描述

概念

對于想要在不服藥的情況下預測和減少潮熱和盜汗的女性來說，有個好消息！研究表明，運動、減輕壓力和簡單地搬到涼爽的地方等行為改變對潮熱的嚴重程度和發生率有顯著影響。這就是可穿戴設備可以提供幫助的地方：通過跟蹤潮熱并提供真實反饋。

心率和體溫是潮熱和盜汗的兩個指標。更年期戒指既有感覺，又有風格！這款戒指為尋求行為解決方案的女性提供了一個簡單而強大的工具。它可以幫助回答以下問題：

• 我什么時候會經歷最嚴重的潮熱？
• 我的潮熱如何隨室溫變化？
• 上周鍛煉是否減輕了我潮熱的嚴重程度？

我們在這個項目中的主要設計目標是打造一款 (1) 易于使用、(2) 視覺友好且實用，以及 (3) 零售價低于 50 美元的戒指。

• 易于使用：通過一鍵循環在電子紙顯示屏上顯示您的心率和溫度。要充電，請將其放在任何與Qi 兼容的無線充電器上，顯示屏會顯示其電池電量。
• 視覺友好且實用： (A) 三種顏色選擇：灰色、黑色、白色 — 一種不起眼的調色板，易于搭配各種服裝和個人風格。(B) 形式：簡約的倒角曲線——易于清潔的現代設計。(C) 屏幕顯示：灰色、白色或黑色電子紙 — 方便眼睛，同時謹慎地顯示敏感的健康信息。
• 零售價不到 50 美元：這款戒指采用市場上最常見的傳感器和芯片，以降低價格，同時保持性能。查看“概念物料清單”了解詳細的成本明細。

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在確定了我們都同意的概念后，我們開始研究硬件原型以首先驗證技術。

原型

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該原型具有更年期環的所有主要組件，充電線圈除外。Arduino Uno 從兩個常見的分線板上測量心率和溫度，并將其傳輸到 SD 卡以供以后分析。它還每隔 30 秒左右在電子紙顯示屏上顯示心率和溫度。當然，它可能很笨重，但它可以完成工作（當你走在街上時它肯定會引起注意）！

請閱讀以獲得更多詳情...

心率感應

MAX30102 心率模塊測量光電容積脈搏波(PPG) ，這是一個真實的詞，是醫院使用的一項技術。LED 照射到皮膚中，反射光由附近的光電二極管測量。反射光的量由皮膚附近的血量調節，因此當有更多血液時（如脈搏期間），反射光會下降。然后通過心跳之間的距離或傅立葉變換計算心率。不幸的是，由于正常的身體運動（例如擠壓傳感器或移動手臂），血容量也會發生變化，因此需要進行一些信號處理來濾除這些噪音。

我們基于 Geert Langereis 在本文中的模擬濾波器設計，使用數字濾波器鏈去除噪聲：

• 6 Hz 低通濾波器（二階）
• 60 Hz 陷波濾波器（一階）——去除常見的 60 Hz 噪聲
• 0.8 Hz 高通濾波器（一階）
• 4.8 Hz 低通濾波器（一階）
• 3 Hz 高通濾波器（一階）——將信號中的跳躍轉換為局部最小值

然后，我們將過濾后的信號與基于先前測量的節拍應該落在哪里的可能性相結合。我們發現，通過將濾波后的信號與這種可能性相乘，即使用戶在移動或信號特別低，我們也能夠可靠地捕捉心跳。該過程的示意圖如下所示：

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這是一個搖搖欲墜的用戶的例子，用于比較......

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我們用來實時繪制這些節拍的 Python 腳本包含在 test/ 下的 github 存儲庫中。我們使用了一個名為 Glumpy 的 openGL python 包裝器來完成繁重的工作。您可以看到頂行顯示過濾后的傳感器數據和預測的節拍。接下來的兩行分別是節拍似然和組合信號。最后一行是瞬時心率。

溫度感應

我們使用 MCP9808 傳感器測量溫度，其分辨率為 0.0625 oC。由于潮熱事件會導致皮膚溫度升高 0.1 到 5 oC（參見此處和此處），因此該傳感器為我們提供了合理的分辨率，可以以低廉的價格（1 美元）檢測潮熱。傳感器輕輕地壓在用戶的手指上，并隨著皮膚溫度升高和降低。我們測量該傳感器的時間常數約為 7 秒，這足以解決熱沖洗事件，因為啟動大約需要 1 分鐘。

展示

電子紙顯示屏顯示溫度和心率。我們選擇了電子紙，因為它的功耗低（我們為此應用計算了大約 10 uA）。那是因為它只在改變狀態時才使用電源！電子紙為可穿戴顯示器提供了獨特的外觀：在考慮了 OLED 和 LCD 選項之后，我們選擇了電子紙，因為我們認為這種設計感覺更簡單和友好。

我們在 Waveshare 的電子紙顯示模塊（我們可以輕易找到的最小的）上制作了該顯示器的原型，其中包括一個升壓轉換器，用于產生驅動顯示器所需的 15 V 電壓。他們提供的啟動 Arduino 代碼很容易在幾分鐘內啟動并運行。我們遇到了一個問題：Arduino Uno 只有 2 KB 的 RAM，因此圖像和字體必須存儲在程序內存中。

Arduino代碼

我們將 Arduino Uno 與我們發現的 Adafruit Wave Shield 一起使用，結果證明它作為開/關開關（指輪）和用于數據記錄的 SD 卡接口非常出色。好的！我們不確定獲得這個盾牌有多容易，但任何 sd 卡盾牌都應該可以解決問題（它們都將使用相同的 SPI 線）。

以下支持庫用于與外圍設備通信：

• 心率傳感器：SparkFun MAX3010x 脈沖和接近庫
• 溫度傳感器：Adafruit MCP9808 庫
• SD 卡：PetitFS （由 Bill Greiman 設計）
• 展示：e-Paper （由“Waveshare 野輝”提供）

您還可以在 Arduino Library Manager 上找到這兩個傳感器庫。

為了開發代碼，我們使用了適用于 Visual Studio Code 的PlatformIO插件，它是跨平臺且免費的。如果您還沒有聽說過 PlatformIO，我們建議您查看一下。對于大型項目，它是 Arduino IDE 的絕佳替代品。

以下是主循環的工作原理：

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當用戶打開開關時，Arduino 會不斷地輪詢心率傳感器以獲取樣本。一旦足夠的樣本填滿了預期下一次心跳的“sampleWindow”，代碼就會切換到處理該心跳以計算新的心率。每 40 次心跳（約 30 秒），通過心跳間隔的低通濾波器計算心率（為了避免心率因常見的心臟撲動而跳躍）。然后顯示屏會以每分鐘心跳次數 (bpm) 為單位顯示更新后的心率。查看 github 頁面以獲取簡單的狀態機圖。

下一步

• 3d 打印原型/材料測試：打印/制造一個環，無需額外移動橡皮筋即可將傳感器固定到位。
• 無線充電/功耗：測試現成的 Qi 兼容無線電源接收器芯片，帶有適當大小的線圈。測量沒有不必要外圍設備（例如 USB 芯片、狀態 LED）的系統的電流消耗。
• 柔性 PCB：將電子元件縮小到橫跨環圓周的單個柔性上。概念物料清單計算表明它應該全部適合，但實際布局可能會講述一個不同的故事。
• 數據采集??：心率傳感器準確度因種族、體重等不同而不同，所以我們需要對各種女性進行測試，也就是說要使用那個SD卡！
• 縮小顯示器：電子紙看起來很棒，但要縮小尺寸則需要與制造商密切合作。還有其他選項需要考慮（例如電致變色顯示器），這些選項可能更容易縮小并仍然保持低功耗。

致謝

非常感謝Hackster.io和 AARP 創新實驗室主辦本次比賽。很高興與在線創意制作者社區分享我們的作品，您讓這成為可能！