基于STM32的個人健康和環(huán)境數據采集器設計與實現

周嘉坤　陳波　李晨

摘要：面對老年人健康保健的實際需求，提出了基于移動物聯網的老年人健康服務信息推薦系統(tǒng)。重點介紹以開發(fā)板STM32F103VET6為核心，個人健康和環(huán)境數據采集器的軟硬件設計及實現方法，實現了多傳感器的接口搭建和傳感器數據采集的靈活控制，能夠很好地滿足數據采集器對于多事務的控制和管理、個人健康和環(huán)境數據靈活監(jiān)測的要求，且具有高性能、低成本、低功耗等特點。

關鍵詞：數據采集；環(huán)境監(jiān)測；健康監(jiān)測；STM32；傳感器

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）04-0196-08

Abstract： This paper proposes an information recommendation system for elderly health care. The system is designed based on mobile Internet of things to meet the increasing needs of the elderly for health. The paper focuses on the introduction of STM32F103VET6 and the methods about the design and implementation of data collector for personal health and environment. The system implements flexibly control interface to build multiple sensors and sensor data acquisition， which enables the data collector to manage multiple transaction and monitor personal health data and environmental data. The system has the characteristics of high performance， low cost and power consumption and so on.

Key words： Data acquisition； Environment Monitoring； Health Monitoring； STM32； Sensor

1 背景

數據采集系統(tǒng)目前在安全生產[1]、智能交通[2]、環(huán)境監(jiān)控[3]等領域有著廣泛應用。數據采集系統(tǒng)整合了信號、傳感器、激勵器、信號調理、數據采集設備和應用軟件，能夠有目的地測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現象[4]。

在老年人健康保健領域，數據采集也有著重要作用。美國佐治亞理工學院針對孤寡老人家庭開展了“AwareHome”項目，親人家屬或者監(jiān)護人可以通過互聯網實時了解老人的活動狀態(tài)[5]；國內也有相應的健康監(jiān)護系統(tǒng)的設計與實現[6][7]。但是這些項目往往只考慮了監(jiān)控老年人生理上的健康數據，忽略了對老年人居住環(huán)境信息的監(jiān)測。該文認為，居住環(huán)境也是影響老年人健康的重要因素。

筆者設計與實現的基于移動物聯網的老年人健康服務信息推薦系統(tǒng)，根據采集到的老年人個人健康參數與居住環(huán)境參數，通過數據相關性和智能算法的挖掘來評判老年人的健康水平，實現滿足個性化需求的多模態(tài)推送健康信息服務，如按設定提醒老年人日常保健，包括用藥的時間和劑量等，以及為老年人提供相關的保健建議等。該文實現的數據采集器采集的個人健康參數包括心率、血壓，居住環(huán)境參數包括溫度、濕度、光照和噪聲。

對于本數據采集器的開發(fā)，核心板需要搭建眾多的傳感器，進行多事務的處理，所以選用的核心板必須能夠很好地控制和管理多事務。目前數據采集系統(tǒng)的開發(fā)，通常使用的是以ARM、DSP或FPGA為核心的處理器。DSP是以數字信號來處理大量信息的器件，主要進行數據的加密解密和調制解調等[8]。FPGA能夠進行編程、除錯、再編程和重復操作，可以充分進行設計開發(fā)和驗證[8]。ARM具有比較強的事務管理功能，可以用來運行界面以及應用程序等，其優(yōu)勢主要體現在控制方面[9]。通過對ARM、DSP和FPGA的比較，DSP與FPGA對于單一事務的處理比較勝任，而ARM具有更強的事務處理能力。意法半導體集團推出了支持嵌入式設備的數據采集系統(tǒng)開發(fā)平臺—STM32，筆者采用的是STM32F103VET6系列，它基于超低功耗的ARM Cortex-M3處理器內核，提供更高的代碼執(zhí)行效率；內置多達512KB的嵌入式Flash，可用于存儲程序和數據，多達64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的時鐘速度進行讀寫；具有較強的控制和管理事務的功能；優(yōu)異的兼容性為開發(fā)人員帶來最大的設計靈活性。該開發(fā)平臺已經在環(huán)境數據采集[10]和語音識別[11]等領域有了應用。

接下來，該文首先介紹基于移動物聯網的老年人健康服務信息推薦系統(tǒng)的總體設計框架，著重介紹應用STM32開發(fā)平臺實現個人健康和環(huán)境數據的數據采集器的技術細節(jié)。

2 系統(tǒng)框架

作者完成的基于移動物聯網的老年人健康服務信息推薦系統(tǒng)總體框架如圖1所示，該系統(tǒng)由數據采集、信息管理、定位跟蹤、服務推薦這四部分組成。

數據采集是采集老年人的環(huán)境檢測信息以及身體體檢信息，這些信息反映了老年人平時的健康狀況和環(huán)境狀況，各項數據及老年人的位置信息全部儲存到感知和數據處理數據庫中。用戶及其子女可以實時查詢被監(jiān)護老年人的信息，系統(tǒng)也會實時調取數據庫中的這些信息運用對應的推薦算法分析整合。

信息管理是對調查問卷信息的結構化保存，這些信息構成每個個體的靜態(tài)信息，它反映了老年人的興趣愛好、呵護需求、健康狀況以及老年人監(jiān)護需求等。這些信息按照結構化要求存儲到服務器的用戶數據庫中，為本系統(tǒng)提供各種決策分析的依據。

定位跟蹤的實現依靠老年人隨身攜帶的移動終端，它可以記錄老年人的全球定位位置、在室內的活動空間位置以及老年人的運動狀況等。提供全方位對老年人行為和位置的定位，能實現老年人在身體不適或走失情況下的跟蹤。

服務推薦分為需求推薦和個性化推薦，需求推薦是根據老年人填寫的調差問卷中的身體狀況、生活環(huán)境和生活習慣等信息，實時地分類推送文字、語言、視頻以及教學運動視頻，在老年人手持終端的網頁上給出適合老年人醫(yī)療、健康護理等領域的建議。個性化推薦是根據數據采集器采集的個人健康和環(huán)境數據，推送運動量、體檢風險評估以及環(huán)境配置等個性化參數。

數據采集在整個系統(tǒng)中具有至關重要的作用，它是服務推薦的基礎和保證。

3 數據采集器設計

數據采集器主要完成環(huán)境信息監(jiān)測和健康信息監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測信息包括溫度、濕度、光照和噪聲信息；健康監(jiān)測信息包括血壓和心率。

3.1 硬件設計

數據采集器利用STM32系列開發(fā)平臺中的STM32F103VET6核心模塊。該STM32開發(fā)板采用內部帶有12位高精度模數轉換器的ARM芯片，方便在數據采集器開發(fā)中進行模數轉換；帶有3xSPI、5xUSART、2xI2C、1xFSMC、1xLCD、1xSDIO、1xUSB、1xCAN眾多接口，方便外接眾多的傳感器；存儲資源為512K Flash和64K RAM，符合數據采集器存儲數據量大的要求；支持JTAG/SWD接口的調試下載，方便軟件的開發(fā)測試。該核心板完全符合本系統(tǒng)在性能、成本、功耗上要求比較高的條件。

1） 溫度傳感器

本系統(tǒng)采用的溫度傳感器是DS18B20，它是一種廣泛應用于各種環(huán)境的測溫元器件，測量的精度高，穩(wěn)定性更好，抗干擾性更強的特性優(yōu)于一般的溫度傳感器。該傳感器能夠將溫度量轉換成電信號，該傳感器在使用中，全部傳感元件及轉換電路集成在三極管內，符合本系統(tǒng)小巧便捷的特點；測溫范圍為-55℃-+125℃，具有較高的精度，保證了數據采集器的精確性。

2） 濕度傳感器

本系統(tǒng)選用的數字濕度傳感器芯片是SHT-10，該芯片廣泛應用于室內監(jiān)測等領域。該傳感器具有微小的體積、極低的功耗，符合本系統(tǒng)小巧便捷功耗低的特點；測量精度高，自帶12位的模數轉換器，保證了本系統(tǒng)數據的準確性和傳輸的便捷性。

由于該功能模塊采用二線數字串行接口SCK和DATA輸出，需要使用處理器的兩個I/O口，其接口電路也比較簡單，與STM32F103VET6的兩個I/O口PB8和PB9相連即可，一根數據線和一根時鐘線就能實現串口傳輸。

3） 光照傳感器

光照傳感器即光敏電阻，本設計采用將光照傳感器搭建在核心板的SPI接口上來實現對環(huán)境光度數據的采集，主要是把測得的電壓值與光度值對應起來，并存入到微處理器的RAM中，再根據電路中測出的AD轉換值與對應的計算光照的公式得出實際光照值。

4） 噪聲傳感器

本系統(tǒng)采用的是TZ-2KA噪聲傳感器，噪聲傳感器是一款寬聲頻范圍、高聲強動態(tài)范圍、操作簡便的聲音傳感器。該傳感器體積小、重量輕，符合本系統(tǒng)小巧便捷功耗低的特點；數據精度高，保證了數據采集器中數據的準確性。

本設計采用將噪聲傳感器搭建在核心板的SPI接口上來實現對環(huán)境聲音數據的采集，主要是把測得的電壓值與聲音值對應起來，得到AD轉換值并存入到微處理器的RAM中，再根據電路中測出的AD轉換值計算實際的聲音分貝值。

5） 血壓計

腕式血壓心率傳感器是全自動腕式電子血壓計，它是一種現代便捷的血壓心率測量器。測量結果與專業(yè)醫(yī)生測量的幾乎無差異，手腕測量，快捷精確；加壓、測量、放氣全自動操控；小巧輕便，可隨身攜帶；60組數據記憶，功能強大。

本設計采用將全自動腕式電子血壓計搭建在核心板的USART1接口上來實現對老人血壓心率測量數據的采集，主要是把測得的血壓、心率值存入到微處理器的RAM中。

6） 數據通信電路

PL2303是一種高度集成的RS232-USB接口轉換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。PL2303可實現USB信號與RS232信號的轉換，能夠方便嵌入到各種設備；該器件作為USB/RS232雙向轉換器，一方面從主機接收USB數據并將其轉換為RS232信息流格式發(fā)送給外設；另一方面從RS232外設接收數據轉換為USB數據格式傳送回主機。這些工作全部由器件自動完成，開發(fā)者不需考慮固件設計，方便了本系統(tǒng)的開發(fā)測試。在工作模式和休眠模式時都具有功耗低，更符合本系統(tǒng)的節(jié)能要求。支持完整的RS232接口，可編程設置的波特率，并為外部串行接口提供電源；512字節(jié)可調的雙向數據緩存，方便采集數據的存儲。

本系統(tǒng)數據通信時提供一路RS232接口，RS232接口芯片為PL2303，接口一端連接到STM32F103VET6核心板上的USART2管腳上，接口另一端USB連接PC機。啟動數據采集器運行程序，就可以通過PC端的串口助手查看到傳感器所采集并經過調整后傳輸的數據。

3.2.2 數據采集器應用程序實現

基于嵌入式的數據采集器，利用傳感器實現了對環(huán)境及體檢信息的采集，并傳送到核心板進行編碼，將編碼的數據傳輸給服務器端的數據庫。數據采集器應用程序實現工作主要包括傳感器正常采集數據的設計、按照既定協(xié)議對采集數據進行編碼、實現與CC2530無線傳輸模塊的通信。

各傳感器通過對應接口與核心板進行連接，腕式血壓計主要通過USART接口與核心板進行連接，濕度傳感器通過I2C接口與核心板進行連接，光照傳感器和噪聲傳感器通過SPI接口與核心板進行連接，溫度傳感器通過ONEWIRE接口與核心板進行連接。

數據采集器軟件主要由溫度采集處理、濕度采集處理、光照采集處理、噪聲采集處理、血壓心率采集處理和通信程序等構成。數據采集器根據筆者設計的數據協(xié)議格式進行相應的傳感器控制和數據采集。由于例子ADC+DMA工程中已經實現了光照和噪聲的采集處理，所以本文不再對光照和噪聲采集處理程序作介紹。下面重點介紹溫度、濕度、血壓和心率采集處理的實現。

1） 溫度、濕度采集處理

數據采集器所選用的溫度傳感器DS18B20是搭建在核心板的ONEWIRE總線上來實現對環(huán)境溫度數據的采集，該傳感器提供了USART數字輸出，所以驅動起來比較簡單，只需用STM32F103VET6的USART2串口接受傳感器模塊傳來的數據。選用的數字濕度傳感器芯片SHT-10提供二線數字串行接口SCK和DATA，接口比較簡單，只需將檢測的數值通過I2C總線傳給STM32F103VET6。依據文獻[12]即可實現溫度、濕度傳感器在系統(tǒng)中的功能。

環(huán)境監(jiān)測數據采集主程序流程如圖5所示，進行環(huán)境監(jiān)測數據采集時，先啟動數據采集器，所有終端初始化，然后根據用戶界面發(fā)送的控制信息協(xié)議設定網關控制命令，判斷有無改變控制模式，如果沒有改變控制模式就繼續(xù)按照原來的控制模式采集數據，如果改變了控制模式則修改控制模式，按照新修改的控制模式采集數據。每次用戶界面發(fā)送的控制信息協(xié)議，都經過上述的過程傳遞到老年人終端，繼而根據用戶的控制命令來操作傳感器采集數據。

2） 血壓心率采集處理

腕式血壓計只需將其輸出數據的引腳與地線引腳焊接上針腳，與核心板STM32F103VET6的USART接口上的RX與GND管腳相連，這樣傳感器傳輸的數據就可以直接存儲到核心板上，數據也不需要任何處理，核心板只需要接收就可以得到準確的被監(jiān)護老年人血壓和心率信息。

血壓心率采集程序實現了對老年人體檢信息的采集，數據采集程序是采用C語言編寫，通過ARM中自帶的USART接口就可以直接得到血壓心率傳感器測出的體檢信息。本系統(tǒng)在數據采集過程中充分利用了ARM7的Cortex-M3內核的中斷控制器NVIC功能，減輕了CPU的負擔，達到了數據的實時采集、存儲、發(fā)送要求。軟件設計主要包括中斷控制程序和數據采集程序。

（1）中斷控制程序

本系統(tǒng)采用ARM自帶的中斷控制器NVIC功能，并結合USART接口的傳輸功能實現對血壓、心率信息的采集，被監(jiān)護老年人主動使用血壓心率傳感器體檢自己的健康信息，傳感器的數據采集完，就會觸發(fā)核心板上的中斷，相應的程序就會被執(zhí)行，完成對應的數據處理操作。

5 結束語

本文介紹了基于STM32的個人健康和環(huán)境數據采集器的設計與實現。它能采集老年人的個人健康和環(huán)境數據，以便能夠及時地感知了解老年人目前的身體狀況和生活環(huán)境的適宜度，實現滿足個性化需求的多模態(tài)健康信息推送服務。數據采集器采用目前比較流行的STM32系列核心板開發(fā)，擁有了較強的控制和管理事務的功能，實現了傳感器數據采集的靈活控制；核心板上搭載了眾多靈敏的傳感器，能夠保證數據采樣的精度；具有高性能、低成本、低功耗等特點。

可以預見，隨著嵌入式系統(tǒng)和現代傳感器的飛速發(fā)展，將為基于移動物聯網的老年人健康服務推薦系統(tǒng)的開發(fā)提供更大便利。我們今后還將不斷豐富系統(tǒng)功能來滿足老年人不斷增長的生活、健康和娛樂需求，不斷契合老年人的生理健康和精神慰藉。

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