基于無線通信的智能健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

吳樂 周殷婷 孫嘉誠

【摘? 要】 文章主要介紹一款基于無線通信技術(shù)的智能健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用STM32F103VET6為主控制器，搭建LCD液晶屏幕為顯示模塊、BNO055姿態(tài)檢測(cè)模塊、心率血氧檢測(cè)模塊、DHT11溫濕度傳感器、WIFI無線通信模塊和電源模塊，軟件設(shè)計(jì)包括STM32監(jiān)控程序設(shè)計(jì)、液晶屏控制與顯示程序設(shè)計(jì)、串行通信程序設(shè)計(jì)、WIFI無線通信程序設(shè)計(jì)。通過系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了心率、血氧、姿態(tài)角、溫度和濕度等采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)刷新到顯示屏上和OneNET云平臺(tái)供用戶查看，在發(fā)生異常狀態(tài)時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示用戶。

【關(guān)鍵詞】 血氧濃度監(jiān)測(cè);環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè);WIFI無線通信

一、總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、WIFI無線通信模塊、LCD液晶顯示模塊、傳感器檢測(cè)模塊、報(bào)警電路和電源電路等搭建系統(tǒng)的硬件電路，通過程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的身體指標(biāo)信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，并在液晶顯示屏上顯示，還能將獲得的信息通過WIFI上傳到云端，供遠(yuǎn)程查看。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）主控模塊電路

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成，系統(tǒng)選用STM32F103VET6芯片作為核心處理器，選用內(nèi)部flash啟動(dòng)。由于STM32F103VET6的復(fù)位是低電平有效，選用一個(gè)二腳非自鎖按鍵作為復(fù)位開關(guān)，當(dāng)按鍵按下后，單片機(jī)復(fù)位。

（二）傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

心率、血氧（MAX30102傳感器）和姿態(tài)角（MPU6050 傳感器）檢測(cè)都涉及IIC通信。IIC是一種串行總線，它采用半雙工方式進(jìn)行傳輸。包括SDA和SCL的數(shù)據(jù)線路，可以傳輸和接收數(shù)據(jù)。MAX30102傳感器與MPU6050傳感器都是通過IIC通信與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它們皆為3.3V供電，MAX30102傳感器的SCL與PB6口連接SDA與PB7連接， MPU6050傳感器的SCL與PB8口連接SDA與PB9連接。溫濕度環(huán)境檢測(cè)電路采用單總線方式和STM32相連。

（三）液晶顯示屏接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用3.2寸LCD液晶顯示屏，顯示屏只需要3.3V低電壓即可驅(qū)動(dòng)，顯示效果好，同時(shí)功耗也很低，屏幕沒有輻射、不閃爍。STM32通過并行通信接口與ILI9341液晶控制芯片進(jìn)行通信，用于將數(shù)據(jù)和控制信號(hào)同時(shí)傳輸。它包括14個(gè)信號(hào)線。其中，8個(gè)數(shù)據(jù)線用于傳輸數(shù)據(jù)，5個(gè)控制線用于傳輸控制信號(hào)，復(fù)位線用于復(fù)位ILI9341液晶控制芯片。在進(jìn)行通信時(shí)，需要將對(duì)應(yīng)的信號(hào)線連接到STM32的GPIO口上，并編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)ILI9341液晶控制芯片的控制和通信。

（四）WIFI無線通信接口電路設(shè)計(jì)

USART是一種通用的同步/異步串口通信協(xié)議，常用于將嵌入式系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)通過USART電路將WIFI模塊與單片機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與WIFI模塊的數(shù)據(jù)交互。USART中的RXD接收總線與單片機(jī)PB10發(fā)送總線連接，TXD發(fā)送總線與單片機(jī)PB11接收總線連接。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)涉及IIC和USART通信驅(qū)動(dòng)程序、心率血氧檢測(cè)程序、姿態(tài)檢測(cè)程序、溫濕度采集程序、ILI9341液晶屏驅(qū)動(dòng)程序、WIFI數(shù)據(jù)上報(bào)程序。

（一）主程序設(shè)計(jì)

主程序?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行的主要邏輯，包括了各個(gè)模塊的初始化管理與各模塊之間的工作的管理，詳細(xì)的流程如圖1所示。

主程序執(zhí)行過程是：1. 對(duì)單片機(jī)的時(shí)鐘、串口、定時(shí)器等配置和各模塊控制的GPIO口進(jìn)行初始化。2. 調(diào)用各模塊的函數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用于增加對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。3. 將實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的評(píng)級(jí)，讓用戶能實(shí)時(shí)了解身體健康狀況和周圍環(huán)境的測(cè)量情況，并根據(jù)設(shè)置的閾值，超出閾值進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警提示。4. 通過串行通信程序?qū)?shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳送到WIFI模塊，并且對(duì)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，讓用戶可以比較直觀地了解健康狀況。

（二）心率血氧檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

在心率血氧檢測(cè)中，雖然傳感器的精度很高，但由于環(huán)境光和其他干擾因素的存在，傳感器可能會(huì)受到干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，需要對(duì)MAX30102采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT算法處理，得到信號(hào)的頻譜分布，找到信號(hào)的主頻率，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的心率和血氧數(shù)據(jù)。MAX30102用的脈搏測(cè)量方法為光電容積法（PPG），PPG是一種無創(chuàng)測(cè)量心率和血氧飽和度的方法，常用于醫(yī)療和健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中。其原理是利用LED發(fā)出的光在皮膚組織中經(jīng)過吸收和散射，被光電傳感器接收，從而得到一個(gè)脈沖波形信號(hào)。當(dāng)心臟跳動(dòng)時(shí)，血液會(huì)通過動(dòng)脈和組織，引起皮膚中的血容積變化，這種變化可以被PPG信號(hào)檢測(cè)到，并通過信號(hào)處理獲得心率和血氧飽和度等生理參數(shù)。

1. FFT算法分析

FFT（快速傅里葉變換）是一種廣泛用于數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)，可以將時(shí)間域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率域信號(hào)。在MAX30102中，紅外和紅色光信號(hào)可以被視為時(shí)間域信號(hào)，它們的頻率域表示可以通過FFT計(jì)算得到。這個(gè)頻域表示包含有關(guān)心率和血氧飽和度的信息。此外，F(xiàn)FT處理還可以減少噪聲和其他干擾，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

以下是對(duì)MAX30102獲取的PPG數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理的基本步驟：

（1）采集PPG數(shù)據(jù)：MAX30102通過光傳感器采集心率和血氧的PPG數(shù)據(jù)。

（2）進(jìn)行預(yù)處理：預(yù)處理包括濾波和去噪，以去除環(huán)境噪聲和運(yùn)動(dòng)偽跡。

（3）進(jìn)行FFT變換：將預(yù)處理后的PPG數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到頻率譜。可以使用MATLAB等工具進(jìn)行FFT變換，或使用已有的FFT庫函數(shù)。

（4）計(jì)算心率：通過在頻率譜中查找峰值（s1_max_index）由公式（1）計(jì)算心率。

HeartRate=60.00×（（100.0×s1_max_index）/512.00）（1）

（5）計(jì)算血氧飽和度：通過測(cè)量PPG信號(hào)由公式（2）通過紅光和紅外光的直流（AC_red和AC_ir）和交流（DC_red和DC_ir）的比例來計(jì)算血氧飽和度。

R=（AC_red/DC_red）/（AC_ir/DC_ir）? （2）

sp02num=-45.060×R×R+30.354×R+94.845? （3）

2. 心率和血氧數(shù)據(jù)讀取

上述分析得知，由公式（1）和（2）可計(jì)算出實(shí)時(shí)的心率和血氧。心率和血氧的讀取需要先啟動(dòng)IIC總線，再發(fā)送起始信號(hào)后讀取接收到的溫度，此時(shí)心率和血氧由于環(huán)境光和其他干擾因素的存在，傳感器可能會(huì)受到干擾，通過公式（1）和（2）就可得到最接近于實(shí)時(shí)的心率和血氧。

3. 身體健康指標(biāo)判定

心率和血氧的會(huì)有一定的閾值，為了減小不必要的交互，老年人的心率和血氧正常范圍可能會(huì)受到多種因素的影響，如年齡、性別、身體狀況等，因此具體正常范圍可能存在差異。一般而言，老年人的正常心率應(yīng)在60～100次/分鐘之間，血氧飽和度應(yīng)在95%以上。當(dāng)心率和血氧超過閾值，屏幕會(huì)出現(xiàn)身體健康指標(biāo)異常并發(fā)出聲音報(bào)警。

（三）姿態(tài)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

姿態(tài)檢測(cè)是通過MPU6050集成了數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP）處理陀螺儀傳感器的原始數(shù)據(jù)，再把處理好的結(jié)果傳遞給單片機(jī)看是否超出閾值，如果超出閾值則在顯示屏上顯示異常。其中涉及了DMP 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、姿態(tài)角的讀取和姿態(tài)角狀況的判定。

1. DMP驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

MPU6050集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，可以用于檢測(cè)物體的姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。但是，如果直接使用主控芯片進(jìn)行姿態(tài)解算和運(yùn)動(dòng)處理，需要消耗大量的計(jì)算資源和功耗，且算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，容易出錯(cuò)。MPU6050提供了DMP功能。DMP是一種嵌入在傳感器芯片內(nèi)部的處理器，可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算、方向計(jì)算等處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出給主控芯片，從而減輕主控芯片的計(jì)算負(fù)擔(dān)和功耗。提供更為精確和穩(wěn)定的姿態(tài)解算結(jié)果。

2. 姿態(tài)檢測(cè)判定

通過傳感器的模擬摔倒?fàn)顩r，可以得到當(dāng)摔倒時(shí)，傳感器的俯仰角和橫滾角的絕對(duì)值大于40度。

（四）USART通信程序設(shè)計(jì)

在USART通信協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸需要指定一些參數(shù)，例如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位等。這些參數(shù)在通信之前需要事先確定，并且在發(fā)送和接收過程中必須保持一致。單片機(jī)和ESP8266都設(shè)置同樣的數(shù)據(jù)結(jié)果，數(shù)據(jù)中開始的幀頭為00xAA和0xBB，當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)束依賴于數(shù)據(jù)包長度和結(jié)束符（例如“＼r＼n”）。單片機(jī)解析數(shù)據(jù)過程是通過USART中斷來實(shí)現(xiàn)，先對(duì)幀頭進(jìn)行檢測(cè)，假使讀取正確將數(shù)據(jù)位存儲(chǔ)到BUFF內(nèi)，最后再對(duì)幀尾進(jìn)行檢測(cè)。在其他功能下就可調(diào)用BUFF內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

四、系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，通過訪問網(wǎng)頁（https：//open.iot.10086.cn/view/main/index.html#/share2d？id= 643c2e4ee18f8400 4095111d）的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，此功能通過采集數(shù)據(jù)上傳OneNET云平臺(tái)和OneNET云平臺(tái)可視化實(shí)現(xiàn)。

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