基于STM32單片機的健康手環(huán)

叢一凡，王成龍，胡 旭，宋新瑞，黃 超

（大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

隨著國民生活水平的不斷提高與人口老齡化程度的逐漸加重，越來越多的人關(guān)注自身運動機能的健康狀況。而運動機能的下降是危害人們?nèi)粘Ｉ畹闹饕蛩?，例如：缺乏運動量導致的肥胖問題、老年人的心率問題、運動狀態(tài)監(jiān)測和熱量消耗問題、心率和運動量的測量問題、遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)顯示問題等。為了更好地解決上述問題，本文設(shè)計一款基于藍牙無線傳輸?shù)闹悄芙】凳汁h(huán)，系統(tǒng)以STM32F103RC單片機為主控器芯片，配有心電測量模塊（ADS1292）、溫度傳感器模塊（LMT70）以及步數(shù)測量模塊（MPU6050），能夠穩(wěn)定采集和記錄使用者的心電信息、體表溫度和運動狀況，并通過藍牙模塊將測量數(shù)據(jù)實時傳送到手機APP以便觀察，起到了通過數(shù)據(jù)指導健康生活的作用。

1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計以STM32F103RC芯片為核心，基于ADS1292芯片的心電檢測模塊用于采集并記錄使用者的心電信號，實現(xiàn)動態(tài)心電圖實時顯示；基于LMT70溫度傳感器模塊測量并記錄使用者體表溫度；基于陀螺儀傳感器模塊MPU6050檢測使用者的運動信息，記錄步數(shù)與活動距離等。通過藍牙模塊將上述傳感器采集到的數(shù)據(jù)無線上傳到手機APP端實時顯示，方便用戶隨時隨地查看并了解自己的健康狀況。

本文總體設(shè)計方案圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計方案圖

1.1 主控芯片

本文設(shè)計的系統(tǒng)采用STM32F103RC為主控芯片，該芯片由意法半導體（ST）公司出品，其內(nèi)核是以Cortex-M3為核心的32 bit系列的單片機。相比其他類型的單片機，STM32F103RC的內(nèi)部資源（如寄存器和外設(shè)功能）更加豐富，運行速率更快。除此之外，STM32單片機具有高性能、外設(shè)接口及內(nèi)存資源豐富、低成本、低功耗等特點，得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 心電測量模塊

ADS1292R是TI公司早在2012年就出產(chǎn)的一款醫(yī)用級ADC芯片，具有32位引腳，其引腳電路如圖2所示。它主要應(yīng)用在醫(yī)療儀器（心電圖ECG），可以監(jiān)護患者以及護理和健身監(jiān)視器。該模塊具有2個低噪聲可編程增益放大器（PGA）和2個高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），集成了心電采集所需要的部件，方便設(shè)備小型化。它的功耗極低，使得可以作為長時間監(jiān)控成為可能，而且輸入?yún)⒖荚肼暤停材Ｒ种票雀?，足以進行心電采集。

圖2 ADS1292R引腳圖

1.3 溫度傳感器模塊

LMT70是一款帶有輸出使能引腳的超小型、高精度、低功耗互補金屬氧化物半導體（CMOS）模擬溫度傳感器，幾乎適用于所有高精度、低功耗的經(jīng)濟高效型溫度感測應(yīng)用，例如：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器節(jié)點、醫(yī)療溫度計、高精度儀器儀表和電池供電設(shè)備。該溫度傳感器模塊也是RTD和高精度NTC/PTC熱敏電阻的理想替代產(chǎn)品，多個LMT70可利用輸出使能引腳來共用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道，從而簡化ADC校準過程并降低精密溫度感測系統(tǒng)的總成本。LMT70還具有一個線性低阻抗輸出，支持與現(xiàn)成的微控制器（MCU）/ADC無縫連接。

LMT70具有較寬的溫度測量范圍，溫度與輸出電壓具有很好的線性關(guān)系，測量精度高。LMT70溫度-輸出電壓關(guān)系如圖3所示。

圖3 LMT70溫度-輸出電壓關(guān)系

1.4 步數(shù)測量模塊

MPU6050是一個整合性的6軸運動傳感器，它集成了16位的三軸加速度傳感器和16位三軸陀螺儀傳感器，可以分別監(jiān)測到模塊的加速度和角速度。通過數(shù)據(jù)融合算法可以很好地解決組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，它的量程范圍較大，對角速度的感測范圍較為寬泛，數(shù)字運動處理引擎可減少復雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負荷。通過確定歐拉角的基準軸，定義抬手角度為一步。手握陀螺儀擺臂行走，經(jīng)實驗確定邁出一步手臂擺出的角度范圍并確定閾值，當擺動角度小于設(shè)定值并且降下的角度大于閾值，步數(shù)累加，距離等于0.55步數(shù)。這時與上次所存儲的加速度方向比較，若相同則舍棄；若相反則通過計步邏輯計步（此時剛過峰值），對峰值累加可得到運動步伐。由于人體正常抖動、低幅度、手抖或反復搖晃等原因，會對準確計步造成干擾。最后要通過去干擾，即給檢測加閾值和步頻判斷來過濾解決。

1.5 藍牙模塊

將HC-05藍牙串口通信模塊連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過藍牙連接與其他設(shè)備通信。模塊本身可以在主模式和從模式下運行，并且可以用于各種應(yīng)用，例如：智能家居應(yīng)用、遠程控制、數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用、機器人、監(jiān)控系統(tǒng)等。當藍牙設(shè)備與藍牙設(shè)備配對連接成功后，可以忽略藍牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍牙當作串口用。當建立連接之后，2個設(shè)備共同使用一個通道也就是同一個串口，一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。

藍牙串口通信模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接數(shù)據(jù)傳輸；當模塊處于命令響應(yīng)工作模式時能執(zhí)行下述所有AT命令，用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。

2 軟件設(shè)計方案

2.1 主程序流程

本文總體設(shè)計程序流程如圖4所示。系統(tǒng)首先開始并初始化，采集信號（溫度數(shù)據(jù)、心電數(shù)據(jù)、步數(shù)與距離數(shù)據(jù)等），并判斷是否檢測到采集的數(shù)據(jù)，再通過數(shù)值計算及A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)通過藍牙無線發(fā)送至服務(wù)器端并顯示。

圖4 主程序流程

2.2 核心算法流程

2.2.1 心率檢測子程序

ADS1292啟動后，ADC初始化并開始采集信息，將檢測到的值經(jīng)過計算并比較后，通過藍牙發(fā)送并顯示數(shù)值。ADS1292心電檢測流程如圖5所示。

圖5 ADS1292心電檢測流程

2.2.2 溫度檢測子程序

LMT70啟動并初始化后，進行采樣并判斷是否接觸物體，再將讀取的溫度值進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，最后通過藍牙發(fā)送顯示端顯示。LMT70溫度檢測流程如圖6所示。

圖6 LMT70溫度檢測流程

2.2.3 運動檢測子程序

MPU6050啟動并初始化后，設(shè)定所需傳感器的范圍及系統(tǒng)時鐘，檢測人物是否運動，再通過計算獲得所需數(shù)值，最后通過藍牙發(fā)送至顯示端顯示。MPU6050陀螺儀運動檢測流程如圖7所示。

圖7 MPU6050陀螺儀運動檢測流程

3 結(jié) 語

本文針對缺乏運動量導致的肥胖問題、老年人的心率問題、運動狀態(tài)監(jiān)測和熱量消耗問題、心率和運動量的測量問題、遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)顯示問題等，設(shè)計一款基于藍牙無線傳輸?shù)闹悄芙】凳汁h(huán)，能夠穩(wěn)定采集和記錄使用者的心電信息、體表溫度和運動狀況，并通過藍牙模塊將測量數(shù)據(jù)實時傳送到手機APP以便觀察，起到了通過數(shù)據(jù)指導健康生活的作用。