無線運動傳感器節(jié)點設(shè)計

韓佳芳

摘要：現(xiàn)代社會人們的競爭壓力大，很多人身體處于亞健康狀態(tài)，因此利用可穿戴設(shè)備監(jiān)測自身健康狀況成為康養(yǎng)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。為了設(shè)計一種更加智能的檢測設(shè)備，文章提出無線運動傳感器節(jié)點設(shè)計，通過ADS1292 模擬前端芯片設(shè)計心電檢測電路，使用DS18B20溫度傳感器檢測人體體表溫度，利用ADXL345三軸加速度傳感器判斷使用者的運動狀態(tài)，并遠程顯示動態(tài)的人體心電圖和人體體表溫度等信息。測試表明：該裝置功耗低，可穿戴在人體上實現(xiàn)各項監(jiān)測功能，例如能夠?qū)崟r監(jiān)護動態(tài)心電信號、采集體表溫度、測量運動步數(shù)和運動距離；使用串口顯示屏實現(xiàn)無線傳輸和指標(biāo)顯示，具有較強的抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：無線運動傳感器；ADS1292芯片；ADXL345傳感器

中圖分類號：TP3? 文獻標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0021-03

0 引言

可穿戴設(shè)備是近年新興的智能產(chǎn)品。智能可穿戴產(chǎn)品多與手機客戶端結(jié)合使用，最常見的有智能手環(huán)、智能手表和智能眼鏡等?？纱┐髟O(shè)備在技術(shù)、用戶、產(chǎn)業(yè)的推動下快速發(fā)展，吸引了越來越多的大眾群體［1］。智能手環(huán)的設(shè)計中運動信息主要通過加速度傳感器采集，而目前的加速度傳感器所采集到的X軸、Y軸、Z軸數(shù)據(jù)，其時序特點和目前市面上處理語音識別的信號具有相同的方式，或者說是由語音識別處理的信號發(fā)展而來的［2］。SAUNDERS［3］在1953年第一次用加速度傳感器辨識人體的運動動作，但技術(shù)成熟度不高，加速度傳感器無法集成傳感器芯片，體積龐大且價格較高，因此沒有得到推廣使用。三軸加速度傳感器集成一個芯片后，采集了大量的人體活動作為研究樣本，通過數(shù)據(jù)計算出身體消耗的卡路里和步數(shù)等信息［4］。

智能手環(huán)的不斷發(fā)展促進了低成本、低功耗、多功能無線傳感器的發(fā)展［5］。這些無線傳感器體積越來越小，并且具有感知人體信息、處理數(shù)據(jù)和短距離通信的能力?；谝酝难芯炕A(chǔ)，在心電傳感器、體表溫度傳感器和三軸傳感器技術(shù)成熟的情況下，本文提出了無線運動傳感器節(jié)點設(shè)計。該設(shè)計通過STM32單片機對傳感器進行組合，監(jiān)測人體的身體狀態(tài)，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳運動后的距離和步數(shù)，記錄運動時人體的心電圖、心率變化和體表溫度，并且能夠穿戴在人體上實現(xiàn)各項指標(biāo)監(jiān)測功能。

1 無線運動傳感器節(jié)點設(shè)計方案及配置選擇

1.1 設(shè)計方案

本設(shè)計采用的方案如下：使用STM32單片機為控制核心，通過控制ADS1292心電模塊采集使用者的心電數(shù)據(jù)，通過串口向串口屏發(fā)送心電數(shù)據(jù)并計算心率；使用HMI串口屏上位機軟件顯示GUI界面，加入控件，通過控制DS18B20溫度傳感器采集使用者的體表溫度；通過ADXL345加速度傳感器采集使用者的三軸數(shù)據(jù)，計算使用者的步數(shù)和運動距離；把采集到的數(shù)據(jù)分別發(fā)送到HMI串口屏的控件上，再通過串口將這些數(shù)據(jù)通過ESP8266WIFI模塊發(fā)送到PC端；使用QT開發(fā)軟件設(shè)計PC端的GUI界面，通過接收到的數(shù)據(jù)，在PC端界面顯示出使用者的心電圖波形、心率、體表溫度、三軸數(shù)據(jù)、步數(shù)和運動距離。

1.2 單片機的選擇

（1）使用AT89C51單片機作為本設(shè)計的控制核心。

（2）使用STM32F103作為本次無線運動傳感器的CPU方案。

（3）使用QT開發(fā)GUI程序，設(shè)計一個能夠顯示心電波形、心率、運動距離和步距界面的控制臺或服務(wù)器。QT可以通過C++開發(fā)，設(shè)計Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)的圖形界面，通過ESP8266WIFI模塊連接PC端的熱點，建立通信，上傳數(shù)據(jù)，在GUI界面上顯示心電波形、心率、運動距離和步距等數(shù)據(jù)。

1.3 通信模塊的選擇

通信模塊選擇使用ESP8266WIFI無線通信模塊，該模塊具有功耗低、上傳數(shù)據(jù)快、價格低、開發(fā)容易上手等特點，只需使用串口發(fā)送AT指令即可支持多設(shè)備互相通信。

綜合以上選擇，使用STM32F103芯片與QT編譯后的GUI界面相結(jié)合的方式，利用ESP8266WIFI模塊作為通信橋梁，實現(xiàn)無線運動傳感器節(jié)點。

2 無線運動傳感器節(jié)點電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計方案采取每個功能子模塊分開設(shè)計，再將這些子模塊組合在一起的方式，形成的整體硬件電路設(shè)計圖如圖3所示。

2.1 單片機控制模塊電路

STM32F1單片機是控制核心最基本的實驗電路，共有3個串口、2個I2C接口、2個SPI接口和7個定時器。使用的引腳有80個快速IO口，可用于設(shè)計復(fù)雜的電路系統(tǒng)。

2.2 STM32F1核心板的時鐘電路和復(fù)位電路

要正常運行單片機，就需要設(shè)計時鐘和復(fù)位電路。本設(shè)計使用的是STM32F1的單片機，因為STM32F1的復(fù)位方式有多種，所以可以選擇使用時鐘和復(fù)位電路。

2.3 ADS1292心電模塊電路

ADS1292心電模塊由ADS1292R芯片設(shè)計，在模塊內(nèi)設(shè)計一個電平芯片兼容5V和3.3V的單片機，芯片內(nèi)部有一個放大電路，增益采集的電壓。ADS1292R芯片含有便于攜帶的心電圖，與普通手環(huán)相比，只有心率值監(jiān)測不同，可通過計算得出心率值功能。ADS1292模塊使用SPI通信，模塊電路中有5V轉(zhuǎn)3.3V電路，加上電平轉(zhuǎn)換芯片，兼容8位單片機和32位單片機。

2.4 ADXL345加速度傳感器模塊電路

ADXL345加速度傳感器模塊電路原理是基于ADXL345三軸加速度傳感器的分析與計算?？墒褂肐2C和SPI進行中斷，中斷模式靈活，可以映射到單片機中任何一個中斷引腳，通過串行命令選擇適合的測量范圍，也可以通過串行命令選擇合適的帶寬；其適合溫度為-40 ℃～+85 ℃，抗沖擊能力高達10 G。

2.5 HMI串口屏和接口電路

HMI串口屏是一款采用上位機寫指令方式、通過觸摸控件顯示的屏幕，其CPU處理器為STM32，用上位機寫指令實現(xiàn)屏幕的顯示、中斷、定時和觸摸。上位機指令編程軟件的控件功能強大，只需選定控件，在控件的觸發(fā)事件寫上相對指令，就可以控制該控件。

2.6 電源模塊電路

本設(shè)計通過電池供電，電源選擇疾風(fēng)鋰離子聚合物電池，其電解質(zhì)溶液是有機溶劑，鋰離子聚合物電池具有能量高、體積小而輕薄及安全性高等優(yōu)點。

2.7 WIFI模塊電路

本設(shè)計使用的無線傳輸模為ESP8266WIFI模塊，該模塊使用串口與其對應(yīng)的單片機進行通信，模塊內(nèi)含TCP協(xié)議，通過使用TCP協(xié)議可以進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)下載。數(shù)據(jù)傳送是通過單片機的串口發(fā)送AT指令控制ESP8266模塊的方式實現(xiàn)。

3 無線運動傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

3.1 ADS1292心電模塊程序設(shè)計

首先進行初始化處理，將與ADS1292連接的IO口設(shè)置為SPI模式，其次設(shè)置ADS1292芯片的DRDY引腳為上拉輸入，并設(shè)置該引腳為中斷輸入功能和中斷功能。驅(qū)動程序分為讀取72位數(shù)據(jù)、噪聲設(shè)置和正常信號采集3個子程序。系統(tǒng)上電后，設(shè)置內(nèi)部噪聲模塊，讀取噪聲數(shù)據(jù)和測試信號，確定芯片正常工作后發(fā)出采樣指令，讀取正常心電信號。需要特別注意的是，在正常采樣時要把內(nèi)部1 mV的測試信號關(guān)閉。

3.2 ADXL345加速度傳感器的驅(qū)動程序設(shè)計

ADXL345模塊IIC測試程序：首先，初始化ADXL345模塊，初始化的方式是將IIC接口通過IIC給器件寫指令，讀地址的指令是0XA7，寫地址的指令是0XA6。其次，使用寫寄存器的方式，給器件設(shè)定測量范圍、采樣速率、電源模式和X軸、Y軸、Z軸的偏移量。采用讀取10次的X軸、Y軸、Z軸數(shù)據(jù)值分別取平均值的方式進行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，取X軸、Y軸、Z軸的具體數(shù)據(jù)，讀取6個字節(jié)，X軸數(shù)據(jù)是第一個字節(jié)與第二個字節(jié)相加；Y軸數(shù)據(jù)是第三個字節(jié)與第四個字節(jié)相加；Z軸數(shù)據(jù)是第五個字節(jié)與第六個字節(jié)相加。

3.3 無線傳感節(jié)點與服務(wù)器連接

（1）設(shè)計DS18B20溫度傳感器驅(qū)動代碼，使用單片機讀取溫度傳感器時序，通過算法進行溫度轉(zhuǎn)換；使用ADS1292心電模塊的驅(qū)動程序和ADXL345加速度傳感器模塊的驅(qū)動程序作為底層驅(qū)動程序，修改驅(qū)動程序的IO為STM32F1核心板上所對應(yīng)的IO口程序。

（2）將以上測試好的各驅(qū)動程序加入RT-Thread操作系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，同時運行驅(qū)動程序；通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到HMI串口屏，使用HMI串口屏上位機給HMI串口屏添加控件，最后HMI串口屏顯示測試到的數(shù)據(jù)。

（3）將ESP8266WIFI模塊接入STM32F1核心板的串口2，通過向串口發(fā)送AT指令測試ESP8266WIFI模塊的通信，測試方式是在筆記本電腦開一個熱點，使用WSP8266WIFI模塊接入筆記本熱點發(fā)送AT指令。

（4）使用QT編程，設(shè)計一個在Windows系統(tǒng)上運行的界面，不間斷地實時顯示心電波形。

4 無線運動傳感器節(jié)點設(shè)計的調(diào)試與驗證

4.1 調(diào)試步驟

（1）調(diào)試ADS1292心電模塊：選擇使用心電模擬器、發(fā)生器信號模擬儀FK550，利用心電信號模擬儀輸出正常心電波形信號，通過ADS1292心電模塊采集并顯示心電波形。

（2）調(diào)試溫度模塊：使用紅外體溫槍測試人體體表溫度，與溫度傳感器進行對比、校準(zhǔn)。

（3）調(diào)試ADXL345加速度傳感器模塊：通過在設(shè)定的5 m直線范圍內(nèi)來回走動進行調(diào)試，注意按正常走動擺臂的幅度進行三軸數(shù)據(jù)記錄，通過記錄設(shè)定參數(shù)值，用于計算運動步數(shù)和距離。

（4）調(diào)試上傳PC端的數(shù)據(jù)：測試心電波形是否上傳，實時查看界面心電波形和心率的變化，通過握緊或搓手改變手心溫度，通過運動擺臂查看三軸的數(shù)據(jù)和運動信息。

4.2 驗證結(jié)果

通過改變心電模擬器的旋鈕，改變其心率值，則無線運動傳感器節(jié)點采集到的心率值也會發(fā)生相應(yīng)變化。在實際走路測試中，可通過ADXL345加速度傳感器看到三軸數(shù)據(jù)、步數(shù)和步距的變化。上傳的PC圖形化界面與無線運動傳感器節(jié)點上的HMI串口屏上顯示的數(shù)據(jù)一樣，誤差極低。成功上傳后的數(shù)據(jù)，通過做成電池供電的形式，可將節(jié)點做成手表形式綁在手臂上，在查看運動距離和步數(shù)的同時，也不會影響正常的走路擺臂。

5 結(jié)語

本無線運動傳感器節(jié)點設(shè)計使用串口屏顯示心電波形數(shù)據(jù)，通過預(yù)存的方式，讓心電波形慢慢往后推移，實時顯示心率、溫度、步數(shù)和步距等。本設(shè)計通過QT設(shè)計出圖形化界面，在方案上也可使用開源的藍牙或其他安卓應(yīng)用軟件。本文設(shè)計的PC端圖形化界面，成功上傳了心電波形的數(shù)據(jù)，能顯示完整的心電波形和其他實時上傳數(shù)據(jù)。本設(shè)計存在一些不足，如果ESP8266無線模塊與所接入的服務(wù)器距離過遠（20 m左右），連接就會中斷。改進辦法是像傳統(tǒng)設(shè)計運動手環(huán)一樣通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，在云平臺對數(shù)據(jù)進行管理和分析，然后上傳到手機或PC端的App界面。此外，對于一些計算的誤差，比如溫度誤差，可以使用更精確的溫度傳感器降低誤差，例如通過專業(yè)的醫(yī)學(xué)測溫傳感器獲取更精確的溫度值。

6 參考文獻

［1］速途研究院.2017年上半年可穿戴設(shè)備市場分析報告［J］.互聯(lián)網(wǎng)天地，2017（8）：21-23.

［2］王洪斌，基于三軸加速度傳感的人體行為識別研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2014.

［3］SAUNDERS J B，INMAN V T，EBERHART H D.The major determinants in normal and pathological gai［J］.Journal of Bone & Joint Surgery-American Volume，1953，35（3）：543-558.

［4］BLAIR S N，BRODNEY S.Effects of physical inactivity and obesity on morbidity and mortality：current evidence and research issues［J］.Med Sci Sports Exerc，1999，31（11 Suppl）：646-62.

［5］GUO S S，CHUMLEA W C.Tracking of body mass index in children in relation to overweight inadulthood［J］.Am J Clin Nutr，1999，70：145-148.