可穿戴分布式生理信号监测系统设计

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近年来,可穿戴生理信号监测的相关研究取得了长足进步,涌现了大量典型健康监测应用案例。但对人体日常活动干扰小、需布置在人体不同位置实现有效多生理信号监测的传感系统设计依然充满挑战。有线方式测量系统体积庞大,不满足移动感知要求;智能衣是多生理信号监测的良好载体,但受织物材料、制造工艺等限制,在体型适配、水洗耐用性等方面表现不理想。无线传感网是多点分布式生理信号测量的理想解决方案。但现有的无线穿戴传感系统在轻量化、节点间时间同步等方面仍有提升空间。体积大、质量重的节点会降低用户对设备的使用依从性。缺少时间同步机制会使节点间丧失时间一致性,导致分析结果不可靠,如通过时间差估测血压时导致漏诊或误诊。因此,本文开展了可穿戴分布式生理信号监测研究,设计并实现了一套精确时间同步、佩戴舒适的低功耗蓝牙(BLE)多生理信号监测系统。主要研究工作如下:(1)提出了基于BLE连接事件的时间同步方法。利用BLE设备定时连接事件作为同步脉冲估计并补偿偏差时间,实现节点间精确时间同步。在分析时间误差来源及影响因素的基础上,通过实验明确了时间同步精度、节点功耗与连接事件间隔间的关系。结果表明提出的方法在较低功耗下达到了微秒级的时间同步精度,为多生理参数无线采集与分析提供基础和保障。(2)设计并实现了基于BLE的多生理信号采集系统。采用分布式、轻量化的理念,设计了胸部节点、腕部节点以及Android客户端。胸部节点采集心电、体温和姿态信号,腕部节点采集脉搏信号,各节点采用集成模拟前端电路降低重量和体积,改善了佩戴体验。传感节点移植了BLE5.0协议栈,植入提出的时间同步方法,通过休眠/唤醒机制优化功耗。开发了Android客户端实现对节点的控制与生理信号监测。(3)分析并验证可穿戴分布式多生理信号监测系统的有效性。测试了系统样机的功耗、时间同步精度及对生理信号的采集性能。并以有线方式采集的信号为基准,对比分析了系统在同步、异步采集方式下脉搏波传导时间的差异。结果表明,系统样机具有体积小、质量轻、便于佩戴等优点,节点间时间同步精度能达到1ms,能以低功耗实现多生理信号监测。本文设计的系统在无线传感网方式的多生理信号监测应用中具有较好前景。
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