基于無線通信的智能健康監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

【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)檢測模塊、心率血氧檢測模塊、DHT11溫濕度傳感器、WIFI無線通信模塊和電源模塊，軟件設(shè)計包括STM32監(jiān)控程序設(shè)計、液晶屏控制與顯示程序設(shè)計、串行通信程序設(shè)計、WIFI無線通信程序設(shè)計。通過系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，實現(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云平臺供用戶查看，在發(fā)生異常狀態(tài)時蜂鳴器報警提示用戶。【關(guān)鍵詞】血氧濃度監(jiān)測;環(huán)境溫濕度監(jiān)測;WIFI無線通信一、總體設(shè)計方案系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、WIFI無線通信模塊、LCD液晶顯示模塊、傳感器檢測模塊、報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，系統(tǒng)可實現(xiàn)實時監(jiān)測用戶的身體指標信息和環(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，供遠程查看。二、系統(tǒng)硬件設(shè)計（一）主控模塊電路單片機最小系統(tǒng)由STM32單片機、時鐘電路和復(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。由于STM32F103VET6的復(fù)位是低電平有效，選用一個二腳非自鎖按鍵作為復(fù)位開關(guān)，當按鍵按下后，單片機復(fù)位。（二）傳感器檢測電路設(shè)計心率、血氧（MAX30102傳感器）和姿態(tài)角（MPU6050傳感器）檢測都涉及IIC通信。IIC是一種串行總線，它采用半雙工方式進行傳輸。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通信與單片機進行數(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，顯示效果好，同時功耗也很低，屏幕沒有輻射、不閃爍。STM32通過并行通信接口與ILI9341液晶控制芯片進行通信，用于將數(shù)據(jù)和控制信號同時傳輸。它包括14個信號線。其中，8個數(shù)據(jù)線用于傳輸數(shù)據(jù)，5個控制線用于傳輸控制信號，復(fù)位線用于復(fù)位ILI9341液晶控制芯片。在進行通信時，需要將對應(yīng)的信號線連接到STM32的GPIO口上，并編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序，實現(xiàn)對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)備進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)通過USART電路將WIFI模塊與單片機進行連接，實現(xiàn)單片機與WIFI模塊的數(shù)據(jù)交互。USART中的RXD接收總線與單片機PB10發(fā)送總線連接，TXD發(fā)送總線與單片機PB11接收總線連接。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計涉及IIC和USART通信驅(qū)動程序、心率血氧檢測程序、姿態(tài)檢測程序、溫濕度采集程序、ILI9341液晶屏驅(qū)動程序、WIFI數(shù)據(jù)上報程序。（一）主程序設(shè)計主程序為系統(tǒng)運行的主要邏輯，包括了各個模塊的初始化管理與各模塊之間的工作的管理，詳細的流程如圖1所示。主程序執(zhí)行過程是：1.對單片機的時鐘、串口、定時器等配置和各模塊控制的GPIO口進行初始化。2.調(diào)用各模塊的函數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，用于增加對實時數(shù)據(jù)的準確度。3.將實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行一定的評級，讓用戶能實時了解身體健康狀況和周圍環(huán)境的測量情況，并根據(jù)設(shè)置的閾值，超出閾值進行自動報警提示。4.通過串行通信程序?qū)崟r的數(shù)據(jù)傳送到WIFI模塊，并且對系統(tǒng)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行可視化處理，讓用戶可以比較直觀地了解健康狀況。（二）心率血氧檢測程序設(shè)計在心率血氧檢測中，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，傳感器可能會受到干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果不準確。因此，需要對MAX30102采集到的數(shù)據(jù)進行FFT算法處理，得到信號的頻譜分布，找到信號的主頻率，進而得到準確的心率和血氧數(shù)據(jù)。MAX30102用的脈搏測量方法為光電容積法（PPG），PPG是一種無創(chuàng)測量心率和血氧飽和度的方法，常用于醫(yī)療和健康監(jiān)測設(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，從而得到一個脈沖波形信號。當心臟跳動時，血液會通過動脈和組織，引起皮膚中的血容積變化，這種變化可以被PPG信號檢測到，并通過信號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)字信號處理的技術(shù)，可以將時間域信號轉(zhuǎn)換為頻率域信號。在MAX30102中，紅外和紅色光信號可以被視為時間域信號，它們的頻率域表示可以通過FFT計算得到。這個頻域表示包含有關(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)量和準確性。以下是對MAX30102獲取的PPG數(shù)據(jù)進行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)境噪聲和運動偽跡。（3）進行FFT變換：將預(yù)處理后的PPG數(shù)據(jù)進行FFT變換，得到頻率譜。可以使用MATLAB等工具進行FFT變換，或使用已有的FFT庫函數(shù)。（4）計算心率：通過在頻率譜中查找峰值（s1_max_index）由公式（1）計算心率。HeartRate=60.00×（（100.0×s1_max_index）/512.00）（1）（5）計算血氧飽和度：通過測量PPG信號由公式（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）可計算出實時的心率和血氧。心率和血氧的讀取需要先啟動IIC總線，再發(fā)送起始信號后讀取接收到的溫度，此時心率和血氧由于環(huán)境光和其他干擾因素的存在，傳感器可能會受到干擾，通過公式（1）和（2）就可得到最接近于實時的心率和血氧。3.身體健康指標判定心率和血氧的會有一定的閾值，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。當心率和血氧超過閾值，屏幕會出現(xiàn)身體健康指標異常并發(fā)出聲音報警。（三）姿態(tài)檢測程序設(shè)計姿態(tài)檢測是通過MPU6050集成了數(shù)字運動處理器（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)動程序的設(shè)計和實現(xiàn)、姿態(tài)角的讀取和姿態(tài)角狀況的判定。1.DMP驅(qū)動程序的設(shè)計MPU6050集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計，可以用于檢測物體的姿態(tài)、運動狀態(tài)等。但是，如果直接使用主控芯片進行姿態(tài)解算和運動處理，需要消耗大量的計算資源和功耗，且算法實現(xiàn)復(fù)雜，容易出錯。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，可以實現(xiàn)姿態(tài)解算、方向計算等處理，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算負擔和功耗。提供更為精確和穩(wěn)定的姿態(tài)解算結(jié)果。2.姿態(tài)檢測判定通過傳感器的模擬摔倒狀況，可以得到當摔倒時，傳感器的俯仰角和橫滾角的絕對值大于40度。（四）USART通信程序設(shè)計在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”）。單片機解析數(shù)據(jù)過程是通過USART中斷來實現(xiàn)，先對幀頭進行檢測，假使讀取正確將數(shù)據(jù)位存儲到BUFF內(nèi)，最后再對幀尾進行檢測。在其他功能下就可調(diào)用BUFF內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理。四、系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠距離監(jiān)測，通過訪問網(wǎng)頁（https：///view/main/index.html#/share2d？id=643c2e4ee18f84004095111d）的方式進行遠程監(jiān)測，此功能通過采集數(shù)據(jù)上傳OneNET云平臺和OneNET云平臺可視化實現(xiàn)。參考文獻：[1]