場(chǎng)地自行車運(yùn)動(dòng)員生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安710021)

0 引言

場(chǎng)地自行車比賽是一項(xiàng)高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)員在比賽中的生理參數(shù)可以很好的反映比賽狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)員生理參數(shù)監(jiān)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外做了很多相關(guān)的研究，監(jiān)測(cè)方法主要包括生物醫(yī)學(xué)方法和傳感器監(jiān)測(cè)方法[1]。生物醫(yī)學(xué)方法是訓(xùn)練后采集血清來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)，這種方法沒(méi)有實(shí)時(shí)性，不適合比賽中使用。傳感器監(jiān)測(cè)方法一般采用傳感器+存儲(chǔ)器的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)備體積小，易佩戴，但是不具備網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)時(shí)性達(dá)不到比賽實(shí)際需求。

近些年來(lái)，可穿戴監(jiān)控設(shè)備大量問(wèn)世，如小米手環(huán)、蘋(píng)果運(yùn)動(dòng)手表等[2]。這類設(shè)備小巧輕盈，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)具備藍(lán)牙通信功能，可以把數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至智能手機(jī)端。但是這些可穿戴設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)并不精確，實(shí)時(shí)性也達(dá)不到比賽要求，一般只適合普通大眾使用。

基于以上情況，設(shè)計(jì)了一套無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了GY-MCU90615紅外溫度傳感器和AD8232心電傳感器來(lái)作為體溫和心電的采集前端，以STM32微處理器為核心，通過(guò)Zigbee實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW上位機(jī)界面，供教練員查看。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信和上位機(jī)，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1。數(shù)據(jù)采集部分用于采集心電和體溫?cái)?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝成幀來(lái)傳輸。無(wú)線通信部分由終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成，兩塊Zigbee模塊組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了透明傳輸功能。上位機(jī)部分負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示接收的心電和體溫?cái)?shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)由微控制單元、電源模塊、Zigbee透明傳輸模塊、心電采集模塊、體溫采集模塊等組成，終端節(jié)點(diǎn)架構(gòu)圖如圖2。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

處理器通過(guò)串口(UART)與紅外溫度傳感器通信，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換器對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Zigbee透明傳輸模塊通過(guò)串口與處理器進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)到上位機(jī)。

2.2 微處理器

微處理器采用意法半導(dǎo)體公司的32位微控制器STM32F103C8T6，該微處理器具有48 k SRAM、256 k FLASH、2個(gè)16位基本定時(shí)器、4個(gè)16位通用定時(shí)器、2個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器、3個(gè)SPI、2個(gè)ⅡC、5個(gè)UART、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口、51個(gè)通用IO口等外設(shè)資源[3]。而且STM32F103C8T6資料非常豐富，功耗很低，目前廣泛應(yīng)用于PDA、醫(yī)療器械、機(jī)器人以及工業(yè)設(shè)備等場(chǎng)合。設(shè)計(jì)的場(chǎng)地自行車運(yùn)動(dòng)員生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求較高，因此STM32F103C8T6適合自行車比賽這種高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的研究。

2.3 電源模塊

由于本系統(tǒng)中微控制單元、心電傳感器、溫度傳感器和Zigbee模塊的工作電壓均是3.3 V，因此，需要為各個(gè)模塊提供3.3 V的電源。本系統(tǒng)使用4.2 V電池供電，通過(guò)RT8009線性穩(wěn)壓器[4]轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，RT8009的原理圖如圖3。

圖3 RT8009原理

2.4 心電采集模塊

心電采集模塊主要通過(guò)在人體皮膚表面放置若干電極片來(lái)獲取數(shù)據(jù)，由于前端設(shè)備是在比賽中佩戴在運(yùn)動(dòng)員身體上的，因此需要PCB面積小，不能影響運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮，同時(shí)，要求精度高、濾波性能強(qiáng)?；谝陨闲枨螅碾姴杉K選用亞德諾半導(dǎo)體公司的AD8232心電傳感器。AD8232主要用于ECG(心電信號(hào))監(jiān)測(cè)，也可以測(cè)量其他生物電數(shù)據(jù)，AD8232內(nèi)部集成了有源濾波器、右腿驅(qū)動(dòng)放大器、以及高精度的儀表放大器等單元；具備低功耗待機(jī)、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)，ECG快速恢復(fù)等功能[5]。AD8232實(shí)物圖如圖4。

圖4 AD8232實(shí)物

本系統(tǒng)用單導(dǎo)聯(lián)的方式來(lái)采集心電數(shù)據(jù)，在人體心臟附近放置2個(gè)電極，由于在采集參數(shù)的過(guò)程中存在基線漂移，肌電干擾和工頻干擾等噪聲，因此，系統(tǒng)使用了右腿驅(qū)動(dòng)放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)第3個(gè)電極，改善系統(tǒng)的抗噪性能。

2.5 體溫測(cè)量模塊

由于場(chǎng)地自行車比賽是一項(xiàng)高速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)員的穿戴裝備應(yīng)盡量小巧，設(shè)備在正常工作的同時(shí)不能對(duì)運(yùn)動(dòng)員造成任何不適感。因此，本系統(tǒng)采用非接觸式的紅外溫度傳感器GY-MCU90615。GY-MCU90615價(jià)格低廉，工作電壓在3～5 V之間，體積小，功耗低，精度高，而且數(shù)據(jù)采集速度快，非常適合本系統(tǒng)的需求。其工作原理，是通過(guò)MCU讀取紅外溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)串口(TTL電平)通信方式輸出。有連續(xù)輸出與詢問(wèn)輸出兩種方式，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境，可與所有的單片機(jī)及PC連接[6]。

GY-MCU90615的實(shí)現(xiàn)原理是基于紅外輻射測(cè)溫[7]，其輻射能量與溫度的關(guān)系滿足Stefan-Boltzmann輻射定律：

E=εδT4

δ是常數(shù)；ε是輻射率，因此，在物體的輻射功率已知的條件下，可以通過(guò)輻射定律公式算出被測(cè)目標(biāo)物體的溫度。GY-MCU90615的可以輸出被測(cè)目標(biāo)溫度To和傳感器自身溫度Ta，計(jì)算公式如下：

2.6 Zigbee透?jìng)髂K

相對(duì)于藍(lán)牙、紅外、超寬帶技術(shù)(UWB)等，Zigbee模塊因具有價(jià)格低、功耗小、自組網(wǎng)、速率快等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。目前市場(chǎng)上最廣泛使用的Zigbee模塊大都采用TI公司的CC2530芯片。該芯片以改良型的、具有流水線結(jié)構(gòu)的8051架構(gòu)為內(nèi)核，自帶16 k或32 k Flash ROM、2 k靜態(tài)RAM、12位ADC等模擬、數(shù)字外設(shè)，并嵌入基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4G無(wú)線收發(fā)硬件[8]。本系統(tǒng)選用深聯(lián)創(chuàng)新公司的DL-20 Zigbee透?jìng)髂K。該模塊適應(yīng)3～5.5 V的電壓，支持全雙工通信，可以雙向同時(shí)收發(fā)，支持P2P模式、Broadcast模式，P2P模式傳輸帶有確認(rèn)，可以確保數(shù)據(jù)丟失率為0，支持不間斷發(fā)送，不限制包的長(zhǎng)度，最快傳輸速率可以達(dá)到3 300 b/s，最遠(yuǎn)可以傳輸250 m。

本系統(tǒng)采用Zigbee透?jìng)髂K傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送方為運(yùn)動(dòng)員身上佩戴的終端節(jié)點(diǎn)，接收方為連接在PC上的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)解析后，通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程對(duì)收發(fā)雙方都是透明的，Zigbee透?jìng)髁鞒倘鐖D5。

圖5 Zigbee透?jìng)髁鞒?/p>

3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)下位機(jī)軟件要完成體溫和心電數(shù)據(jù)的采集，軟件主要包含2個(gè)部分: 主程序和定時(shí)器中斷子程序。系統(tǒng)會(huì)為體溫?cái)?shù)據(jù)和心電數(shù)據(jù)開(kāi)辟緩存區(qū)，系統(tǒng)初始化以后，主程序開(kāi)始在一個(gè)循環(huán)中檢測(cè)緩存區(qū)中是否出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)，緩存區(qū)一旦出現(xiàn)新數(shù)據(jù)，就會(huì)立刻通過(guò)Zigbee透明傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送完成后清空數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待新數(shù)據(jù)的接收。主程序的流程圖如圖6。

圖6 主程序流程

定時(shí)器中斷子程序用于心電數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)的采集頻率為500 Hz，即每隔2 ms進(jìn)一次定時(shí)器中斷，采集A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存入心電緩存區(qū)，流程如圖7。

圖7 中斷子程序流程

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW2012軟件編寫(xiě)。LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G語(yǔ)言，集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，可以大大減少在程序編寫(xiě)上的工作量[9]。

LabVIEW程序分為前面板和后面板程序，后面板程序主要利用LabVIEW的VISA serial函數(shù)模塊對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，前面板負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)展示采集上來(lái)的數(shù)據(jù)，上位機(jī)界面如圖8。

圖8 上位機(jī)界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 心電采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

AD8232內(nèi)部集成了高通和低通濾波器，可以在含有噪聲干擾的狀況下采集微弱的心電信號(hào)，圖9為AD8232采集到的原始心電波形，此波形過(guò)濾掉了大部分的肌電干擾和50 Hz工頻干擾，但是仍存在一些由呼吸引起的基線漂移和其它噪聲。為了方便用戶的使用，需要在上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行軟件濾波[10]，濾波后的波形如圖10，該波形較平滑，基本過(guò)濾了基線漂移和其它噪聲的干擾。

圖9 原始心電波形

圖10 濾波后的波形

5.2 體溫采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

體溫?cái)?shù)據(jù)并不是生物電信號(hào)，不存在肌電干擾、基線漂移等噪聲的影響，測(cè)量相對(duì)心電信號(hào)更容易，但本系統(tǒng)對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)的精度要求很高，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)和測(cè)溫精度較高的基于熱電偶測(cè)溫原理的數(shù)字溫度計(jì)比較來(lái)檢驗(yàn)GY-MCU90615的精度，實(shí)驗(yàn)在同等條件下測(cè)得5組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)溫結(jié)果 ℃

從結(jié)果可以看出，GY-MCU90615測(cè)出的體溫?cái)?shù)據(jù)與數(shù)字溫度計(jì)比較接近，而且GY-MCU90615采集體溫的速度能達(dá)到毫秒級(jí)別，可以很好地滿足本系統(tǒng)的需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的場(chǎng)地自行車運(yùn)動(dòng)員生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的傳感器+存儲(chǔ)器的監(jiān)測(cè)方法，加入了網(wǎng)絡(luò)通信功能，可以實(shí)時(shí)地將采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示，方便用戶實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、測(cè)量準(zhǔn)確，而且易穿戴，不僅可以用于專業(yè)的競(jìng)技體育領(lǐng)域，而且還可以推廣至普通大眾中，適用于醫(yī)院、敬老院等各種場(chǎng)景，有著很好的應(yīng)用前景和寬廣的市場(chǎng)空間。

[1] 林英祿. 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與健康評(píng)價(jià)模型的研究[D].上海：華東師范大學(xué),2015.

[2] 封順天. 可穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 信息通信技術(shù),2014,8(03):52-57.

[3] 魏計(jì)林,吳海洋,邱選兵. 基于MLX90615的紅外耳溫計(jì)設(shè)計(jì)[J]. 光機(jī)電信息,2011,28(06):35-38.

[4] RT8009 Datasheet[Z].China: Taiwan,2007.

[5] MENG S. Design and implementation of long-Term Single-Lead ECG Monitor[A]. Scientific Research Publishing.Proceedings of 2015 Spring World Congress on Engineering and Technology(SCET) [C]∥Scientific Research Publishing:,2015:6.

[6] MLX90615 Datasheet[Z].America: Melexis,2013.

[7] 張弓,李玉石. 紅外輻射測(cè)溫原理及使用[J]. 品牌與標(biāo)準(zhǔn)化,2010(24):38-39.

[8] 蔡植善,陳木生. 多傳感器數(shù)據(jù)融合的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 泉州師范學(xué)院學(xué)報(bào),2015,33(02):72-77.

[9] 王顯軍. LabVIEW對(duì)串口采樣測(cè)量數(shù)據(jù)的處理[J]. 電子測(cè)量技術(shù),2014,37(03):107-111.

[10] 崔麗.MATLAB小波分析30個(gè)案例分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2016.