基于STM32的個人健康管理系統設計

蔡俊　王志剛　王麗　王楷

摘 ? ?要：為有效預防疾病、關注空巢老人身心健康，采用嵌入式技術、傳感器技術和無線通信技術設計了一款集檢測、理療于一體的個人健康管理系統。系統主要由STM32主控模塊、心率/體溫檢測與理療設備、LabVIEW上位機以及手機端APP四大部分構成。人體心率和體溫數據被采集并經STM32處理分析后，系統執行相應控制指令，同時上傳體檢數據至上位機。當人體健康狀態不佳時，智能啟動理療設備。測試結果表明：系統運行穩定可靠，實時性好，準確度高，操作簡單安全，適用于老年人群體。

關鍵詞：STM32;傳感器;無線通信;上位機

中圖分類號：TP274 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2020）02-0051-10

隨著我國人口老齡化的發展，城鄉空巢老人現象愈發明顯[1]，在一些家庭中，子女平時忙于工作，疏于照顧年邁老人，老年人群體往往身體狀態欠佳、行動不便;且多數老人患有風濕、關節炎、脊椎病等，需要配合理療手段才不易反復發作，但定期外出體檢、理療又很難實現，因此，老年人群體的健康問題備受關注。近年來，楊裴裴、張自達等分別基于嵌入式技術設計了人體健康狀況檢測系統，實現了日常生理參數的測量和監護功能。[2-5]

本文基于STM32嵌入式系統，結合LabVIEW 軟件和Android技術，設計了一套含人機交互界面的個人健康管理系統，可實時檢測人體心率/體溫數據，并配備智能控溫的艾灸理療功能，利用傳統醫學中艾灸療法調理身體、舒緩壓力。該系統方便操作，安全可靠。

1 ? 系統總體設計

系統分為下位機和上位機兩大部分，其中：下位機負責檢測人體心率/體溫、提供艾灸理療服務以及實時上傳體檢數據至上位機，它主要由STM32主控模塊、心率脈搏/溫度傳感器以及艾灸理療設備組成;上位機開發采用LabVIEW和Android技術，主要負責顯示體檢數據、管理用戶健康狀態，同時控制理療設備工作狀態。系統上/下位機間采用無線串口和藍牙通信，實現協調運作，總體框圖如圖1所示。

2 ? 系統硬件設計

2.1 ?MCU選擇

下位機STM32主控模塊和艾灸理療設備分別選用ARM 公司Cortex-M3為內核的STM32F103ZET6和STM32F103C8T6微處理器芯片，系統時鐘72 MHz，芯片處理速度快、功耗低、串口資源豐富，內置兩個12位數模轉換器，以滿足系統信息采集速度、存儲以及通信需求。

2.2 ?心率/溫度檢測模塊

心率/體溫是人體健康的重要指標。心率檢測采用pulsesensor脈搏傳感器，它體積小、方便攜帶;供電后，傳感器LED燈點亮并發出一定波長入射光，穿過人體皮膚后反射，從而檢測人體心率。傳感器實物圖如圖2（a）所示。

體溫和艾灸理療設備溫度檢測均選用DS18B20溫度傳感器，它具有靈敏度高、測量范圍大等優勢，理療設備一般工作在高溫環境，實物圖如圖2（b）所示。

2.3 ?無線通信模塊

系統中，STM32主控模塊采用無線串口與心率/體溫檢測模塊，理療設備以及LabVIEW上位機實現通信，無線串口通信具有傳輸距離遠、傳輸穩定等特點，其引腳連接如圖3（a）所示。

STM32主控模塊與手機端APP之間采用HC-05藍牙模塊進行通信，該模塊體積小巧、使用靈活，用戶可根據需要設置波特率，通信距離可達10 m，其引腳連接如圖3（b）所示。

3 ? 系統軟件設計

3.1 ?軟件開發環境概述

系統在開發過程中，運用Keil uVision5軟件環境編寫下位機代碼，包含STM32主控功能、心率/體溫檢測以及艾灸理療設備控制程序;程序下載過程分別使用了J-LINK下載器在線下載方式和基于FlyMcu軟件的串口下載方式;采用LabVIEW軟件編寫PC端上位機界面，LabVIEW擁有強大的圖形化編輯語言功能，其可視化界面為開發帶來了便利[6];手機端APP設計是在eclipse軟件開發環境下完成的，使用Java語言編寫APP程序。系統軟件開發環境如圖4所示。

3.2 ?系統主程序設計

個人健康管理系統下位機可獨立完成心率/體溫檢測以及理療功能，上位機PC端LabVIEW界面和手機端APP程序，一方面，可實時檢測并顯示人體健康數據以及艾灸理療設備工作情況;另一方面，可控制下位機按需啟動理療設備。系統主要分為兩大工作模式：心率/體溫檢測模式和艾灸理療手動模式，主要工作流程如圖5所示。

當系統處于心率/體溫檢測模式下，下位機STM32主控模塊可發送指令啟動心率/體溫數據采集功能，并在上位機LabVIEW以及APP客戶端界面完成健康數據的實時顯示;同時，當心率或者體溫處于非正常狀態時，系統自動開啟艾灸理療設備，可在一定程度上緩解體檢者的不適狀況。

當系統處于艾灸理療手動模式下，下位機STM32主控模塊、艾灸理療設備、上位機LabVIEW以及手機端APP程序均可發送指令手動開啟艾灸理療設備，設置艾灸盒工作溫度，并在上位機實時顯示理療盒工作狀態。

3.3 ?心率/體溫檢測

心率/體溫檢測模塊采用pulsesensor脈搏傳感器采集人體心率值，由DS18B20溫度傳感器采集體溫值，并上傳體檢數據至上位機軟件，心率/體溫檢測子流程如圖6所示。

3.4 ?通信模塊程序設計

STM32主控模塊采用無線串口分別實現與心率/體溫檢測、艾灸理療設備、上位機LabVIEW之間互聯通信。系統可實現多設備全雙工串口通信，通信協議中設置包頭、數據位及包尾，其中：包頭主要用于識別設備，采用十六進制0xA1、0xA2，0xA1代表艾灸理療設備，0xA2代表心率/體溫檢測設備;數據位中主要存儲控制指令，不同數據代表不同指令，如0x10代表打開設備、0x11代表關閉設備;包尾表示數據結束。幀結構如表1所示。

串口通信部分核心程序如下：

……

send[0]=0XA2; ?//包頭

send[4]=0X0d; ?//包尾

send[5]=0X0a; ?//包尾

while（1）

{

u8 ?i ;

temperature = DS18B20_Get_Temp （ ）; ?//

獲取溫度值

send[1] = temperature/10; ?//獲取溫度值

整數部分

send[2] = temperature%10; ?//獲取溫度值

小數部分

send[3] = Num; ?//將采集的心率值賦值

給send[3]元素

for （ i= 0 ; i<6 ; i++）

{

USART_SendData （ USART1， send [i] ） ;

//按照幀結構發送數據包

while （USART_GetFlagStatus （ USART1，

USART_FLAG_TC ）！=SET ）;//等待發送

結束

}……

3.5 ? 上位機LabVIEW設計

LabVIEW采用圖形化編輯語言，其可視化界面為上位機開發帶來便利，個人健康管理系統前面板包含心率/體溫測量、艾灸理療控制和串口通信界面、系統簡介和使用說明。人機交互界面可方便用戶直觀了解體檢者的健康數據，同時可幫助空巢老人手動控制艾灸理療設備，從而提升用戶體驗。

LabVIEW核心程序框圖如圖7所示，主要包含串口數據發送和解析兩大部分。在程序框圖設計中：串口通信協議采用波特率9 600，端口用PC機COM11端口;上位機通過串口VISA讀函數接收下位機消息，數據解析依據串口通信協議，通過從數據包中查找固定包頭以及字符串分割函數等的使用，提取有效數據位;上位機通過串口VISA寫函數向下位機發送控制指令，同樣依據串口通信協議幀結構，以數據包形式發送，如A110、A111、A112、A113為控制指令，分別代表關閉理療設備、打開理療設備、開電機和關電機。

3.6 ?手機端APP設計

手機端APP設計[7]是在eclipse軟件開發環境下完成的，使用Java語言編寫APP程序，可實現心率/體溫值采集、對理療設備開/關、手動調溫功能、預警和點火功能等。其中：緊急按鍵實現對理療設備緊急處理，即關閉總電源;點火是輔助功能，作用為防止理療過程中出現火滅問題。APP軟件基于Android 4.03設計，大部分安卓智能手機都可下載安裝，大小在333 KB左右，其界面由多種控件組成，如表2所示。

4 ? ?系統調試及數據分析

該系統調試主要內容包含：上位機LabVIEW、APP客戶端功能測試、下位機數據采集準確度和理療設備工作狀態受控情況，系統整體實物圖如圖8所示。

由圖8可見，理療設備整體外觀為長方形盒體，頂端由傳感器模塊、控制模塊組成，前端包含顯示屏、功能按鍵（含升溫、降溫及一鍵啟動），內部置有點燃艾條孔洞，孔洞上端是散熱裝置。艾灸理療設備具備自動調溫功能，相對于傳統艾灸盒而言，其操作簡單、使用安全，功能更加人性化。

4.1 ?LabVIEW上位機測試

在上位機LabVIEW測試過程中，串口號選擇COM11端口，波特率9 600，首先點擊串口通信模塊“連接”按鈕，實現上位機與下位機終端連接;然后點擊體溫計模塊“工作開關”按鈕，測量體溫并實時顯示;最后點擊心率測量模塊“工作開關”按鈕，測量心率并實時顯示。在測試中，上位機顯示人體溫度37.5 ℃，心率76次/min，與專業測量設備數據相符;測試艾灸理療控制界面中各個控制按鍵功能，發現與理療設備實際工作狀態一致。LabVIEW測試效果如圖9所示。

4.2 ?手機端APP測試

APP客戶端主要測試藍牙連接、下位機心率/體溫數據接收以及理療設備按鍵控制等功能。在測試過程中，點擊“打開藍牙”，啟動手機藍牙功能，下拉滾動條，選擇匹配設備，點擊“連接”后，APP客戶端與下位機建立通信，完成心率/體溫值測試，測試效果如圖10所示，與下位機健康數據相符。

4.3 ? 數據分析

4.3.1人體心率數據分析

人體心率無時不在波動，多次測量可減少測量誤差。本文使用下位機心率檢測模塊以及市場上專業的心率檢測設備，針對不同受檢者在不同時間，分別采集了10次心率數據，對兩組數據進行對比，如表3所示。

如圖11所示為測試數據效果圖。圖11（a）直觀反映了該心率檢測模塊和第三方測量數據大致相符，相對誤差控制在±4. 3%以內，總體來說，測量結果具有一定的可靠性，值得應用推廣。人體溫度測試方法類似，測試結果較理想，不再贅述。

4.3.2理療設備溫度數據分析

以下主要完成對控溫時間和控溫精度的測量。在測試過程中，將艾灸理療設備目標溫度設定為50 ℃，分別測量不同初始溫度（20～80 ℃）下達到穩定狀態的時間及溫度誤差。在控制精度方面，理療設備自動控溫相對誤差可達±0.4%以內，測量結果如表4所示。

如圖11（b）控溫時間結果顯示，預先設定溫度值為50 ℃，初始值在20～50 ℃范圍內是升溫過程，必須等待艾條燃燒，而艾條燃燒是一個緩慢過程，此過程會花費一定時間;初始溫度越是接近50 ℃用時越少;當初始溫度在50～80 ℃之間時，是降溫過程，因艾條原本處于高溫高熱狀態，降溫過程所用時間就會較多。總體來說，控溫時間尚可，基本能達到用戶需求。

5 ? ?結論

本文基于嵌入式技術、傳感器檢測技術及無線通信技術，針對行動不便的空巢老人群體，設計了一套家用個人健康管理系統，該系統具備心率/體溫檢測和艾灸理療等功能。LabVIEW上位機和手機APP中人性化的交互界面設計，能方便老人觀察體檢數據，同時，可智能控制艾灸理療設備的工作狀態。系統調試結果表明：心率/溫度測量結果準確可靠，艾灸理療功能運行穩定，能滿足老年人群體對健康理療的基本需求。當然，該系統尚存在不足之處，其目前僅支持心率/體溫基礎測量，對于人體其他日常健康指標的測量功能還有待進一步完善。

參考文獻：

[1] 楊菊華，王蘇蘇，劉軼鋒.新中國70年：人口老齡化發展趨勢分析[J].中國人口科學，2019（4）：30-42.

[2] 楊裴裴，李勝嵐，石恒瑞.基于STM32和Onenet的智能健康管家的設計與實現[J].電子產品世界，2019，26（8）：60-64.

[3] 張自達.基于STM32的多功能智能健康手表設計[D].銀川：寧夏大學，2018.

[4] 張敏，石倩倩，張珊珊，等.基于語音識別和STM32的老年人健康狀況監護系統的設計[J].電子質量，2017（5）：57-59.

[5] 尹繼武，付奎.基于STM32的生理參數無線監測系統設計[J].陜西理工大學學報（自然科學版），2019，35（5）：16-20.

[6] 王浩博，唐晨棟，張宇.基于LabVIEW的室內環境智能監控系統[J].物聯網技術，2019，9（9）：12-15.

[7] 武志鵬，陶松嵐.基于Android和藍牙的遙控開關控制系統設計[J].物聯網技術，2019，9（9）：49-51.

責任編輯 ? ?盛 ? ?艷

Design of Personal Health Management System Based on STM32

CAI Jun，WANG Zhigang，WANG Li，WANG Kai

（School of Electronic Engineering，Huainan Normal University，Huainan 232000，China）

Abstract： In order to effectively prevent the diseases，and focus on physical and mental health of the empty-nest elderly，a personal health management system with detection and physiotherapy functions is designed by using embedded technology，sensor technology and wireless communication technology. It is mainly composed of STM32 microprocessor module，the equipment with heart rate/body temperature monitoring and physiotherapy functions，upper computer based on LabVIEW and mobile APP. Data of heart rate and body temperature are measured and analyzed by STM32， then it will execute the corresponding instruction， and upload physical examination data to the upper computer. The physiotherapy equipment will be automatically activated when people is in poor health. The system test results show that it has the advantages of good real time performance，high accuracy，simple and safe operation，which is suitable for the elderly.

Key ?words： STM32;sensor;wireless communication;upper computer

收稿日期：2020-01-09

基金項目：2017年安徽省大學生創新創業訓練計劃項目“智能調溫艾灸盒”（201710381089）

作者簡介：蔡俊，助教，碩士，主要研究方向為信號處理與無線通信、計算機圖形圖像處理。