基于STM32的可穿戴式無線體域網信息監測系統設計與實現

胡玫， 王永喜

(蘭州工業學院 電子信息工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

隨著生活水平的逐步提高，人們對健康的關注程度也日益增加。由于受到醫療資源緊張和分布不均勻等現實情況的制約，傳統的疾病診療模式已不能滿足人們對醫療的需求，能實現實時監護、早期預防的全新醫療技術越來越受到重視[1]。

Van Dam等學者于2001年提出了無線體域網(wireless body area betwork，WBAN)的概念，它是無線傳感網的一個重要分支[2-4]。由于該技術可采集、傳輸和存儲人體生命體征信息，同時具有無線傳感網的自組織、自適應、以數據為中心、體積小和成本低等特點，使得無線體域網迅速成為國內外醫療監測系統中解決實時監護及早期預防問題的主流技術[5-8]。

本文設計一款可穿戴式的無線體域網信息監測系統，它融合低功耗嵌入式處理器、無線體域網和藍牙技術，實現人體體溫、心率、血壓生理參數的實時采集、數據存儲、無線傳輸和監測功能[9-13]。

1 系統結構

考慮到無線體域網應用于遠程醫療監護設備的便攜性、低功耗、無線通信和無創安全等基本要求，設計如圖1所示的系統。系統由無線傳感網絡、中央監測模塊和手機(終端)組成。生命體征感知節點采集人體體溫、心率和血壓生理參數，并進行預處理和存儲，然后以無線通信的方式到達協調器節點，再利用嵌入式處理器STM32將數據通過藍牙模塊發送到手機APP顯示。

圖1 系統框圖

2 功能模塊設計

2.1 生命體征感知和協調器節點設計

2.1.1 處理器模塊

使用CC2530芯片作為生命體征感知和協調器節點的處理器。該芯片是德州儀器研發的新一代ZigBee片上系統解決方案，建立在IEEE 802.15.4標準協議之上，集成了RF收發器、增強8051內核和Flash存儲器等資源。它的最小系統所需外圍電路包括晶振電路、射頻天線電路和復位電路，如圖2所示。

X1取值為32 MHz，它與負載電容C17和C18共同組成高頻振蕩器，為CC2530的主時鐘提供振蕩源。X2取值為32.768 kHz，它與負載電容C19和C20共同組成低頻振蕩器，為系統需要的時間精度提供一個穩定的時鐘校準信號。

通過由C9～C15、L2～L4構成的巴倫匹配電路，SMA單極性天線將單端信號變為差分信號，然后將數據通過CC2530芯片的RF_P和RF_N引腳進行通信。

復位電路主要是在需要重啟系統時使用:當RST復位鍵按下時，芯片RESET_N經R24電阻接3.3 V，獲得10 kΩ電阻上所分得的電壓，形成高電平，進入“復位狀態”；當RST復位鍵斷開時，芯片RESET_N接地，電流降為0，電阻上的電壓也將為0，RST降為低電平，開始正常工作。

2.1.2 體溫測量模塊

采用IR紅外非接觸式溫度計模塊GY-MCU90615測量人體溫度。該模塊由數字式紅外傳感器芯片MLX90615、嵌入式微處理器STM8S003P6組成。

MLX90615是由Melexis公司生產的高精度數字式測溫芯片，測溫范圍為-40～115 ℃。可通過SMBus總線修改E2PROM中的控制字，減小測溫范圍，提高測量精度。MLX90615主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模/數轉換器和DSP單元等組成。

STM8S003P6是意法半導體針對工業應用和消費電子開發的8位微控制器，具有高達20 MIPS的CPU性能和2.95～5.50 V的電壓范圍，包含豐富的外設：10位模數轉換器，16位定時器可用于馬達控制，捕獲/比較和PWM功能，CAN2.0B接口，U(S)ART接口，I2C端口以及SPI端口等。

紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射信號轉化為電信號，并經過低噪聲放大器放大后送入模/數轉換器，輸出的數字信號經低通濾波器濾波、數字信號處理器處理后，保存在MLX90615的內部RAM中，通過SMBus方式由STM8S003P6微控制器讀取后，利用串口發送到體溫感知節點的CC2530，如圖3所示。

圖3 GY-MCU90615與CC2530連接電路圖

2.1.3 心率、血壓測量模塊

心率、血壓測量模塊MKB0705由YKB1712心率血壓傳感器、HRB6708心率芯片、SFB9710算法MCU和JZ11711血壓校準芯片組成。

心率波傳感器YKB1712采用光電式容積心率波描記(PPG)的方式感知并采集人體的心率和血壓信息，經過HRB6708心率芯片、SFB9710算法芯片后，利用串口輸出信號到感知節點的CC2530，如圖4所示。當血液流過微血管時，血液容積在心臟搏動下出現脈動性變化，反映出心搏功能和血液流動等諸多心血管的重要信息。

圖4 心率、血壓測量模塊MKB0705框圖

光電容積心率波描記法通常利用光電器件發射、接收光信號并轉換為電信號，進行血壓等參數監測。該方法擺脫傳統血壓測量中袖帶的束縛，非常適合應用于可穿戴式設備對人體血壓和心率等的連續監測。

2.2 中央監測模塊

STM32F103是ST公司研發的32位ARM微控制器，主頻最高可以達到72 MHz，外設資源豐富且各具特色，包括ADC、通用定時器、I2C總線接口、SPI接口和CAN總線接口等，非常適合作為可穿戴設備中的主處理器。它的最小系統包括復位、晶振和JTAG接口等單元電路，如圖5所示。

圖5 中央監測模塊電路圖

協調器節點的P0_2、P0_3引腳與主處理器的PA2～PA3引腳連接，通過串口將體溫、血壓和心率生理參數送入主處理器。

顯示器采用1.3英寸(1英寸=2.54 cm)的OLED屏幕，其驅動芯片為SSH1106，內部RAM為123×64，使用I2C接口進行數據的讀寫，SCL時鐘、SDA數據引腳分別與主處理器的PB6～PB7引腳連接。

HC-05藍牙串口模塊工作頻段為2.4 GHz，采用全雙工無線通信模式，引腳RX、TX與主處理器的PB10～PB11連接。與手機的藍牙模塊匹配后，通過手機串口測試APP即可顯示實時采集的數據。

使用6個按鍵設置血壓、心率和體溫參數閾值的上、下限，分別與主處理器IO口的PA8～PA13引腳連接。

2.3 電源模塊

3.7 V的可充電鋰電池經過升壓模塊輸出5 V的電壓為體溫測量模塊、OLED和藍牙模塊供電。5 V電壓經過AMS1117-3.3后降壓為3.3 V為生命體征感知節點、協調器節點、心率、血壓測量模塊和STM32F103最小系統供電，如圖6所示。

圖6 電源模塊電路圖

3 軟件設計

系統初始化，無線傳感網組網成功后，生命體征感知節點采集體溫、心率和血壓數據，發送至協調器節點，再由中央監測模塊通過藍牙模塊在手機APP上顯示體溫、心率和血壓信息，如圖7所示。

圖7 系統流程圖

4 測試分析

由于耳膜(鼓膜)溫度最接近人體真實體溫，因此采用耳帶式進行體溫測量。將心率、血壓感知模塊置于手腕處，體域網組網成功后，利用手機APP發送控制命令，即可顯示采集的數據，如圖8～圖11所示。

經測試表明，設計的無線可穿戴體域網信息監測系統能夠采集、存儲和傳輸人體生理參數。系統運行穩定，性能指標滿足要求。產生誤差的主要原因是生命體征數據以無線方式傳輸，同時測試對象偶爾不規則的姿勢和身體的快速移動都會對測試結果產生較大的影響。表1所示的測試結果為連續監測下生命體征數據的平均值。

表1 測試結果

5 結束語

設計一款可穿戴式無線體域網信息監測系統。系統具有實時采集、存儲、傳輸和監測人體生命體征信息的功能。試驗結果表明，系統運行穩定，性能指標達到要求，可實現實時監護、早期預防疾病的功能。