基于蓝牙4.0的示波法电子血压计的设计方案

一、引言

随着人类饮食作息习惯的改变，心血管方面的疾病问题已经成为致使人类过早死亡和残疾的主要因素之一。血压作为人体的重要生理指标之一，健康的血压是维持人体进行正常的新陈代谢必不可少的条件。传统的水银汞柱式血压计虽然测量准确，但使用不便，且需要经过培训才能精确测量。近年来，随着嵌入式软件和硬件技术的快速发展，可穿戴式智能医疗设备逐渐受到人们的青睐。因此，设计和开发便于携带的电子血压计已成为当前的研究热点。

二、示波法测量血压的基本原理

示波法测量血压的过程与柯氏音法基本一致。示波法通过袖带压力和脉搏波之间的对应关系来测定血压值。测量步骤如下：

1. 加压：通过气泵对袖带进行充气加压，阻塞上臂肱动脉血液流通。

2. 放气：在脉搏波消失后，对袖带进行缓慢放气减压，脉搏开始出现。

3. 测量：脉搏波突然变大，在达到人体的平均压时，脉搏波幅值达到最大值，然后又随着袖带中压力的减小而衰减。示波法通过检测脉搏波最大值来确定平均压，而舒张压和收缩压则需要通过它们之间的比例系数来计算。

三、基于蓝牙4.0的示波法电子血压计设计方案

1. 系统总体设计

基于蓝牙4.0的示波法电子血压计由数据采集部分（血压采集盒、袖带）和Android端APP组成。数据采集部分通过分支器连接压力传感器、电磁阀、气泵和袖带，保证装置和系统的气密性。电磁阀和气泵通过各自的驱动电路与控制芯片的O/I口相连，控制芯片通过驱动电路操纵电磁阀开关和气泵的充放气。

2. 硬件设计

（1）气泵和电磁阀设计

设备选择370直流气泵（日本美上美公司生产），最大供气气压可达450mmHg，额定电流为250mA，工作电压DC3-6V，分贝小于65dB。电磁阀选择CJ13-A06A1，气密性3mmHg/min，额定电流60mA，额定电压为DC3-6V，最低工作电压3.5V，直流阻抗100Ω，可达到设备快速放气和缓慢放气的要求。

（2）压力传感器和信号调理模块

压力传感器用于采集袖带压力数据和脉搏波数据。由于脉搏波信号具有采集困难、抗干扰能力差、强度较弱等特点，因此采用信号调理模块对采集到的信号进行放大、滤波，并传入单片机。

（3）蓝牙通信模块

本设备选用基于V4.0BLE的蓝牙串口通信模块（HC-08），与蓝牙2.0模块相比，功耗低、传输速度更快。在低耗能MODE3模式下，向串口发送一个字节的数据即可将其唤醒，该模块还可完成广播者、观察者、外设、中心等多角色转换，在空旷环境下能够实现80米远距离通信。

（4）主控芯片

主控芯片是电子血压计的核心部件，负责数据处理和通信控制。常见的主控芯片型号有：

• SIC32F911RET6：采用专有32位CPU，支持双引脚32KHz晶体振荡器或单引脚32KHz晶体振荡器。封装形式为LQFP64，适用于高性能、低功耗的应用场景。

• STM32F103ZET6：基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，具有高性能、低功耗的特点。适用于医疗设备、工业控制等领域。

• CC2540：支持蓝牙4.0低功耗技术的MCU，能够以小电流驱动气泵和气阀，并通过PWM智能控制气泵电机的转速。适用于可穿戴设备和物联网设备。

主控芯片在设计中的作用：

1. 数据处理：主控芯片负责采集到的压力传感器数据进行处理，通过算法计算出收缩压和舒张压。

2. 通信控制：主控芯片通过蓝牙模块与Android端APP进行通信，实现数据的实时传输和接收。

3. 设备控制：主控芯片通过驱动电路控制电磁阀和气泵的开关，实现袖带的加压和放气过程。

（5）电源管理模块

电源管理模块负责为整个系统提供稳定的电源供应。采用低功耗设计，确保设备在长时间使用过程中保持稳定的性能。

3. 软件设计

（1）下机位软件设计

下机位软件的主要功能是接收Android端APP的指令，并根据指令完成不同的操作。最后将经过信号调理模块和控制芯片处理后的数据通过蓝牙4.0上传至Android端APP。下机位软件采用STM32F103ZET6微控制器，以KeilMDK为开发平台，通过“串口调试助手”调试血压信号。

（2）Android端APP设计

Android端APP包含数据处理模块、波形绘制模块和蓝牙模块，实现数据转换、显示与传输。界面设计包括欢迎动画（显示产品名称及logo）、主界面（测量界面）、按钮（连接蓝牙、开始/停止测量）、显示区域（测量时心率、气压值、收缩压、舒张压）、分析界面（可选择查看历史血压曲线图）和信息提示对话框（提示用户重新连接、蓝牙未连接、袖带未绑好等）。

4. 测量算法

示波法测量血压的关键在于准确计算收缩压和舒张压。本设备采用拐点法和变幅度系数法相结合的方法来确定血压值。首先确定脉搏波中的每一个单波的峰值点，然后选择最适合的曲线拟合方式对脉搏波的峰值点进行包络线的拟合，并查找出包络线的峰值点。通过该点可以得出平均压，再利用变幅度系数法的归一化系数来确定收缩压和舒张压的位置，进而求得收缩压和舒张压。

5. 实验验证

对开发的电子血压计进行实验测试和验证，实验表明系统符合美国医疗仪器促进协会（AAMI）标准的要求。与水银血压计相比，测量结果相近，舒张压差值≤5mmHg的比例为90%，收缩压差值≤5mmHg的比例为80%。设备具有携带方便、操作简单、稳定性更强等优点，适用于家庭日常血压检测。

四、结论

基于蓝牙4.0的示波法电子血压计结合了示波法测量血压的基本原理和蓝牙4.0低功耗通信技术的优势，实现了血压的准确测量和数据的实时传输。通过优化硬件设计和改进测量算法，提高了设备的稳定性和准确性。该设备具有携带方便、操作简单、测量准确等优点，适用于家庭日常血压检测和远程医疗管理。未来，可以进一步探索物联网技术在电子血压计中的应用，实现更加智能化和个性化的健康管理。