基于STM32的遠(yuǎn)程人體參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莊婧昱+劉忠富

摘要： 關(guān)鍵詞： 中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 2095-2163（2017）06-0111-04

Abstract： Fast changing Internet of Things applications and sensor technology lay the foundation for health information collection，personnel drug identification and accurate positioning， and are also possible to create nonboundary perception hospitals and digital intelligent hospitals. In this paper， a longrange human body data acquisition system is proposed，which collects the data of body temperature，pulse and blood pressure in noncontact ways，and adopts Bluetooth as the communication module for sending data to the master chipSTM32. When the data of body temperature，pulse and blood pressure is out of range， this system could send alarms to the guarders by GSM，which is the alarming module.In the meantime，the system could upload the data to the computer and display the data with visual tools.

0引言

近年來，國(guó)內(nèi)外已陸續(xù)開啟了將遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用在醫(yī)療的項(xiàng)目研究，通過對(duì)人體各項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)護(hù)，雖仍有待深度研發(fā)，但已然取得了可觀成果[1]。如：北京市衛(wèi)生局、MedDay在中國(guó)成立了1個(gè)聯(lián)盟，旨在抗擊公共衛(wèi)生和慢性疾病的威脅。此聯(lián)盟提出的解決方案就使患者無論身在城市或是鄉(xiāng)村都能監(jiān)測(cè)到自身的生理參數(shù)，并可利用手機(jī)將注冊(cè)的數(shù)據(jù)上傳到主治醫(yī)生或其他專業(yè)醫(yī)療人士。

在此背景形勢(shì)下，本文將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)研發(fā)。遠(yuǎn)程人體參數(shù)采集系統(tǒng)則配設(shè)有體溫傳感器、脈搏傳感器、血壓傳感器等，并通過微控制器來操縱處理這些傳感器，獲得的數(shù)據(jù)就經(jīng)由藍(lán)牙、GSM模塊發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)云端進(jìn)行存儲(chǔ)，再利用可視化工具提供結(jié)果顯示。針對(duì)這一課題內(nèi)容，本文將展開如下研究論述。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)下位機(jī)底層傳感器信息采集系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，采集體溫、脈搏和血壓等人體參數(shù)，通過藍(lán)牙無線傳輸模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，當(dāng)數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，就會(huì)通過GSM將數(shù)據(jù)以短信方式發(fā)送到監(jiān)護(hù)者手機(jī)中，并在單片機(jī)觸摸屏上顯示出來，同時(shí)還可在電腦的可視化界面中呈現(xiàn)分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程人體參數(shù)采集系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、脈搏傳感器電路、體溫傳感器電路、血壓傳感器電路、藍(lán)牙傳輸電路、GSM無線傳輸電路。設(shè)計(jì)內(nèi)容具體如下。

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)中所采用的微控制器是STM32F103C8T6。這是一款STM32系列單片機(jī)增強(qiáng)型的32 bit單片機(jī)，具有豐富的外設(shè)配置和極高的可靠性。單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路中外部晶振采用8 MHz的無源晶振，電容采用20 pf的瓷片電容[2]。系統(tǒng)復(fù)位電路采用手動(dòng)和上電復(fù)位，便于調(diào)試。

2.2脈搏傳感器電路

容積法是一種針對(duì)人體組織中脈搏信號(hào)的無創(chuàng)檢測(cè)方法。使用時(shí)，將傳感器固定在被測(cè)者的手指末梢來檢測(cè)脈搏信號(hào)，獲取具有諧波特性的指端脈搏波。光源使用515 nm波長(zhǎng)。當(dāng)傳感器的光電二極管發(fā)出一定波長(zhǎng)的光束，照射到研究選取的人體血管末梢時(shí)，照射光將穿透過人體的組織和外圍血管，至此光電接收器將感受到透射、反射的光。

接收過程中隨著人體動(dòng)脈的周期性搏動(dòng)，電信號(hào)也將與之伴生周期性的變化。光接收器將接收光轉(zhuǎn)換成周期變化的電信號(hào)，并將信號(hào)送到濾波以及放大電路。通過這一系列的發(fā)送接收轉(zhuǎn)換，就可以測(cè)得人體脈搏的周期、即心率。脈搏傳感器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。過程中采用的綠色光線由二極管發(fā)射產(chǎn)生，其選用型號(hào)為AM2520。同時(shí)，光接收器采用APDS-9008，其檢測(cè)的峰值波長(zhǎng)為565 nm。頻率主要集中在0.5～500 Hz的范圍，但是卻會(huì)有大于50 Hz的頻率干擾，因此研究中專門設(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率為40 Hz的低通濾波器來執(zhí)行濾波[3-5]。

此外，還引入了一個(gè)放大電路來提高輸出的模擬信號(hào)幅值。電壓增益為332倍，同時(shí)采用分壓電阻設(shè)置了直流偏置，部分電壓信號(hào)為電源電壓的1/2，使單片機(jī)的A/D能夠有效采集到放大后的電壓信號(hào)。

2.3體溫傳感器電路

采用MLX90614非接觸溫度計(jì)模塊。MLX90614主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16 bit A/D轉(zhuǎn)換器和DSP單元等組成[6-7]。其中，紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并經(jīng)過低噪聲放大器放大后傳送給A/D轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)FIR/IIR低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號(hào)處理器，再對(duì)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理后輸出測(cè)量結(jié)果，并保存在MLX90614內(nèi)部RAM中，可以通過SMBus 或PWM 方式供主控CPU單元引用讀取。endprint

2.4血壓傳感器電路

本系統(tǒng)中，血壓采集電路主要分為模擬信號(hào)讀取和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換兩個(gè)部分。在模擬信號(hào)讀取部分中，主要采用了XGZP6847氣體壓力電子血壓計(jì)傳感器，傳感器總共有6個(gè)引腳。其中，2號(hào)引腳和4號(hào)引腳接電源3.3 V，3號(hào)引腳和6號(hào)引腳接GND，而5號(hào)引角是壓力信號(hào)的模擬輸出信號(hào)。輸出電壓為0.2～2.7 V，對(duì)應(yīng)血壓是0～300 mmHg[8-10]。

2.5GSM無線傳輸電路

GSM模塊電路為SIM800A芯片以及其外圍電路，憑借串口通信與微控制器間支持建立傳輸通信，所以該芯片的TX與RX兩個(gè)管腳連接到主控制器的PA2和PA3引腳上，由于該芯片的功耗較大，研究后選取了12 V的獨(dú)立適配電源。這里，將給出GSM電路的整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的是C語言編程，程序的編寫重點(diǎn)在于各種傳感器數(shù)據(jù)采集的函數(shù)算法和無線傳輸程序設(shè)計(jì)[11-12]。系統(tǒng)首先對(duì)單片機(jī)的串口、中斷和顯示模塊進(jìn)行初始化，并不斷對(duì)單片機(jī)的各模塊接口電路的I/O口循環(huán)指定檢測(cè)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分下位機(jī)信息采集部分和上位機(jī)數(shù)據(jù)接收和顯示部分。設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)可展示如下。

3.1下位機(jī)信息采集程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)信息采集程序設(shè)計(jì)主要包含了傳感器程序設(shè)計(jì)、藍(lán)牙程序設(shè)計(jì)、GSM設(shè)計(jì)，軟件執(zhí)行流程如圖4所示。由圖4可知，底層信息采集程序設(shè)計(jì)的主要功能是把傳感器的采集值，在單片機(jī)的觸摸顯示屏上顯示出來，并能自動(dòng)分析數(shù)據(jù)是否處于人體正常水平限度內(nèi)，若超出正常范圍，則通過GSM模塊給監(jiān)護(hù)人發(fā)送警告。此外，還可利用藍(lán)牙無線傳輸將數(shù)據(jù)傳送到電腦中。

3.2上位機(jī)軟件流程圖

上位機(jī)軟件采用Labview。Labview是一種程序開發(fā)環(huán)境，一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。Labview信息處理及程序顯示軟件部分主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合處理并視覺顯示在Labview界面上。如果判斷到數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱?時(shí)，Labview界面接收藍(lán)牙傳來的數(shù)據(jù)。研究得到上位機(jī)軟件的運(yùn)行流程則如圖5所示。

4結(jié)束語

本文將STM32F103C8T6單片機(jī)、GSM無線模塊、與紅外無線體溫傳感器、脈搏傳感器和血壓傳感器結(jié)合在一起設(shè)計(jì)研發(fā)了遠(yuǎn)程人體信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)人體體溫、脈搏和血壓等基本人體體征進(jìn)行實(shí)時(shí)而全面的檢測(cè)，并采用了較為先進(jìn)的非接觸式傳感器，具有方便、快捷、實(shí)用性好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)中心的處理與分析，當(dāng)人體體征超出正常范圍時(shí)，則會(huì)利用GSM無線傳輸模塊發(fā)送警報(bào)短信，實(shí)時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人。本系統(tǒng)性能可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)，能有效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人體參數(shù)采集與監(jiān)控功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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