人體健康狀態監測系統設計

肖福娟 初曉藝 李煒

摘? 要：針對身體健康的監測，心率和體溫是非常重要的兩個指標，可以根據監測的數據提前預知人體的健康狀況，能大大降低人們發病的風險。該文設計了一款以STM32F103C8T6為核心，以MAX30102為心率檢測模塊，以DS18B20為溫度檢測模塊的人體健康狀態監測系統，包括心率和溫度的數據檢測、OLED顯示屏和手機上的顯示、閾值上下限設置等功能。最終經過實物測試，該系統適用性強、可靠性高，具有極大的推廣價值。

關鍵詞：人體健康? 狀態監測? 心率? 體溫

中圖分類號：TH77;TP274? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（b）-0033-03

Abstract： For the monitoring of physical health， heart rate and body temperature are two very important indicators. The health of the human body can be predicted in advance based on the monitored data， which can greatly reduce the risk of people getting sick. This article designs a human health monitoring system with STM32F103C8T6 as the core， MAX30102 as the heart rate detection module， and DS18B20 as the temperature detection module， including heart rate and temperature data detection， OLED display and mobile phone display， threshold value Functions such as lower limit setting. Finally， after physical testing， the system has strong applicability， high reliability， and great promotion value.

Key Words： Human health; Condition monitoring; Heart rate; Body temperature

老齡化的加快以及很多慢性病的愈來愈年輕化，導致人們的身體普遍處于一種亞健康狀態，對人體健康的監測成為亟待解決的問題。一般而言，人體健康參數有心率、血壓、血氧飽和度等，不同生理信號可以反映出身體不同方面的變化[1-2]。其中，心率和體溫更是非常重要的兩個身體健康指標[3]。

該文設計了一款新型人體健康狀態監測系統，以單片機為核心，可以采集實時的心率和體溫這兩個指標的數據。同時為了防止人們不清楚是否設備檢測到自己的心率信息，當檢測到心率數據時，在手機和顯示屏上會有相關文字的通知;當心率和溫度超過或低于一定安全范圍時，會有緊急報警功能。此外，該系統可以通過手機進行心率和體溫數據的查看。

1? 方案設計與器件選型

1.1 總體設計方案

該系統通過使用心率和溫度傳感器來測量人們的心率和體溫信息，這些信息可以顯示在顯示屏上，也可以通過手機App查看。當上述信息超過或低于設定的閾值時，蜂鳴器會發生報警。系統整體的組成框圖見圖1。

1.2 關鍵器件選型

1.2.1 控制器選型

在該系統中，選擇了stm32系列單片機stm32f103c8t6作為控制器。其是ST公司基于ARM內核設計的微控制器，專為高性能、低功耗、低成本，性能優越[4-5]。

1.2.2 心率監測器件選型

該系統需要監測心率信息，選擇了高性價比、低功耗的MAX30102芯片。其工作溫度-40 ℃+85 ℃，微細5.6 mm×3.3 mm×1.55 mm的14引腳封裝，主要用在可穿戴設備以及健美輔助設備[6]。

1.2.3 溫度監測器件選型

該系統選用了DS18B20，其是常用的數字溫度傳感器，模塊體積小，其測溫范圍在-55 ℃～+125 ℃，其輸出的是數字信號，具有體積小、抗干擾能力強、精度高的特點[7]。

1.2.4 數據通信器件選型

該文選擇了Wi-Fi通信的方式進行監測終端和手機的信號傳輸。Wi-Fi通信最大優點就是傳輸速度較高，可以達到11 Mbps;在覆蓋范圍方面，Wi-Fi的有效距離可達約100 m，隨著Wi-Fi技術的發展，覆蓋范圍也正在不斷增加[8]。選用的ESP8266模塊是樂鑫公司研發設計的一款物聯網專用芯片，是面向物聯網應用的高性價比、高度集成的Wi-Fi MCU[9]。

2? 硬件設計

2.1 顯示模塊電路設計

該文選用的是0.96寸OLED液晶屏模塊，分辨率為128×64。顯示電路見圖2（a）。

2.2 心率監測模塊電路設計

MAX30102的SCL和SDA引腳分別與單片機的PB3和PB4相連，見圖2（b）。

2.3 溫度監測模塊電路設計

DS18B20溫度采集模塊共有3個引腳，分別為VCC、DQ、GND，其中DQ是數字信號輸入/輸出端，與單片機系統的PB14相連，見圖2（c）。

2.4 通信模塊電路設計

ESP8266-01S模塊中，VCC為供電引腳，與單片機系統的3.3V端口相連，TX和RX引腳分別與單片機的PB11和PB10相連、GND接地，見圖2（d）。

3? 程序設計

3.1 主程序設計

該系統主要完成設備數據檢測、手機查看數據、OLED顯示、按鍵部分的軟件設計，從而實現檢測心率以及體溫、異常報警、手機查看數據、更改閾值、報警等功能。

3.2 健康數據監測程序設計

首先單片機發出指令由傳感器對心率信號或體溫信號進行轉換并讀取數據，若獲取到心率或體溫數據，判斷是否超出安全范圍，不超出安全范圍時正常顯示，否則進行報警并重新獲取心率或體溫數據，或者沒有獲取心率或心率數據時也會重新讀取數據。

4? 系統分析與調試

4.1 心率與體溫監測

進行系統對心率和溫度監測的測試，當心率數據監測時，見圖3（a）所示。當監測體溫數據時，見圖3（b）所示。

4.2 手機端查看信息

在手機上，機智云平臺上可以查看心率以及溫度數據的測試，見圖3（c）。

5? 結語

該文設計了以STM32F103C8T6為核心、以MAX30102為心率檢測模塊、以DS18B20為溫度檢測模塊的人體健康狀態監測系統，可以采集人體實時的心率和體溫這兩項數據，同時在手機和顯示屏上會有相關文字的通知。當心率和溫度超過或低于一定安全范圍時，會有緊急報警功能。并且該系統可以通過手機查看相關心率和溫度數據。通過系統測試可以驗證該系統適用性強，具有很高的推廣價值。

參考文獻

[1] 戴世誠.基于心音信號的血壓評估系統的設計與實現[D].南京郵電大學，2020.

[2 Eapen Z J， Turakhia M P， McConnell M V， et al. Defining a Mobile Health Roadmap for Cardiovascular Health and Disease[J]. Journal of the American Heart Association，2016，5（7）：e003119.

[3] 陳光毅.人體健康指標實時監測系統[D].哈爾濱理工大學，2017.

[4] 胡進德.單片機STM32F103C8T6的紅外遙控器解碼系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（10）：78-81，85.

[5] 田昌，鄧文濤，趙娟.基于STM32的四旋翼無人機設計[J].科技創新導報，2019，16（30）：61，63.

[6] 張曉荷，蘇新彥，姚金杰.基于北斗的船員健康監測系統設計[J].國外電子測量技術，2018，37（12）：129-133.

[7] 杜健寧，王夢嬌，孟祥雨，等.基于WeMosD1物聯網開發板的奶瓶溫度監測裝置設計[J].中國醫學裝備，2020，17（11）：5-7.

[8] 符策高.基于WiFi傳輸的呼吸機數據采集系統設計[J].微型電腦應用，2020，36（12）：140-141，148.

[9] 張琥石，林偉龍，楊發柱，等.基于ESP8266WiFi模塊的物聯網體溫監測系統[J].物聯網技術，2020，10（12）：32-35.