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摘要：近几年随着可穿戴设备、物联网技术以及云技术的快速发展，基于智能手表的生理数据健康采集系统，在辅助诊断、辅助质量以及对用户的健康监测中成了一个有效的技术手段。为解决用户的心理波动与心理卫生等引发的不良行为问题，本文根据滤波算法、STM32单片机等设计开发了一种新型智能手表生理健康监测系统。首先，该系统由信号采集模块、远程通信模块、云端、生理检测模块等部分构成。在光电容积法的作用下，实现对用户的心率信号、体温、血压等特征数据进程采集，然后利用滤波算法实现对数据采集过程汇总存在的噪声干扰，以此获得更加精准、稳定的数值。最后利用WIFI模块将所采集到得到生理数据信息传输到云端，让用户监护人可以通过收集移动端对用户的生理健康进行实时查看，以此实现远程医疗监测和医疗监护等作用。通过实验测试，证明该系统能够达到了理想效果。

关键词：智能手表;生理健康;健康数据采集;系统设计;心理疾病

前言

可穿戴健康监控系统（Wearable HealthMonitoring System，WMHS）[1]作为当前研究领域中的热点，备受相关研究人员的重视。它是由穿戴式生物传感器通过对人体的运动参数与生理参数等进行采集，实现对人体非介入、连续性的诊断检测，棒子用户实现对心理健康的管理。而本文基于智能手表设计的生理健康数据采集系统，在设计上增加了远程通信模块、报警模块和GPS定位模块等。使系统可以对用户的心理波动进行实时检测，并通过和大量案例数据对比分析，当用户发生情绪波动与生化指标变动时，就会激活系统，并与建立的数据库进行自动对比分析，以此来判断用户是否需要介入帮助。

一、基于智能手表的生理健康数据采集系统总体结构及框架设计

智能手表可穿戴移动设备，不仅能够试下对个人生理健康数据方面的采集，还能够通过利用WiFi模块和蓝牙等实现和云端服务器、移动手机等设备进行连接，从而便于数据同步和专业应用系统集成开发。为能够实现对用户心理、心率、体温等多个方面的生理健康参数进行实时精准的采集和测量，在系统设计时需要从多个部位上安装传感器，以此实现多点检测。接着再将系统所采集到的用户生理健康参数经过处理之后上传到云端服务器中进行保存[2]。

首先，本文设计的生理健康数据采集系统分为智能手表硬件部分和移动手机端APP部分两方面构成。其次，该系统设计完成后，通电就可以实现对不同传感器测量值进行读取，然后通过判断后，在经过报警执行与生理数据上传等操作，具体系统运行原理见图1所示。

二、系统硬件设计与实现

该系统的硬件设计主要由数据采集模块、人体生理检测模块、远程通信模块、人机交互模块、数据存储模块、电源模块以及GPS定位模块、语音报警模块等8个模块共同组成，具体见图2所示。

（一）主控制模块设计

由于智能手表可穿戴移动设备体积较小，因此在设计过程中本文以STM32主控芯片为系统核心进行主控模块设。该模块的设计主要包含了红外温度传感器、远程通信控制单元、GPS控制单元、加速度传感器、陀螺仪等控制单元和语言控制单元等部分构成。其中，GPS模块地实现了对GPS信号的采集，然后通过将采集到的GPS位置信息通过处理之后，可以得到想要的精准位置信息。加速度模块控制单元主要作用于某个时间段用户的生理参数发生巨大变化时，系统会自动将其数值变化与预警值进行对比分析，如果操作预警值，系统就会给出报警信号[3]。

（二）语音报警模块

该模块的设计，本文选择利用HND-4216蜂鸣器为主，在主控模块作用下，系统一旦检测到用户的生理健康数据发生变化且超过报警阈值时，就会自动给出报警信号。

（三）GPS定位模块

此模块的设计，本文选择以NEO-7N UBL0X为GPS定位模块，并将该模块的端口和主控芯片的GPS控制单元端口向连接。这样一来，用户一旦出现意外，主控芯片就能够及时获得信息，并利用GPS定位模块将信息发送到基站，从而得到用户精准的位置坐标信息。接着将其好观测值进行对比分析，再经过修正、消除误差，以此就可以得到一个准确位置[4]。

（四）人体生理检测模块

传统的人体生理检测模块测量方法通过从心电信号或血压压力传感波动等两个方面来实现的。但该些方法在信号提取时限制了人体的活动，因此长时间状况下就会造成用户的生理或心理上产生不适。所以，针对生理数据采集检测模块，本文选择利用JFH111智能健康监测模块，准确地实现对用户的心率、血氧以及血压等生理健康参数进行采集。同时，该模块的设计由信号调理技术、检测算法等共同构成，只需要用户借助系统串口就可以通过通信模块，直接获取用户的生理健康参数，如脉搏波形、心率值等。当系统经过对用户生理健康特征信息进行初步处理之后，会借助WiFi模块将数据上传到监控终端对采集的数据进程汇总分析，以便能够通过和服务器中存在的案例对比，及时发现用户生理上是否存在问题。最后再将相关数据传输到监控中心服务器中[5]。

（五）电源模块与低功耗模块设计

首先电源模块的设计，为微处理器的工作提供了2～3.6V的电压，还为显示模块和传感器的工作提供3.3V的电压。因此，该模块的设计本文主要以体积小、轻便以及供电时间长的3.7V的可充电锂电池为主，以此提高了系统的兼容性和便携性。同时，在稳压芯片的作用下，电源模块具备低压线性特点，可以实现3.3V的稳定电压输出，3.7V的输入电压，以此为外设与主控芯片的工作提供稳定的电压，充分满足了智能手表的需求。不过还需要利用电容、100μF电感等消除电压波纹、电流突变以及噪声等对便携式设备造成的影响。

（六）远程通信及云服务器设计

远程通信模块设计主要利用WiFi模块，得以实现通过系统将用户的生理参数数据进程采集并传输到云端服务器中。本文通信选择利用移动物联网平台为主，借助WiFi实现云端服务器的访问，并将用户生理健康数据信息上报，也可通过移动设备对其进行远程控制，帮助用户或监护人借助手机app就可以实时获取其生理健康参数[6]。此设计，借助STM32单片机系统，经过串口实现对模块初始化配置，并在增强设备协议和物联网平台的连接下，1实现初始信息写入程序当中，从而实现与网站的连接。然后，将各个传感器所采集的生理健康数据信息实时的发送到云端服务器上。

三、系统主要功能软件设计及实现

（一）数据库搭建

数据库的设计主要作用于存储用户生理健康实时采集的数据，如心率、体温、血压等数值。同时，系统在对用户进行生理检测时，就会对检测数据进行实时存储，这样一来就用户借助最新数据和之前检测采集到的数据进行对比，以此更加清楚地认识到自身的具体健康状况。此外，还可以借助云端服务器中存储的案例，来分析自己的健康状况，并给出对应的报告分析。

（二）移动端APP与智能手表交互通信设计

针对移动端的APP设计，本文主要基于安卓系统为主，结合MaterialDesign设计风格实现APP界面设计，这样更加便于用户的操作。同时，该软件的设计可以自动定时或者手动的方式，实现对用户的生理健康各方面的数据进行分析采集，并用曲线图的方式在设备上显示出来。如果，用户需要介入帮助，就可以通过设备的报警功能，系统会及时采集用户所在位置及经纬度信息，并结合设备中地图的API接口，将位置信息发送给就近的医院，以此实现及时救援[7]。同一时间，系统会通过远程通信模块将用户信息发送给监护人，帮助监护人随时了解用户的位置及生理健康状况，具体设计见图3所示。

四、实验测试与结果分析

（一）系统数据处理算法

针对用户的心率健康数据进行测试时，首先由于心隶属于随机信号，通过利用光电容积法实现对心率测量时，距离心脏较远，且用户周围的环境还存在对其测量结果造成干扰的现象。因此，本文选择利用100Hz信号实现对心率C数据采样工作，用户的每一次脉搏跳动着分别对应一个波形峰值。当系统设备接上电之后，实施800个采样数据记录，且时间设为16S，并在默认阈值下对尖峰脉冲输以及平均心率进行计算。接着，利用定时器中断控制，并对每次循环的新数据进行记录，放弃数组当中最早的数据，然后再次对心率进行就算[8]。

（二）检测结果误差对比分析

为进一步验证该系统检测结果的精确性，本文通过利用ADIN-STRUMENTS的人体生理数据标准化设备和本文系统两者进行测量结果对比。此次实现，从数据库中随机抽选出5名用户作为测量对象，并且为降低环境对最终测量结果造成的影响，需要在同一地方、同一时间，进行测量。让用户通过左右手分别接触本系统和专业标准化医疗传感器。经过试验测试结果来看，再5次读取后，取其平均值得到的具体结果见表1所示。

从上述表1的对比结果上来看，本文设计的生理健康数据采样系统和专业标准化生理设备的测量结果对比，两者之间的误差不超过2%，并呈现正态分布。因此，证明了本文系统在生理健康数据采集时具有可靠性与可行性。

结语：

综上所述，针对人体心理健康安防监控需求，本文设计一款生理健康数据采集系统，该系统主要以低功耗、高度集成的智能手表为基础终端，增添了GPS定位模块、远程报警模块等相关功能模块。通过对用户身体生理参数采集，以此准确地实现对用户的心理、心率、血压、体温等健康参数做出检测，并自动生成相关检测报告。然后，在滤波算法作用下，使得用户的生理参数准确性得到了进一步的提高，并利用无线通信模块将当前生理数据实时上传到云端上，在移动端或网页端可以实现对用户生理健康数据参数的查看。

参考文献：

[1]许艳惠，上官博文.人体健康数据采集系统设计[J].吉林工程技术师范学院学报，2020，36（12）：115-116.

[2]朱洪浪，李林，曾陈萍，董加强，张耀方.基于单片机的多功能健康检测系统设计[J].电脑知识与技术：学术版，2021，17（7）：244-245+248.

[3]高晶晶，王子涵，张天然，等. 关于医院和养老院的智能医疗手表的设计与研究[J]. 电脑知识与技术，2022，18（6）：85-86.

[4]邵佳炜，殷义勋.基于智能手表的生理健康数据采集系统[J].移动信息，2022（2）：0026-0028.

[5]唐相志. 基于智能手表的人体健康安防监控系统设计与实现[D]. 安徽：安徽大学，2021.

[6]徐明，李子豪，周杰. 基于智能手表的可穿戴无线健康监测系统的设计与开发[J]. 卷宗，2020，10（19）：347.

[7]蔺钰柯，王林惠，潘学文，等. 基于Android的便携式人体生理特征监测系统设计[J]. 大众科技，2021，23（8）：1-3.

[8]张振涛，王娟. 无线生理参数监测方法与系统设计[J]. 吉林化工学院学报，2021，38（11）：54-58.

作者简介：熊伟（1978-8-15），男，汉，南充，研究生，讲师，研究方向：体育学。

项目名称：智能手表及手环心理卫生监测预警系统（编号：S202110615147）。