基于光电传感技术的端云一体化心率血压智能监测系统设计
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2系统硬件设计
2.1主控模块 目前比较流行的主控模块主要有51单片机、
STM32单片机、应用范围较广泛的ARM控制器 等。其中51单片机需要仿真器来实现软硬件的
调试，较为繁琐，并且其片上资源相对较少，不能 满足本设计要求;STM32单片机与ARM控制器 相对于51单片机，可以实现本设计的所有需要( 但是ARM控制器相对成本较高，并且要单独配 置开发环境。STM32单片机价格低廉，功能齐 全，性价比最高。综上，本系统的硬件采用
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中国计量大学学报
第 32 卷
STM32F103芯片作为主控模块，构成核心控制 系统。
在单片机串口 1（UART1）搭载心率血压采 集模块，UART2搭载数据显示模块，UART3搭 载WIFI模块。单片机通过串口通信与各模块进 行数据交互，实现心率血压数据采集、处理、分析 以及实时显示、异常报警、远程传输等功能，系统 硬件结构图如图2O
式（1）中 < 为血压值 M 为血压值为零时血管壁 弹性模量,h为血管壁厚度％为血管内径'为血 液密度，PTT为脉搏波传导时间！为无量纲常 数,r为血管特性参数量值°由式（1）可知，血压 值和脉搏波传导时间具有较好的相关性，由脉搏 波传导时间可以间接地得到血压值。
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基于光电传感技术的端云一体化心率 血压智能监测系统设计
杨茹，陈亮 （中国计量大学光学与电子科技学院，浙江杭州310018）
【摘要】目的：基于传感器和云平台技术，设计了一种端云一体化心率血压智能监测系统，系统包括数据采 集前端、数据分析存储云平台和数据可视化应用终端三个部分（方法：系统使用STM32为主控模块，传感器 采用光电容积脉搏波描记法（PPG）,通过手腕或指尖采集血压、心率等体征参数，并在串口屏实时显示，运用 NB-IoT模组通过TCP/IP协议实现数据传输，在云平台上完成数据分析、异地存储、同步显示等功能（结果： 经用户多次测试使用，系统各功能完备、测量数据准确，较传统心率血压监测方法更加便捷化、智能化（结论： 系统监测参数多元化、精确度高，配备数据可视化PC端,可实现历史数据的远程查看、动态分析、异常预警等 功能，具有较好的实用性（
本系统心率血压采集模块可实现心率血压采 集计算、脉搏心电波形输出、血压跟踪监测等人体 健康指标采集°
图2硬件结构图 Figure2 HardwarestruGturediagram
2.2心率血压数据采集模块 综合比较市面上各种测试心率血压的模块，
包括小米手环、HRV健康测量AD8232监测传感 器.MAX30100心率血氧传感器以及MKB0805 连续心率血压脉搏波传感器，对比发现MKB0805 传感器可以实现通过手指接触即可快速测得心率 血压且测量精度高，而且可以直接接入主控模块， 具有其他模块所不具备的稳定性 °因此，心率血 压模块采用 MKB0805 传感器 O
【基金项目】 国家自然科学基金项目（No. 61775203,62075205）,国家重点研发计划项目（No. 2017YFF0210800）
【通信作者】 陈 亮（1981 -）男，教授，博士，主要研究方向为光电材料与器件、LED智能照明技术、光电智能仪器和嵌入式系统
应用。E-mail ： Lchen@ cjlu. edu. cn
【关键词】 心率血压监测；数据采集；云平台；健康监测
【中图分类号】TP277
【文献标志码】A
Design of a cloud-integrated heart rate and blood pressure intelligent monitoring system based on photoelectric sensing technology
本系统数据展示模块可实现数据采集控制、 实时时钟显示、实时心率血压显示、历史检测数据 查看、异常数据提示等功能。
第32卷第2期 2021年6月
中 国 计 量大学 学 报
Journal of China University of Metrology
Vol32 No2 Jun:2021
【文章编号】2096-2835(2021)02-0176-08 DOI：10. 3969/j. issn. 2096-2835. 2021. 02. 005
第2期
杨茹等:基于光电传感技术的端云一体化心率血压智能监测系统设计
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随着云平台、物联网时代的到来，智慧医疗得 到了广泛的认可「门。在智慧医疗的大环境影响下, 实现人体心率血压体征参数的即时、准确、快速监 测对于疾病的早期预防和发现具有重要意义②(
目前传统血压测量方法有多种，主要包括动 脉张力法、示波法以及容积补偿法等它们的 共同特点是在测量过程中都需要使用压力式充气 袖带，会给用户造成轻微不适感，并且测量过程需 要1 min左右，不能及时捕捉到人体的实时血压, 且携带不方便，对高血压的预防与监测没有起到 良好的积极作用⑷。而市面上的便携式的血压监 测设备，如智能手环等，又缺乏用户健康数据管理 功能，因此市场上极需要一款能够连续测量心率 血压的便携式健康管理系统。
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图3心率血压采集模块增益电路图 Figure3 Gain circuit diagram ofheart rate and
bloodpressureacquisition mt rate and blood pressure monitoring； data collection； cloud plaform； health monitoring
【收稿日期】2020-12-09
《中国计量大学学报》网址：zgjl. cbpt. cnki. net
YANG Ru, CHEN Liang
(ColegeofOpticsandElectronicTechnology'ChinaJiliang University'Hangzhou310018'China)
[Abstract] Aims： This paper aims to design a cloud-integrated heart rate and blood pressure intelligent monitoring systembasedonsensorandclouldplatformtechnology,thesystemincludedthreeparts：thedataaquisitionpart,a cloudplatformandavisualizationapplicationterminal. Method%： TheSTM32chipwaschosenasthethemaincontrol module.Parameterssuchasthebloodpressureandtheheartratewerecolectedthroughthewristorfingertipsensors bythePPG method.Thedataweretransmitedtothecloudplatformreal-timelybytheNB-IOT modulethroughthe TCP/IPprotocolforanalysis,remotestorageandsynchronousdisplay. Re%ult%： Thissystemrealizedthefunctionsof monitoringheartrateandbloodpressureconvenientlyandinteligently. Conclu%ion%： Thesystemrealizesthefunctions ofremotemonitoring,dynamicanalysisandabnormalwarning.
第2期
杨茹等:基于光电传感技术的端云一体化心率血压智能监测系统设计
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DGUS屏采用异步、全双工串口(UART), 串口模式为8n1,即每个数据传送采用十个位，包 括1个起始位,8个数据位,1个停止位( 232/TTL通讯和主板T/R输入输出信号交叉接 线，地线必须接上；485通讯485+接A+ ,485 — 接B-o串口的所有指令或数据都是16进制 (HEX)格式。采用变量驱动模式工作，屏的工作 模式和GUI的状态完全由数据变量来控制。因 此，串口指令只需要对变量进行读、写即可。
1系统总体设计方案
本系统设计包含数据采集前端(含心率血压 监测传感器、数据传输、数据处理中间件)、数据云 平台分析存储模块和数据可视化终端(即PC客 户应用终端)三个部分。
数据采集前端采用STM32F103单片机作为 主控模块，搭载MKB0805心率血压采集模块，其 传感器利用光电容积脉搏波描记法(Photo Plethysmo Gaphy,PPG)，通过手腕或指尖采集人 体心率血压数据，数据会实时显示在T5L_DGUS 串口屏上，而后通过搭载的ME3616窄带物联网 (Narrow Band-Internet of Things, NB-IoT)模 块，采用传输控制协议/网际协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)将 采集的数据以自定义的数据包格式发送至云服 务器。
数据云平台通过云服务器上部署的中间件服 务程序进行数据分析，以保证传输数据的准确与 唯一性，将最终数据存储至MYSQL数据库中。
数据可视化终端通过PC客户端服务软件， 进行心率血压历史数据的直观展示分析。系统的 整体框架图，如图1(
图1系统总体设计框图 Figure1 System designblockdiagram
2.3数据显示模块 本系统数据显示模块采用T5L_DGUS串口
屏，T5LASIC是针对AIoT应用设计的性价比 高、功耗低、GUI和应用高度整合的单芯片双核 ASIC IC,采用成熟和稳定且应用广泛的8051 核，1 T （单指令周期）高速工作，最高主频 250 MHz,其信号接口定义如表1°
相较于传统的LCD显示模块,其显示功能更 加丰富，分辨率高及自带触摸功能，可实现人机交 互需求，且与主控模块通信方便，更满足本系统的 需求°
本设计为基于光电传感技术的端云一体化心 率血压智能监测系统，实现了人体多体征参数的 检测。系统由智能监测传感器设备、应用终端和 云平台三部分组成。通过监测血压、心率等体征 参数,判断用户的健康状况，当发生异常时可及时 预警。系统监测参数多元化、实时性能高，可实现 数据的远程传输、处理和展示。有助于建立人体 健康监测新模式，在穿戴式健康监测设备领域有 着广阔的应用前景页。
心率血压采集模块主要由 YK1801 脉搏传感 器芯片、HR6707脉搏芯片、HR6816增益芯片和 SFB9712算法芯片组成°其中YK1801脉搏传感 器采用光电式容积脉搏波描记（PPG）的方式采集 人体的脉搏信号，再通过HR6816芯片组成的高 阻抗、低噪声、低温漂的增益放大电路对心电信号 和脉搏信号进行放大，其原理图如图3°放大之 后的信号通过HR6707芯片内置的RC滤波电路 和低通数字滤波器进行滤波，获得较平滑的信 号［12-13］ °再将信号输入SFB9712算法芯片，最终 输出血压、心率等串口信号°
其基本原理为：血液在流动过程中产生周期 性的脉搏波,脉搏波波形会随着离心脏距离的不 同会有时间上的延迟即脉搏波传导时间，由 Moens-Kortweg公式和Hughes「6「7l推导出人体 血压变化与动脉血管壁杨氏弹性量以及脉搏波传 导时间的关系“%
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2系统硬件设计
2.1主控模块 目前比较流行的主控模块主要有51单片机、
STM32单片机、应用范围较广泛的ARM控制器 等。其中51单片机需要仿真器来实现软硬件的
调试，较为繁琐，并且其片上资源相对较少，不能 满足本设计要求;STM32单片机与ARM控制器 相对于51单片机，可以实现本设计的所有需要( 但是ARM控制器相对成本较高，并且要单独配 置开发环境。STM32单片机价格低廉，功能齐 全，性价比最高。综上，本系统的硬件采用
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中国计量大学学报
第 32 卷
STM32F103芯片作为主控模块，构成核心控制 系统。
在单片机串口 1（UART1）搭载心率血压采 集模块，UART2搭载数据显示模块，UART3搭 载WIFI模块。单片机通过串口通信与各模块进 行数据交互，实现心率血压数据采集、处理、分析 以及实时显示、异常报警、远程传输等功能，系统 硬件结构图如图2O
式（1）中 < 为血压值 M 为血压值为零时血管壁 弹性模量,h为血管壁厚度％为血管内径'为血 液密度，PTT为脉搏波传导时间！为无量纲常 数,r为血管特性参数量值°由式（1）可知，血压 值和脉搏波传导时间具有较好的相关性，由脉搏 波传导时间可以间接地得到血压值。
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基于光电传感技术的端云一体化心率 血压智能监测系统设计
杨茹，陈亮 （中国计量大学光学与电子科技学院，浙江杭州310018）
【摘要】目的：基于传感器和云平台技术，设计了一种端云一体化心率血压智能监测系统，系统包括数据采 集前端、数据分析存储云平台和数据可视化应用终端三个部分（方法：系统使用STM32为主控模块，传感器 采用光电容积脉搏波描记法（PPG）,通过手腕或指尖采集血压、心率等体征参数，并在串口屏实时显示，运用 NB-IoT模组通过TCP/IP协议实现数据传输，在云平台上完成数据分析、异地存储、同步显示等功能（结果： 经用户多次测试使用，系统各功能完备、测量数据准确，较传统心率血压监测方法更加便捷化、智能化（结论： 系统监测参数多元化、精确度高，配备数据可视化PC端,可实现历史数据的远程查看、动态分析、异常预警等 功能，具有较好的实用性（
本系统心率血压采集模块可实现心率血压采 集计算、脉搏心电波形输出、血压跟踪监测等人体 健康指标采集°
图2硬件结构图 Figure2 HardwarestruGturediagram
2.2心率血压数据采集模块 综合比较市面上各种测试心率血压的模块，
包括小米手环、HRV健康测量AD8232监测传感 器.MAX30100心率血氧传感器以及MKB0805 连续心率血压脉搏波传感器，对比发现MKB0805 传感器可以实现通过手指接触即可快速测得心率 血压且测量精度高，而且可以直接接入主控模块， 具有其他模块所不具备的稳定性 °因此，心率血 压模块采用 MKB0805 传感器 O
【基金项目】 国家自然科学基金项目（No. 61775203,62075205）,国家重点研发计划项目（No. 2017YFF0210800）
【通信作者】 陈 亮（1981 -）男，教授，博士，主要研究方向为光电材料与器件、LED智能照明技术、光电智能仪器和嵌入式系统
应用。E-mail ： Lchen@ cjlu. edu. cn
【关键词】 心率血压监测；数据采集；云平台；健康监测
【中图分类号】TP277
【文献标志码】A
Design of a cloud-integrated heart rate and blood pressure intelligent monitoring system based on photoelectric sensing technology
本系统数据展示模块可实现数据采集控制、 实时时钟显示、实时心率血压显示、历史检测数据 查看、异常数据提示等功能。
第32卷第2期 2021年6月
中 国 计 量大学 学 报
Journal of China University of Metrology
Vol32 No2 Jun:2021
【文章编号】2096-2835(2021)02-0176-08 DOI：10. 3969/j. issn. 2096-2835. 2021. 02. 005
第2期
杨茹等:基于光电传感技术的端云一体化心率血压智能监测系统设计
177
随着云平台、物联网时代的到来，智慧医疗得 到了广泛的认可「门。在智慧医疗的大环境影响下, 实现人体心率血压体征参数的即时、准确、快速监 测对于疾病的早期预防和发现具有重要意义②(
目前传统血压测量方法有多种，主要包括动 脉张力法、示波法以及容积补偿法等它们的 共同特点是在测量过程中都需要使用压力式充气 袖带，会给用户造成轻微不适感，并且测量过程需 要1 min左右，不能及时捕捉到人体的实时血压, 且携带不方便，对高血压的预防与监测没有起到 良好的积极作用⑷。而市面上的便携式的血压监 测设备，如智能手环等，又缺乏用户健康数据管理 功能，因此市场上极需要一款能够连续测量心率 血压的便携式健康管理系统。
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图3心率血压采集模块增益电路图 Figure3 Gain circuit diagram ofheart rate and
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【收稿日期】2020-12-09
《中国计量大学学报》网址：zgjl. cbpt. cnki. net
YANG Ru, CHEN Liang
(ColegeofOpticsandElectronicTechnology'ChinaJiliang University'Hangzhou310018'China)
[Abstract] Aims： This paper aims to design a cloud-integrated heart rate and blood pressure intelligent monitoring systembasedonsensorandclouldplatformtechnology,thesystemincludedthreeparts：thedataaquisitionpart,a cloudplatformandavisualizationapplicationterminal. Method%： TheSTM32chipwaschosenasthethemaincontrol module.Parameterssuchasthebloodpressureandtheheartratewerecolectedthroughthewristorfingertipsensors bythePPG method.Thedataweretransmitedtothecloudplatformreal-timelybytheNB-IOT modulethroughthe TCP/IPprotocolforanalysis,remotestorageandsynchronousdisplay. Re%ult%： Thissystemrealizedthefunctionsof monitoringheartrateandbloodpressureconvenientlyandinteligently. Conclu%ion%： Thesystemrealizesthefunctions ofremotemonitoring,dynamicanalysisandabnormalwarning.
第2期
杨茹等:基于光电传感技术的端云一体化心率血压智能监测系统设计
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DGUS屏采用异步、全双工串口(UART), 串口模式为8n1,即每个数据传送采用十个位，包 括1个起始位,8个数据位,1个停止位( 232/TTL通讯和主板T/R输入输出信号交叉接 线，地线必须接上；485通讯485+接A+ ,485 — 接B-o串口的所有指令或数据都是16进制 (HEX)格式。采用变量驱动模式工作，屏的工作 模式和GUI的状态完全由数据变量来控制。因 此，串口指令只需要对变量进行读、写即可。
1系统总体设计方案
本系统设计包含数据采集前端(含心率血压 监测传感器、数据传输、数据处理中间件)、数据云 平台分析存储模块和数据可视化终端(即PC客 户应用终端)三个部分。
数据采集前端采用STM32F103单片机作为 主控模块，搭载MKB0805心率血压采集模块，其 传感器利用光电容积脉搏波描记法(Photo Plethysmo Gaphy,PPG)，通过手腕或指尖采集人 体心率血压数据，数据会实时显示在T5L_DGUS 串口屏上，而后通过搭载的ME3616窄带物联网 (Narrow Band-Internet of Things, NB-IoT)模 块，采用传输控制协议/网际协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)将 采集的数据以自定义的数据包格式发送至云服 务器。
数据云平台通过云服务器上部署的中间件服 务程序进行数据分析，以保证传输数据的准确与 唯一性，将最终数据存储至MYSQL数据库中。
数据可视化终端通过PC客户端服务软件， 进行心率血压历史数据的直观展示分析。系统的 整体框架图，如图1(
图1系统总体设计框图 Figure1 System designblockdiagram
2.3数据显示模块 本系统数据显示模块采用T5L_DGUS串口
屏，T5LASIC是针对AIoT应用设计的性价比 高、功耗低、GUI和应用高度整合的单芯片双核 ASIC IC,采用成熟和稳定且应用广泛的8051 核，1 T （单指令周期）高速工作，最高主频 250 MHz,其信号接口定义如表1°
相较于传统的LCD显示模块,其显示功能更 加丰富，分辨率高及自带触摸功能，可实现人机交 互需求，且与主控模块通信方便，更满足本系统的 需求°
本设计为基于光电传感技术的端云一体化心 率血压智能监测系统，实现了人体多体征参数的 检测。系统由智能监测传感器设备、应用终端和 云平台三部分组成。通过监测血压、心率等体征 参数,判断用户的健康状况，当发生异常时可及时 预警。系统监测参数多元化、实时性能高，可实现 数据的远程传输、处理和展示。有助于建立人体 健康监测新模式，在穿戴式健康监测设备领域有 着广阔的应用前景页。
心率血压采集模块主要由 YK1801 脉搏传感 器芯片、HR6707脉搏芯片、HR6816增益芯片和 SFB9712算法芯片组成°其中YK1801脉搏传感 器采用光电式容积脉搏波描记（PPG）的方式采集 人体的脉搏信号，再通过HR6816芯片组成的高 阻抗、低噪声、低温漂的增益放大电路对心电信号 和脉搏信号进行放大，其原理图如图3°放大之 后的信号通过HR6707芯片内置的RC滤波电路 和低通数字滤波器进行滤波，获得较平滑的信 号［12-13］ °再将信号输入SFB9712算法芯片，最终 输出血压、心率等串口信号°
其基本原理为：血液在流动过程中产生周期 性的脉搏波,脉搏波波形会随着离心脏距离的不 同会有时间上的延迟即脉搏波传导时间，由 Moens-Kortweg公式和Hughes「6「7l推导出人体 血压变化与动脉血管壁杨氏弹性量以及脉搏波传 导时间的关系“%
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