場地自行車運動員生理參數實時監測系統

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(西安工業大學電子信息工程學院，陜西 西安710021)

0 引言

場地自行車比賽是一項高速運動，實時獲取運動員在比賽中的生理參數可以很好的反映比賽狀態，在運動員生理參數監測方面，國內外做了很多相關的研究，監測方法主要包括生物醫學方法和傳感器監測方法[1]。生物醫學方法是訓練后采集血清來檢測數據，這種方法沒有實時性，不適合比賽中使用。傳感器監測方法一般采用傳感器+存儲器的形式來實現，這種設備體積小，易佩戴，但是不具備網絡功能，實時性達不到比賽實際需求。

近些年來，可穿戴監控設備大量問世，如小米手環、蘋果運動手表等[2]。這類設備小巧輕盈，待機時間長，同時具備藍牙通信功能，可以把數據無線傳輸至智能手機端。但是這些可穿戴設備測量數據并不精確，實時性也達不到比賽要求，一般只適合普通大眾使用。

基于以上情況，設計了一套無線實時監測系統，本系統采用了GY-MCU90615紅外溫度傳感器和AD8232心電傳感器來作為體溫和心電的采集前端，以STM32微處理器為核心，通過Zigbee實時將數據傳輸至LabVIEW上位機界面，供教練員查看。

1 系統整體設計

本系統整體架構由數據采集、無線通信和上位機，系統整體架構如圖1。數據采集部分用于采集心電和體溫數據，并將數據封裝成幀來傳輸。無線通信部分由終端節點和協調器組成，兩塊Zigbee模塊組網，實現了透明傳輸功能。上位機部分負責實時顯示接收的心電和體溫數據。

圖1 系統整體架構

2 硬件選型與設計

2.1 終端節點設計

終端節點由微控制單元、電源模塊、Zigbee透明傳輸模塊、心電采集模塊、體溫采集模塊等組成，終端節點架構圖如圖2。

圖2 終端節點架構

處理器通過串口(UART)與紅外溫度傳感器通信，通過ADC轉換器對心電信號進行轉換。Zigbee透明傳輸模塊通過串口與處理器進行交互，實時發送采集的數據到上位機。

2.2 微處理器

微處理器采用意法半導體公司的32位微控制器STM32F103C8T6，該微處理器具有48 k SRAM、256 k FLASH、2個16位基本定時器、4個16位通用定時器、2個16位高級定時器、2個DMA控制器、3個SPI、2個ⅡC、5個UART、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、51個通用IO口等外設資源[3]。而且STM32F103C8T6資料非常豐富，功耗很低，目前廣泛應用于PDA、醫療器械、機器人以及工業設備等場合。設計的場地自行車運動員生理參數實時監測系統對實時性和準確性要求較高，因此STM32F103C8T6適合自行車比賽這種高速運動環境下的研究。

2.3 電源模塊

由于本系統中微控制單元、心電傳感器、溫度傳感器和Zigbee模塊的工作電壓均是3.3 V，因此，需要為各個模塊提供3.3 V的電源。本系統使用4.2 V電池供電，通過RT8009線性穩壓器[4]轉換為3.3 V電壓，RT8009的原理圖如圖3。

圖3 RT8009原理

2.4 心電采集模塊

心電采集模塊主要通過在人體皮膚表面放置若干電極片來獲取數據，由于前端設備是在比賽中佩戴在運動員身體上的，因此需要PCB面積小，不能影響運動員發揮，同時，要求精度高、濾波性能強。基于以上需求，心電采集模塊選用亞德諾半導體公司的AD8232心電傳感器。AD8232主要用于ECG(心電信號)監測，也可以測量其他生物電數據，AD8232內部集成了有源濾波器、右腿驅動放大器、以及高精度的儀表放大器等單元；具備低功耗待機、導聯脫落檢測，ECG快速恢復等功能[5]。AD8232實物圖如圖4。

圖4 AD8232實物

本系統用單導聯的方式來采集心電數據，在人體心臟附近放置2個電極，由于在采集參數的過程中存在基線漂移，肌電干擾和工頻干擾等噪聲，因此，系統使用了右腿驅動放大器來驅動第3個電極，改善系統的抗噪性能。

2.5 體溫測量模塊

由于場地自行車比賽是一項高速運動，運動員的穿戴裝備應盡量小巧，設備在正常工作的同時不能對運動員造成任何不適感。因此，本系統采用非接觸式的紅外溫度傳感器GY-MCU90615。GY-MCU90615價格低廉，工作電壓在3～5 V之間，體積小，功耗低，精度高，而且數據采集速度快，非常適合本系統的需求。其工作原理，是通過MCU讀取紅外溫度數據，通過串口(TTL電平)通信方式輸出。有連續輸出與詢問輸出兩種方式，可適應不同的工作環境，可與所有的單片機及PC連接[6]。

GY-MCU90615的實現原理是基于紅外輻射測溫[7]，其輻射能量與溫度的關系滿足Stefan-Boltzmann輻射定律：

E=εδT4

δ是常數；ε是輻射率，因此，在物體的輻射功率已知的條件下，可以通過輻射定律公式算出被測目標物體的溫度。GY-MCU90615的可以輸出被測目標溫度To和傳感器自身溫度Ta，計算公式如下：

2.6 Zigbee透傳模塊

相對于藍牙、紅外、超寬帶技術(UWB)等，Zigbee模塊因具有價格低、功耗小、自組網、速率快等特點而得到廣泛應用。目前市場上最廣泛使用的Zigbee模塊大都采用TI公司的CC2530芯片。該芯片以改良型的、具有流水線結構的8051架構為內核，自帶16 k或32 k Flash ROM、2 k靜態RAM、12位ADC等模擬、數字外設，并嵌入基于IEEE 802.15.4標準的2.4G無線收發硬件[8]。本系統選用深聯創新公司的DL-20 Zigbee透傳模塊。該模塊適應3～5.5 V的電壓，支持全雙工通信，可以雙向同時收發，支持P2P模式、Broadcast模式，P2P模式傳輸帶有確認，可以確保數據丟失率為0，支持不間斷發送，不限制包的長度，最快傳輸速率可以達到3 300 b/s，最遠可以傳輸250 m。

本系統采用Zigbee透傳模塊傳輸數據，發送方為運動員身上佩戴的終端節點，接收方為連接在PC上的協調器，協調器將終端節點發來的數據解析后，通過串口發送到上位機，整個數據的傳輸過程對收發雙方都是透明的，Zigbee透傳流程如圖5。

圖5 Zigbee透傳流程

3 下位機軟件設計

本系統下位機軟件要完成體溫和心電數據的采集，軟件主要包含2個部分: 主程序和定時器中斷子程序。系統會為體溫數據和心電數據開辟緩存區，系統初始化以后，主程序開始在一個循環中檢測緩存區中是否出現新的數據，緩存區一旦出現新數據，就會立刻通過Zigbee透明傳輸模塊進行發送，發送完成后清空數據緩存區，等待新數據的接收。主程序的流程圖如圖6。

圖6 主程序流程

定時器中斷子程序用于心電數據的采集，系統的采集頻率為500 Hz，即每隔2 ms進一次定時器中斷，采集A/D轉換數據，然后將數據存入心電緩存區，流程如圖7。

圖7 中斷子程序流程

4 上位機軟件設計

上位機界面采用美國國家儀器公司的LabVIEW2012軟件編寫。LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G語言，集成了工程師和科學家快速構建各種應用所需的所有工具，可以大大減少在程序編寫上的工作量[9]。

LabVIEW程序分為前面板和后面板程序，后面板程序主要利用LabVIEW的VISA serial函數模塊對串口數據進行讀寫操作，前面板負責實時展示采集上來的數據，上位機界面如圖8。

圖8 上位機界面

5 實驗結果

5.1 心電采集實驗結果

AD8232內部集成了高通和低通濾波器，可以在含有噪聲干擾的狀況下采集微弱的心電信號，圖9為AD8232采集到的原始心電波形，此波形過濾掉了大部分的肌電干擾和50 Hz工頻干擾，但是仍存在一些由呼吸引起的基線漂移和其它噪聲。為了方便用戶的使用，需要在上位機對信號進行軟件濾波[10]，濾波后的波形如圖10，該波形較平滑，基本過濾了基線漂移和其它噪聲的干擾。

圖9 原始心電波形

圖10 濾波后的波形

5.2 體溫采集實驗結果

體溫數據并不是生物電信號，不存在肌電干擾、基線漂移等噪聲的影響，測量相對心電信號更容易，但本系統對體溫數據的精度要求很高，因此在實驗過程中，通過和測溫精度較高的基于熱電偶測溫原理的數字溫度計比較來檢驗GY-MCU90615的精度，實驗在同等條件下測得5組數據，結果如表1所示。

表1 測溫結果 ℃

從結果可以看出，GY-MCU90615測出的體溫數據與數字溫度計比較接近，而且GY-MCU90615采集體溫的速度能達到毫秒級別，可以很好地滿足本系統的需求。

6 結束語

設計的場地自行車運動員生理參數實時監測系統，改進了傳統的傳感器+存儲器的監測方法，加入了網絡通信功能，可以實時地將采集的數據上傳至上位機進行顯示，方便用戶實時獲取數據。本系統實時性高、測量準確，而且易穿戴，不僅可以用于專業的競技體育領域，而且還可以推廣至普通大眾中，適用于醫院、敬老院等各種場景，有著很好的應用前景和寬廣的市場空間。

[1] 林英祿. 運動數據的實時監測與健康評價模型的研究[D].上海：華東師范大學,2015.

[2] 封順天. 可穿戴設備發展現狀及趨勢[J]. 信息通信技術,2014,8(03):52-57.

[3] 魏計林,吳海洋,邱選兵. 基于MLX90615的紅外耳溫計設計[J]. 光機電信息,2011,28(06):35-38.

[4] RT8009 Datasheet[Z].China: Taiwan,2007.

[5] MENG S. Design and implementation of long-Term Single-Lead ECG Monitor[A]. Scientific Research Publishing.Proceedings of 2015 Spring World Congress on Engineering and Technology(SCET) [C]∥Scientific Research Publishing:,2015:6.

[6] MLX90615 Datasheet[Z].America: Melexis,2013.

[7] 張弓,李玉石. 紅外輻射測溫原理及使用[J]. 品牌與標準化,2010(24):38-39.

[8] 蔡植善,陳木生. 多傳感器數據融合的火災探測報警系統設計[J]. 泉州師范學院學報,2015,33(02):72-77.

[9] 王顯軍. LabVIEW對串口采樣測量數據的處理[J]. 電子測量技術,2014,37(03):107-111.

[10] 崔麗.MATLAB小波分析30個案例分析[M].北京:北京航空航天大學出版社,2016.