儿童有患小儿窦性心律失常的风险，心率可以从一 定程度反应心血管健康问题。例如若儿童患有心肌炎或 者是先天性心脏病，会在静息时发生窦性心动过速（无 特殊临床表现冤。因此在日常生活中对于心率的连续监 测十分必要。部分父母无暇时刻顾及孩子的身体状况， 需要一款可以远程查看孩子健康状况的工具。佩戴在胸 前的心率带等传统设备对于儿童来说不舒适且价贵易 损 ，近年来随着可穿戴式设备的普及，各公司也研制了 不少具有此功能的腕表或手环。将设计一种可用于儿童 智能检测手环中的心率监测模块。 1 心率监测原理
市场上现在具备心率监测模块的可穿戴设备已成主 流，目前比较成熟的可用于可穿戴设备的无创心率测量 (不造成机体创伤，间接在体表测量出人体的生理参数) 的方法有心电信号法、血氧法、压力振荡法和图像信号 分析法、光电容积法。
其中光电容积法，全名为光电容积脉搏波描记法， 分为反射式和透射式测量。人体组织由分为动脉血和静 脉血的血液组织以及非血液组织组成。根据郎伯一比尔 定 律 ，恒定波长的单色光照射到人体上，经过人体吸收 与反射后测量到的光强在一定程度上可以反映被照射部 位组织的特征。接收端接收到的光信号随血液的容积在 心脏的跳动的搏动变化而呈波动性变化。心脏收缩时外 周血容量最多，光吸收量最大，检测到的光强度最小， 而心脏舒张时相反。将此光信号转换成电信号便可获得 心率的变化[1]。如 图 1 所示，透射式从LED端发出平行 光 ，接收端接收到直接穿透人体组织、被吸收了一部分
本设计使用主控单片机为STM32F103系 列 ，当时 钟 频率为72MHz时从闪存执行代码，主控单片机功耗 36mA，相 当 于 0.5mA/MHz|3]，速 度快且低功耗，适合用 来开发智能手环。
系统设计如图2 所 示 。首先人体脉搏信号通过反 射式光电传感器由光信号反映出来，接着转换为电信 号 ，经过低通滤波器的滤波电路以及运算放大器的放 大电路后输入主控单片机。信 号 通 过 STM3 2 自带的模 拟 数 字 转 换 器 （Analog-to-digital converter，简称 ADC) 转 换 为 模 拟 信 号 ，最 后 通 过 算 法 计 算 出 心 率 输 入 至 接 收端。
反射式测量的缺点在于容易受到外界光源的影响， 并且血液对不同波长光的吸收量不同会导致透光量不 同。检测到的脉搏波容易因运动的影响产生偏差，并且
作者简介：刘 师 桥 （1996-)，女 ，本 科 ，研究方向: 嵌人式系统开发。 收稿日期：2018-01-30
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2018.04
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脉搏
—► 光 电 传 感 器 -► 低 通 滤 波 器 —> 运 算 放 大 器 —> 微 控 制 器 -► 接 收 端
图 2 心率传感器框图
3 . 2 光电传感器 经对比采用New JRC公司生产的绿色LED 型反射
式光电传感器NJL5303R 来进行测量。此传感器采用波 长 为 570n m 的绿光，与红光相比测量时的感应强度与 对人体组织的反射率更高，并且提高了信号平均功率与 噪声平均功率的比值渊S /N 比）。 3 . 3 信号处理电路
实用第一/ 智慧密集
9 回圆… 能与目标信息带重叠，会 在一定程度下影响提取心率的准确性|21。鉴于运动容易 对PPG信号产生干扰，因此拟定在选择合适硬件电路的 情况下，通过算法来减低干扰因素，增加心率测量的准 确性。 3 硬件设计 3 . 1 硬件系统
基于光电容积法的心率监测模块设计
刘师桥，张 波 ，唐 芳 月 ，宋 艺 ，刘语涵，王丰林 (天津师范大学计算机与信息工程学院，天 津 300387)
摘 要 ：心率是判断健康的重要指标之一，利用可穿戴智能设备在日常生活中进行持续的心率监测十 分必要。选择了光电容积脉搏波描记法中的反射式测量法，设计一种可用于儿童智能手环的心率监测 模块。以 STM32F103单片机为核心，采 用 NJL5303R 反射式光电传感器采集光体积描述信号，对比快 速傅里叶变换法、最小均方算法、滑动平均滤波算法与近年来我国学者提出的综合性算法等信号提取 算 法 ，介绍了其原理并分析了信号提取与抗干扰方面的优缺点。提 取 出 的 PPG信号经放大和滤波并由 算法处理得到心率值，实现日常生活中的连续性心率监测。 关键词：可穿戴智能设备；心率监测；光电容积法；STM3 2 单片机
的光信号，反 射 式 从 LED端发出平行光，接收端接收 到经过人体组织反射之后的光信号。
透射式测量法
反射式测量法
图 1 光电容积法示意图
2 心率监测方法 市场上 Apple Watch、二星 Gear Fit、Microsoft Band
等手环上都配备的是光电式心率监测模块。相对于其他 测量方法而言，光电容积法不需要昂贵的器材与复杂的 操作，对使用者的要求较低并且可以检测人体运动时的 心率，相比之下比较适合于连续的心率监测。相对于适 用于耳垂或者指尖等使光相对容易通过的部位的透射 式 ，佩戴于光几乎无法穿透的手腕部位的手环采用反射 式更为合理。
FFT) 是离散傅里叶变换的快速算法|4]。FFT作为传统的 频域分析法，是常见的心率提取方法之一。将时域信号 转为频域，再通过分析频域中的频率来提取心率|5]。但 此方法只能用于有限区间，并且在运动干扰强烈时，由 于时域截断可能会造成较大误差并且提取困难。
最小均方算法是一种广泛运用的自适应滤波算法， 利用参考信号对滤波器系数进行不断调整从而去除干 扰|6]，进行信号对比之后自动更新系数得到反馈，适应 需要提取的信号的特性实现滤波。这种方法需要过多的 已知条件，过于依赖参考信号，事先设置初值也有一定 的弊端。
光电传感器输出的电信号微弱且容易受到干扰，为 了提取出较为准确的信号则需进行滤波和放大处理。电 信号经过低通滤波器，再由运算放大器放大相应的倍 数 ，输出至单片机的ADC模 块 ，滤波与放大电路如图 4 所示。
4 算法比较 快 速 傅 里 叶 变 换 法 （fast Fourier transform,缩写为