基于STM32的人體體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊凱 王潤修 倪笑宇 吉高卿

基金項(xiàng)目：2023年度河北省體育科技研究項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于云計(jì)算的國民體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究；項(xiàng)目編號：2023QT15。項(xiàng)目名稱：新業(yè)態(tài)背景下我省電競產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策研究；項(xiàng)目編號：2023CY13。2019年張家口市科技局科研項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于大數(shù)據(jù)的智能交通控制系統(tǒng)；項(xiàng)目編號：1911002B。

作者簡介：楊凱（1987— ），男，湖北黃岡人，助教，碩士；研究方向：電子信息。

*通信作者：吉高卿（1987— ），男，河北張家口人，講師，碩士；研究方向：大數(shù)據(jù)。

摘要：由于人們生活節(jié)奏的加快和生活壓力的增大，人體體質(zhì)健康越來越受到重視。為了使人們更為直觀地關(guān)注自身的體質(zhì)健康，文章設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的人體體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為主控制模塊，通過血氧傳感器模塊、脈搏心率測量模塊、體溫測量模塊，分別對心率、血氧、體溫等人體體質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能，將測量的數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)上。利用該系統(tǒng)，用戶既可以在液晶顯示屏上查看體質(zhì)數(shù)據(jù)，也可以在手機(jī)App上了解到自身的體質(zhì)參數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、工作正常，符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：人體體質(zhì)；STM32；傳感模塊；血氧

中圖分類號：TP31? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

目前，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但人口老齡化問題化日趨嚴(yán)重［1］。在我國人民生活水平不斷提升的同時(shí)，生活壓力也變得越來越大，由于錯(cuò)誤的飲食習(xí)慣和較少的運(yùn)動，導(dǎo)致人們的健康問題與日俱增［2］。在現(xiàn)實(shí)生活中，還存在醫(yī)療資源匱乏、少部分人支付不起昂貴的醫(yī)療費(fèi)用、就醫(yī)不及時(shí)等一系列問題［3］。

人體體質(zhì)監(jiān)測是醫(yī)療健康領(lǐng)域的一個(gè)新興研究方向，隨著社會對健康生活的重視和人民對疾病預(yù)防意識的提高，越來越多的人開始關(guān)注自身的體質(zhì)與潛在健康風(fēng)險(xiǎn)，以上因素推動了體質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展［4］。人體體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵生理參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)分析，對個(gè)體體質(zhì)特征及疾病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，能夠有效幫助人們做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早治療［5］。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的人體體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成，如圖1所示。系統(tǒng)主要由主控制器、溫度采集模塊、心率與血氧采集模塊、顯示模塊、藍(lán)牙模塊等構(gòu)成，不僅可以實(shí)現(xiàn)對體溫、心率、血氧等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，還可以將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)等設(shè)備。

本文設(shè)計(jì)的人體體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，主控制器的作用是對系統(tǒng)各個(gè)組成模塊進(jìn)行總體控制；溫度采集模塊的作用是利用溫度傳感器，對人體體溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；心率和血氧采集模塊的作用是利用相關(guān)傳感器，對人體心率和血氧等體質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；藍(lán)牙模塊的作用是利用藍(lán)牙芯片，對已經(jīng)獲得的人體體質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，使用戶在手機(jī)端也可以查看自身的體質(zhì)數(shù)據(jù)。

1.1? 主控制器模塊

系統(tǒng)采用STM32F103c8t6作為主控制器，它是ST公司STM32系列32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器的一款產(chǎn)品，屬于STM32主流系列入門級產(chǎn)品，芯片采用高性能的ARM內(nèi)核，內(nèi)置豐富的外設(shè)和接口，擁有軟硬件資源豐富的生態(tài)系統(tǒng)［6］。

該芯片內(nèi)置了64 KB閃存、20 KB SRAM以及多個(gè)通信接口，如USART、SPI、I2C和CAN等，還有豐富的外圍設(shè)備，如ADC/DAC、定時(shí)器和PWM等。此外，它還支持多種電源模式，包括低功耗、停機(jī)、待機(jī)和休眠等，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)控制、汽車電子、家電控制等［7］。

1.2? 溫度采集模塊

系統(tǒng)選用DS18B20作為溫度傳感器，DS18B20數(shù)字溫度傳感器由Dallas半導(dǎo)體公司（現(xiàn)Maxim Integrated）開發(fā)制造［8］。芯片采用單總線接口，通信方式簡單，連接方便，只需要一條數(shù)據(jù)線即可與微控制器連接實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的讀取。

DS18B20具有以下特點(diǎn)：（1）測量結(jié)果精度較高。DS18B20提供的溫度測量范圍是-10～85 ℃精度為±0.5 ℃。這使得它非常適合需要準(zhǔn)確溫度測量的應(yīng)用。（2）芯片采用單線連接。DS18B20傳感器使用單一的數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，這使得它在布線和連接方面非常方便，只需使用一個(gè)引腳就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電。（3）芯片的功耗較低。DS18B20在進(jìn)行溫度測量和通信時(shí)消耗的功率非常低，這使得它非常適合用于低功耗和電池供電的應(yīng)用場景。（4）芯片采用多種封裝形式。DS18B20傳感器提供了不同的封裝選項(xiàng)，包括TO-92、TO-220、SOT-223等，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

1.3? 心率與血氧采集模塊

心率與血氧數(shù)據(jù)的采集模塊采用的是MAX30102芯片。該芯片是Maxim Integrated公司推出的一款可穿戴生物傳感器。它是一種集成了紅外（IR）和可見光（Visible Light）LED發(fā)光器、光電傳感器和數(shù)字信號處理電路的高度集成脈搏氧合儀和心率監(jiān)測模塊。芯片利用反射式光譜測量技術(shù)，通過測量光線在皮膚上的反射率和吸收率，來獲取血氧飽和度（SpO2）和心率等人體體質(zhì)數(shù)據(jù)。該芯片的主要特點(diǎn)和功能：（1）芯片采用雙波長測量。MAX30102集成了紅外（IR）和可見光（Visible Light）LED發(fā)光器，可同時(shí)進(jìn)行雙波長的光譜測量。這使得它能夠有效地消除來自皮膚顏色和環(huán)境光的影響，確保血氧飽和度和心率測量的準(zhǔn)確度。（2）芯片具有靈敏的光電傳感器。MAX30102內(nèi)置高靈敏度的光電傳感器，能夠檢測微弱的光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行處理。（3）芯片具有靈活的數(shù)據(jù)接口。MAX30102通過I2C（Inter-Integrated Circuit）總線接口與主控制器進(jìn)行通信。它提供了多個(gè)配置寄存器，可以調(diào)整采樣速率、工作模式、閾值設(shè)置等參數(shù)，以滿足不同應(yīng)用的需求。（4）洗牌具有低功耗模式。AX30102支持多個(gè)低功耗模式，可以在不同的功耗和性能需求之間進(jìn)行權(quán)衡，以延長電池壽命。

1.4? 顯示模塊

本文的顯示模塊采用的是LCD1602芯片。LCD1602是一種基于液晶技術(shù)的字符顯示模塊，性能穩(wěn)定，使用方便，價(jià)格低廉。它由兩行，每行16個(gè)字符的顯示區(qū)域組成，每個(gè)字符由5×8點(diǎn)陣組成。LCD1602具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括電子設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制以及教育實(shí)驗(yàn)等。通過與控制器的連接，可以向LCD1602發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，以控制顯示內(nèi)容、位置和外觀等。用戶可以在LCD1602上顯示自定義的文本、數(shù)字、符號和圖形，以滿足各種應(yīng)用的需求。

1.5? 藍(lán)牙模塊

本文通過JDY-30藍(lán)牙模塊與手機(jī)軟件連接，可以將測量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)上，人們通過手機(jī)便可以清楚地觀察到自身體質(zhì)數(shù)據(jù)。

JDY-30是一種基于SPP（串口藍(lán)牙傳輸協(xié)議）藍(lán)牙模塊，是一種小型且易于使用的無線通信模塊，常用于與藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行串口通信。JDY-30模塊配置方式簡便，用戶可以通過發(fā)送AT指令來配置模塊的參數(shù)，如藍(lán)牙名稱、波特率等；JDY-30模塊可工作在主從模式或僅從模式。主從模式可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，而僅從模式只能接收數(shù)據(jù)。另外，JDY-30模塊采用低功耗設(shè)計(jì)，適合于對電源功耗有要求的場景，帶有藍(lán)牙連接狀態(tài)的指示燈，可以方便地了解藍(lán)牙連接狀態(tài)。

STM32主控模塊與手機(jī)端App之間采用JDY-30藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。該模塊體積小巧、使用靈活，用戶可根據(jù)需要設(shè)置波特率，通信距離可達(dá)10 m。該藍(lán)牙芯片非常適合在人體體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中使用。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)以模塊化為設(shè)計(jì)原則，將每個(gè)模塊封裝為函數(shù)，每個(gè)模塊完成特定的功能。使用模塊化開發(fā)，可以將代碼耦合度降低，模塊化的意義在于最大化的設(shè)計(jì)重用，以最少的模塊、零部件，更快速地滿足更多的個(gè)性化需求，提高系統(tǒng)程序的可維護(hù)性和可測試性。此外，如果需要對程序進(jìn)行升級優(yōu)化及功能擴(kuò)展，可在不影響程序原有功能的情況下，加入相應(yīng)模塊的代碼即可實(shí)現(xiàn)，提高開發(fā)效率和降低開發(fā)成本。本系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)模塊包括以下幾種：脈搏波傳感模塊、藍(lán)牙通信模塊、LCD屏幕顯示模塊、存儲模塊、時(shí)鐘及輔助模塊等。

系統(tǒng)主程序可以控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行。它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后，需對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時(shí)器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。在系統(tǒng)初始化之后，進(jìn)行按鍵掃描、液晶顯示等工作。系統(tǒng)主流程，如圖2所示。

3? 測試及結(jié)論

在完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)后，可進(jìn)行人體體質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能測試。當(dāng)系統(tǒng)接通電源后，系統(tǒng)便開始正常工作。在監(jiān)測人體體質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)不僅可以通過LED顯示屏顯示被監(jiān)測人的體質(zhì)信息，還可以將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)端。LCD顯示屏上顯示的信息包括：當(dāng)前測得的心率（HR）、血氧（SpO2）、體溫（HeartRate）。經(jīng)測試，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)? 可以穩(wěn)定、正常的工作。

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（編輯? 姚? 鑫）

Design and implementation of a human physical fitness monitoring system based on STM32

Yang? Kai1， Wang? Runxiu2， Ni? Xiaoyu2， Ji? Gaoqing2*

（1.Jiangxi Vocational College of Finance and Economics， Jiujiang 332000， China;

2.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：? Due to the acceleration of peoples pace of life and the increase in life pressure， the physical health of the human body is increasingly valued. In order to make people pay more intuitive attention to their physical health， the article designs a human physique monitoring system based on the STM32 microcontroller. The system uses the STM32 microcontroller as the main control module， and monitors human physical parameters such as heart rate， blood oxygen， and body temperature through the blood oxygen sensor module， pulse heart rate measurement module， and body temperature measurement module. The wireless transmission function is achieved through the Bluetooth module， and the measured data is transmitted to the mobile phone. With this system， users can view their physical fitness data on the LCD screen and also learn about their physical fitness parameters on the mobile App. After experimental testing， the system runs smoothly and operates normally， meeting the design requirements.

Key words： human constitution; STM32; sensing module; blood oxygen