消除电路的光学心率传感器。可以通过此传感器开发出和心率有关的互动作品。传感器可以戴在手指或者耳垂上。光电传感器将脉搏信号转换为电信号,此装置需要把手指放在传感器表盘上,光电传感器,此传感器是集成了放大电路和噪声消除电路的光学心率传感器,光电传感器一侧的发光二极管发光,当脉搏跳动时,指尖或者耳垂的动脉血管血容量发生周期性变化,透过指尖的光强度同时发生变化。另一侧的光电三极管将接收到的红外光信号转化为电信号。
    一、接口说明
    (1)+ 外接5V
    (2)- 外接GND
    (3)S 输出接口(0和1)
    Pulsesensor脉搏心率传感器模块接口原理图如下图所示。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    由此可见,波形并不是标准的方波信号,为了方便单片机检测心率传感器的输出信号,选择LM393比较器将波形滤波一下,使传感器输出信号转换为标准方波信号,更利于单片机采集,保证了信号的稳定检测。通过LM393比较器模块滤波后的波形图如下图所示。
    在这里插入图片描述

    LM393比较器模块具体内部原理图如下图所示。其中R1电阻为分压电阻,将比较器模块检测到的模拟信息转化为模拟电压信号,模拟量信号接入LM393比较器后,即可与LM393比较器芯片2号引脚所接的电位器分压后的模拟电压进行比较,进而得出数字信号(即方波信号)。C1、C2为滤波电容,C1电容对电源进行滤波,让电源输出更稳定。C2电容对模拟信号进行滤波,保证模拟信号输出的稳定性。R2、R3均为限流电阻,来保护LED灯,防止LED灯烧坏,LED灯均为低电平有效。R4为上拉电阻,上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平,同时起限流作用。保证LM393比较器输出的高低电平信号在与单片机引脚连接时电平信号的读取更加稳定。

    ESP8266WIFI模块电路设计电路设计
    串口WIFI模块是新一代嵌入式WiFi模块,体积小,功耗低。采用UART接口。串口wifi模块是基于通用串行接口特性,符合IEEE802.11 协议栈网络标准,内置TCP/IP协议栈,使传统串口设备更好的加入无线网络。
    ESP8266是一款超低功耗的模块,拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术,专为移动设备和互联网的应用设计,可将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上,进行互联网或局域网通信,实现联网功能。
    ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。WiFi模块电路图如下图所示。
    在这里插入图片描述
    7 5V转3.3V电源电路设计
    AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器,适用于高效率线性开关电源稳压器。其输出电流为1A,系统电路简单,工作稳定。本电路中,通过AMS1117-3.3芯片将5V直流电压降为3.3V,给系统的特定模块电路供电。
    一、基本参数
    (1)工作结温范围:-40~125°C
    (2)最大输入电压:15V
    (3)焊接温度(25秒):265°C
    (4)存储温度:- 65~150°C
    (5)输出电压:3.267~3.333V
    (6)纹波抑制(最小):60dB
    其电路原理图如下图所示。电容为电解电容,起到滤波作用,滤除电源中的低频参量,让电压输出更加平稳。
    在这里插入图片描述
    程序流程图
    在这里插入图片描述
    .

    链接:https://pan.baidu.com/s/1_IE9EzMQjr6kbj4ZoCWj7Q
    提取码:w2oj

    .

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  • 通过这款手环,用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠、部分还有饮食等实时数据,并将这些数据手机、平板、ipodtouch同步,起到通过数据指导健康生活的作用。智能手环作为目前备受用户关注的科技产品,其拥有的强大...

    智能手环是一种穿戴式智能设备。通过这款手环,用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠、部分还有饮食等实时数据,并将这些数据与手机、平板、ipodtouch同步,起到通过数据指导健康生活的作用。

    智能手环作为目前备受用户关注的科技产品,其拥有的强大功能正悄无声息地渗透和改变人们的生活。其内置的电池可以坚持10天,振动马达非常实用,简约的设计风格也可以起到饰品的装饰作用。

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    智能手环这种设计风格对于习惯佩戴首饰的用户而言,颇具有诱惑力。更重要的是,手环的设计风格堪称百搭。而且,别看小小手环个头不大,其功能还是比较强大的,比如它可以说是一款高档的计步器,具有普通计步器的一般计步,测量距离、卡路里、脂肪等功能,同时还具有睡眠监测、高档防水、蓝牙4.0数据传输、疲劳提醒等特殊功能。

    一、智能手环的原理

    智能手环运动监测功能通过重力加速传感器实现。重力传感器已是一种很成熟的技术,手机也早有应用,比如现在智能手机的屏幕翻转功能,就是通过传感器来实现的。传感器通过判断人运动的动作得到一些基础数据,再结合用户之前输入的个人身体体征的基本信息,根据一些特定算法,得到针对个人的个性化监测数据,诸如运动步数、距离以及消耗的卡路里等,从而判断运动的频率和强度。由于每个人运动随个人身体体征的不同而产生不同的效果,因而用户在使用手环进行监测前需要在APP中录入自己的性别、年龄、身高、体重等信息,信息自动同步到手环中,通过传感器监测运动动作,经过特定算法最终实现运动监测的功能。

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    睡眠监测也通过相同的传感器技术实现。人的睡眠按照脑电波信号可分为五个阶段:入睡期、浅睡期、熟睡期、深睡期、快速动眼期(REM)。在不同的阶段人的脑电波可以迅速改变,有意思的是,重力加速传感器并不具备直接探测脑电波的功能,所以它是将人在睡眠中动作的幅度和频率作为衡量睡眠的标准,来判断睡眠处于哪个阶段,手环的智能闹钟功能,会在快速动眼期将用户唤醒,“因为在快速动眼期睡眠者会出现与清醒时相似的高频低幅的脑波,比较容易唤醒,如果此时唤醒,睡眠者会感到神清气爽,有一个很好的睡眠效果。

    二、智能手环是如何进行数据传输的

    心率:用两个电极片(心电原理),你网上查查有现成的方案;

    呼吸率:可以用三维加速度传感器(震动原理),不过没什么现成方案,需要自己动手做模型,震动杂波很多,要有较好的滤波算法,做好了挺有前途的;

    血压,用这么简单的方式我还不知道有什么办法。

    难点:但这个产品的难点在于,如何实现用一个简单的产品实现多种数据的采集而不干扰到用户?这里的数据涉及到血压、血糖、血氧、脉搏等数据。这些数据我们正常的测量过程是抽血测血糖血氧含量、含温度计测量体温、压迫血脉测量血压。

    这个难题实际上是现在很多智能设备面临的难题,运动手环还停留在通过陀螺仪获取位置信息变化分析从运动到睡眠等各种复杂人体状态的功能,数据的准确性有限。

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    设想:

    1、通过反射原理,检测人体红细胞的含氧量。

    2、通过检测脉搏传导速率的方法,计算心电检测和脉搏检测的时间差来得到血压信息。

    3、通过内外两侧的温度感应获得更加准确的人体温度值。

    4、通过代谢热整合法,检测到代谢长生的热量,血氧饱和度、血流速之后,计算出血糖浓度值。

    这个原理的最大突破是实现了体征数据得到的无创,对人的干扰小。血压、血糖、体温变化值分别对高血压患者、糖尿病患者、孕妇这几类人群检测自己的身体数据会很有帮助。郭辉讲,这个原理已经通过了理论认证正在计划硬件设计,当然他也希望有跟多投资进来推进项目发展。现在智能设备大部分瓶颈在信息获取,如果郭辉团队能够将这个设想实现,其实做手环、手表也不在话下。

    核心是3轴重力加速度感应器,通过算法将其输出的值换算成活动量,基本原理就是计算克服重力和惯性做功的量,所以需要带入体重这个量参与计算,现在而今眼目下所有的手环啊tracker啊什么的,不管品牌型号都是同步的时候外部传入的用户自己设定的体重。公式什么的可以参考运动专业的一些论文。另外手环有个特殊的地方是只能待在单侧的手上,所以算法比普通的预设用户会佩戴再人体重心处的tracker会有所不通,需要经过特殊算法来纠正,算法的具体就是商业秘密不可说了。

    基本上就是一个三轴加速计,再通过算法去判断人的步数,算法是核心,所以不可以告诉你。

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    千次阅读 2016-01-06 11:31:20
    无线网络应用广泛,而在需要低耗电、较少量资料传输的家电控制、物件辨识,大多会采用短距离无线技术,例如红外线、蓝牙、ZigBee、ANT等等。随著物联网的兴起,各技术都各有所长,也正互相较劲中,以下就来看看这些...
  • 最简单的FSK利用两个离散频率来传输二进制信息,其中,逻辑1代表传号频率,逻辑0代表空号频率。 最简单的PSK为二进制(BPSK),采用两个相隔180°的相位。 直接数字频率合成器(DDS)的调制输出能以相位连续或相位相干方式...
  • 蓝牙技术基础知识

    2022-02-17 20:45:07
    2、Low Energy(LE) 上面所讲的BR技术的进化路线,就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的,你想的更快,代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景,并不关心传输速率,反而非常关心功耗。这就是...

空空如也

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信息传输速率与传信率