基于物聯(lián)網(wǎng)的學生體育測試監(jiān)測系統(tǒng)*

高萬明， 周 飛， 李 崢

(淮北師范大學物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

0 引 言

近年來，各大高校對體育活動以及體測更加重視[1-2]。然而根據(jù)學生身體狀況的差距，劇烈運動時，突發(fā)事件層出不窮。人體在經(jīng)過劇烈運動后，體內(nèi)氧氣消耗過多會略有下降，心率會加快，因此通過血氧、心率來實時觀察學生身體狀況，能有效地預防意外事件的發(fā)生。本文設計的是一種基于STM32的學生體測智能檢測系統(tǒng)。可穿戴在學生身上來檢測實時的心率[3]和血氧飽和度[4]變化，通過OLED將數(shù)據(jù)顯示供學生本人觀看；再經(jīng)LORA無線傳輸技術，發(fā)送數(shù)據(jù)至應用端，使人力監(jiān)測更加高效。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)選用STM32作為檢測端和應用端主控芯片，完成學生體測時心率和血氧的數(shù)據(jù)處理、控制檢測和顯示。按照功能的不同可以將系統(tǒng)分為檢測端和應用端。系統(tǒng)整體框圖及LORA網(wǎng)關拓撲[5]結(jié)構設計如圖1所示，LORA網(wǎng)關設計采用多對一的通訊方式，通過對不同節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)進行區(qū)分。

檢測端設計：本設計是便攜式穿戴式的，選用STM32核心板作為主控，連接校園卡識別模塊、心率血氧模塊MAX30101、0.96寸OLED液晶顯示屏和LORA無線通信模塊，組合成檢測端。校園卡識別模塊在學生刷校園卡識別身份[6]，心率血氧模塊完成對學生的數(shù)據(jù)檢測，OLED液晶顯示屏對數(shù)據(jù)進行顯示，LORA無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給應用端。

應用端設計：應用端的選用STM32作為主控，并連接LORA無線模塊和七寸串口顯示屏。LORA無線模塊接收各個檢測端發(fā)來的學生的身份信息和血氧、心率數(shù)據(jù)，在串口屏顯示，并將數(shù)據(jù)存儲至SD卡內(nèi)，便于后期調(diào)用和結(jié)果分析。系統(tǒng)整體框圖及LORA網(wǎng)關拓撲結(jié)構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖及LORA網(wǎng)關拓撲結(jié)構示意圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊是整個體測系統(tǒng)的核心，選用STM32[7]，與51系列和12系列單片機相比，其運算能力和處理能力更加強大，最高工作頻率72MHz、11個定時器、13個通信接口。STM32單片機主要負責檢測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)存儲和顯示，協(xié)調(diào)每個模塊的正常工作。

2.2 血氧心率模塊

選用MAX30101[8]模塊，電路原理圖如圖2所示。將MAX30101發(fā)光的一面固定在手指上。就能檢測血氧飽和度及心率。

圖2 MAX30101硬件原理圖

MAX30101通過氧合血紅蛋白(HbO2)對不同波長的紅外光吸收程度不同的原理，分析紅外光與紅光的吸收程度的比值，可以得到血氧的飽和水平。其中，血氧飽和度方程如公式(1)，

(1)

經(jīng)過擬合曲線擬合可得到公式(2)，

SpO2=-45.060*R*R+ 30.354 *R+94.845

(2)

MAX30101檢測心率采用的是電容積脈搏波描記法。LED光射向人體，通過反射的光照得到電信號。光信號轉(zhuǎn)換成電信號時，由于動脈對光的吸收有變化，得到交流AC信號，以此來計算心率。其檢測過程信號轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

圖3 心率檢測過程信號轉(zhuǎn)換流程圖

2.3 LORA無線模塊

針對本設計的應用場景，選用LORA[10]實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。LORA在無線通信[11]方面所具有傳輸距離遠、穩(wěn)定性高等特點，與ZigBee、藍牙傳輸技術相比，LORA更適合長距離通信，抗干擾性強。而且它的功耗較低。本設計采用了LORA星型拓撲架構[12]，共有一個LORA主機模塊和多個LORA從機模塊，并對其通信信道[13]、分頻因子等進行設置。LORA電路原理圖如圖4所示。

圖4 LORA模塊硬件原理圖

2.4 校園卡識別模塊

針對本系統(tǒng)同時檢測多名學生的體測數(shù)據(jù)，添加校園卡識別模塊RC522。學生在體測之前刷校園卡確認身份，可以使身份和體測數(shù)據(jù)準確對應。RC522電路原理圖如圖5所示。

圖5 RC522電路原理圖

2.5 顯示模塊

在本系統(tǒng)中，使用的顯示模塊主要有兩種。OLED顯示屏用于檢測端，與檢測設備一起佩戴在學生手腕上供學生自己觀看。7寸液晶串口屏用于應用端，顯示體測的多個學生的信息和體測數(shù)據(jù)，并可以顯示之前的體測記錄數(shù)據(jù)，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)超出正常范圍，則進行智能報警，避免危險。

2.5.1 OLED顯示模塊

OLED[14]顯示屏引腳原理圖如圖6所示。在本設計中主要顯示學生進行體測時的心率和血氧飽和度，讓學生清楚自己的身體狀態(tài)。

2.5.2 七寸液晶顯示屏模塊

七寸液晶串口屏[15]作為應用端顯示模塊，顯示的面積大、內(nèi)容多，并可以進行觸摸操作。通過串口與主控芯片進行通信。在本設計中，主要用來顯示學生的信息以及各自的血氧、心率數(shù)據(jù)。并可以通過觸摸來切換顯示正在體測的數(shù)據(jù)與之前已經(jīng)體測過的記錄。

圖6 OLED模塊電路原理圖

圖7 從機流程圖

圖8 主機流程圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 從機程序設計

從機開始工作之后先進行初始化，接著學生刷校園卡識別身份，通過LORA發(fā)送身份數(shù)據(jù)至上位機，確認學生身份。學生開始運動之后，從機會將學生的心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，并接收上位機返回的指令。收到指令安全則繼續(xù)體測，數(shù)據(jù)危險則發(fā)出報警信號，提醒學生停止體測。從機流程圖如圖7所示。

圖9 設備穿戴圖

圖10 OLED顯示屏顯示圖

圖11 液晶屏顯示圖

3.2 主機程序設計

主機開始工作之后先進行系統(tǒng)初始化。然后接收下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，確認學生身份。當接收到下位機發(fā)來的學生體測數(shù)據(jù)時，在顯示屏上顯示學生的身份和體測信息。并以學生之前體測的數(shù)據(jù)為參考，數(shù)據(jù)正常則向從機發(fā)送安全信號，數(shù)據(jù)危險則向從機發(fā)送危險信號，提醒對應從機的學生停止體測，并且主機報警。主機流程圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

設備供電采用3.7V2000mA的鋰電池，可以保證在體測期間正常的工作需要。設備穿戴如圖9所示。由于設備體積小、操作簡單，在不影響學生正常運動的同時，又具有一定的穩(wěn)定性、時效性。開始檢測后，學生本人可以隨時觀察到自己的體征信息。從機OLED顯示界面如圖10所示。

體測教師及學校醫(yī)護人員通過應用端的顯示屏，觀察各位學生的心率和血氧數(shù)據(jù)，對比正在體測的數(shù)據(jù)和學生以前體測的數(shù)據(jù)，可以提前預知危險，預防事故。顯示界面如圖11所示。

經(jīng)過多次測試，各個功能都能完整實現(xiàn)，整個系統(tǒng)運行正常，系統(tǒng)可以快速準確測量學生的血氧、心率等數(shù)據(jù)，與醫(yī)學設備檢測的絕對誤差<2%。無線傳輸速度快，檢測端和應用端的數(shù)據(jù)能及時同步。下表為兩年來學生的心率、血氧飽和度記錄情況。

表1 學生體測情況記錄表

5 結(jié) 語

本文設計的學生體測智能檢測系統(tǒng)在學生劇烈運動后可能出現(xiàn)的意外情況監(jiān)測方面進行了相應的創(chuàng)新。首先，本設計易便攜、成本低，可廣泛應用于高校學生體測。其次，采用LORA無線拓撲結(jié)構，可以同時滿足至少20名學生的體測工作，數(shù)據(jù)能及時更新。最后，通過本設計使學生在體測時血氧、心率的變化具有可視性，老師或醫(yī)生可以準確地掌握每個學生實時的身體狀況。本文設計的學生體測智能檢測系統(tǒng)構架簡單、部署方便、成本低，在高校對于學生身體素質(zhì)越來越重視的今天，能給用戶帶來更多科學化、智能化的體驗。