基于Arduino和ESP8266網絡遠程心率測量系統

羅金生 王榮海 李岷

摘要：以人體手腕脈搏為研究對象，提出一種嵌入式系統的網絡遠程心率測量的方案。該方案C/S架構。客戶端采用低功耗心率傳感器SON7015采集心跳數據，ESP8266嵌入式芯片負責數據傳輸和網絡通信。服務器接收并存儲數據，也可以發送指令給客戶端，客戶端執行相應的操作，如初始化設備和開始心率數據的傳輸。測試結果表明，該系統傳輸效果好，易于觀察，成本低，適合在健康生活、關愛老人生命安全中推廣應用。

關鍵詞：網絡；心率；ESP8266；C/S

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0055-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

心率是指正常人安靜狀態下每分鐘心跳的次數，一般為60～100次/分，可因年齡、性別或其他生理因素產生個體差異。脈搏心率攜帶有豐富的人體健康狀況的信息。在中醫四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國傳統醫學中最具特色的一項診斷方法，其歷史悠久。雖然脈診具有簡便、無創、無痛的特點，然而也存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規范化；其次無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究。本文提出一種現代化的檢測心率的方法，采用低功耗心率傳感器采集心跳，ESP8266 SOC芯片負責網絡通信和控制，軟件采用Arduino開發平臺。醫生可以通過該系統在電腦上遠程觀察分析和存儲病人的心率數據，實現遠程醫療。

1 Arduino開發平臺

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件和軟件（Arduino IDE）。由一個歐洲開發團隊于2005年冬季開發。其成員包括Massimo Banzi、David Cuartielles和Tom Igoe、等。它流行的主要原因是庫函數與底層硬件整合的天衣無縫，降低了非專業人士玩電子的難度。致使很多不是學電子的同學可以在Arduino上設計出PCB繪畫機、WiFi小車等一系列的高級應用。安裝配置好Arduino的IDE開發環境，下載STM32驅動庫函數和網絡通信等函數，即可開始編寫、調試和燒錄心率測量應用程序。

2 系統總體設計

本系統的核心是通過ESP8266既可以當WIFI傳輸數據芯片的同時，也可以當主控芯片來使用，其內部有一顆低功耗的STM32處理器。ESP8266可以接受來自服務器的相應指令執行相應的操作，進行IO管腳的控制，在此項目便是使用GPIO4來進行心率傳感器脈沖的采集，通過返回的數據進行處理，傳到服務器，以此來設計硬件電路和軟件程序。選取ESP8266為主控芯片，同時負責網絡通信，系統框圖1所示。

2.1 ESP8266及模塊

ESP8266芯片是一款串口轉無線模芯片，內部自帶固件，用戶操作簡單，無須編寫時序信號等優點，原理圖是圖2所示。ESP8266 特性：

支持802.11 b/g/n協議

內置低功耗32位CPU：可以兼作應用處理器

內置10 bit高精度ADC

內置TCP/IP協議棧

內置TR開關、balun、LNA、功率放大器和匹配網絡

內置PLL、穩壓器和電源管理組件

支持天線分集

STBC、1x1 MIMO、2x1 MIMO

A-MPDU、A-MSDU的聚合和0.4 s的保護間隔

WiFi @ 2.4 GHz，支持 WPA/WPA2 安全模式

支持STA/AP/STA+AP工作模式

支持Smart Config功能（包括Android和iOS設備）

SDIO 2.0、（H） SPI、UART、I2C、I2S、IR Remote Control、PWM、GPIO

深度睡眠保持電流為10 uA，關斷電流小于5 uA

2 ms之內喚醒、連接并傳遞數據包

802.11b模式下+20 dBm的輸出功率

待機狀態消耗功率小于1.0 mW （DTIM3）

工作溫度范圍：-40°C - 125°C

通過 FCC， CE， TELEC， WiFi Alliance 及 SRRC 認證

3 系統具體實現

3.1 心率模塊的使用

SON7015是一款低功耗的心率傳感器，采用光電式容積描記（PPG）的方式感應人體的心跳信息并加以提取，得到的心率波形送至運動心率算法ICSON3130，在OUT2管腳輸出矩形脈沖，以供ESP8266進行脈沖采集，在采集時要注意LED燈的閃爍，如果閃爍正常便可以進行采集了，閃爍太快或者太慢，一定要調試好之后再進行采集，以保證采集的數據的準確性。心率傳感器模塊如圖3所示。

3.2 服務器的創建

使用SocketTool進行TCP Sever的創建，并監聽8080的端口號，以備客戶端進行連接，電腦和ESP8266模塊要連接到同一個局域網，實現服務器對客戶端的數據接收以及對客戶端進行控制。服務器創建好以后如圖4所示。

3.3 ESP8266的使用

進行需要連接WIFI以及訪問的服務器的IP的配置，進行串口參數以及中斷的初始化，并進行網絡的連接。進行服務器指令的接收，再使用GPIO4進行脈沖的采集，并進行數據的處理，使測量的心率更加接近標準的值，并把測量到的心率通過網絡上傳到服務器。當ESP8266接收到服務器發送的指令“a”時，發送“roger that”，經過20秒的測量后，發送所測量到的心率的數據。收到的心跳數據如圖5所示。

3.4 程序設計

1） 網絡參數配置，串口初始化，中斷初始化。

2） WIFI連接，并檢測是否連接到網絡。

3） 并從網絡中讀取數據，并對定時和中斷記錄脈沖時需要用到的變量進行處理。

4） 定時功能，進行一段時間的定時，以便于心率的計算，定時、數據處理完成后進行數據的上傳，在數據上傳的時候，電腦只能接收字符類型的數據，所以要用itoa函數進行數據類型的轉換，才能在服務器上正確的顯示數據。

5） 中斷服務程序，進行脈沖數量的采集。

4 總結

本文介紹一種基于Arduino的ESP8266網絡控制心率測量系統，并對該系統的各部分功能設計方法進行了詳細介紹。通過搭配ESP8266WIFI網絡通信模塊實現服務器對客戶端進行控制，并接收客戶端采集的心率數據進行顯示。該項目代碼可移植性較強，設計成本低，功能可擴展。經過試驗證明，系統運行正常，能夠直觀地顯示采集到的心率數據。該系統作為物聯網的一個典型應用，可以在健康生活、關愛老人生命安全等領域廣泛使用。

參考文獻：

[1] 周聰聰，涂春龍，高云，等. 腕戴式低功耗無線心率監測裝置的研制[J].浙江大學學報（工學版）.2015（4）：789-805.

[2] 吳振宇，李華龍，李航.基于藍牙4.0和GSM的無線心率監測儀設計[J].計算機測量與控制.2015（2）：664-667.

[3] 李戰勝，萬葉麗.基于CC2430的智能心率器的設計[J].電子制作.2015（17）：69-70.

[4] 蒙卓瑋.心電監護儀電壓與心率報警發生時間的測量不確定度評定[J].科技風.2011（15）：128-129.

[5] 郝樂，李哲英，蔣昊.心率信號的采集與處理[J].微計算機信息.2007 （32）：152-154.

[6] 范興隆.ESP8266在智能家居監控系統中的應用[J]. 單片機與嵌入式系統應用.2016（09）：52-56.

[7] 曹振民，陳年生，等.基于ESP8266的無線控制電路設計[J].工業控制計算機 .2017（1）：68-69.

【通聯編輯：梁書】