基于STM32單片機的人體健康指標采集系統的設計

張 力，趙 鋼，俞文博，張慧穎

（1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.吉林省網源通信公司政企部，吉林 吉林 132022）

引言

隨著科技的高速發(fā)展，智慧醫(yī)療、數字醫(yī)院、“互聯網+”醫(yī)療等新型醫(yī)療正走進尋常百姓的生活。當前新冠疫情防控形勢依然嚴峻，人體的心率、血氧及體溫指標在新冠疫情日常防控中極為重要[1]?；颊吒腥拘鹿诓《竞髮⒊霈F心率增快，體溫異常，血氧飽和度低等不適癥狀，本系統基于STM32F103單片機采集心率、血氧、體溫等指標通過互聯網技術和云平臺查詢，從而節(jié)省查詢信息的時間，實現遠程監(jiān)控及醫(yī)療并及時進行疫情預防及預警[2]。該系統適合社區(qū)居民及人體醫(yī)學監(jiān)護使用，以降低新冠肺炎疫情傳播風險。

1 系統總體設計

系統總體主要分為主控模塊、心率血壓檢測模塊、溫度檢測模塊、顯示交互模塊、WiFi通信模塊及預警單元。將檢測到人體的心率、體溫及血氧等信息傳輸給主控模塊，主控處理運算并判斷是否出現超過閾值的情況在LCD屏幕上顯示，并通過WiFi通信模塊傳輸到手持上位機終端[3]。系統總體設計流程如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 心率血氧采集模塊

心率血壓采用模塊內部集成心率光電模塊、紅外模塊，內部也存在電壓的相互轉換，方便設計開發(fā)。模塊1腳接GND，7腳接VIN。其中RCWL-9183芯片將7腳輸入的VIN穩(wěn)壓為3.3 V輸出，MAX30102作為心率血氧計算芯片，采集計算后通過SDA和SCL引腳與單片機進行數據傳輸。心率血氧采集檢測電路如圖2所示。

2.2 溫度檢測模塊

人體溫度檢測采用DS18B20溫度傳感器，該模塊價格低廉，采集精度符合日常所需，其中模塊采用寄生供電，與單片機進行單總線數據傳輸，抗干擾能力強，電路簡單[4]。DS18B20溫度傳感器共有3個引腳，一個接電源正極，一個接電源負極，還有一個信號線接STM32的B15引腳。溫度檢測電路設計如下頁圖3所示。

2.3 WiFi通信模塊

WiFi通信模塊采用ESP8266WiFi進行通信連接。采集的數據經過主控模塊處理后通過串口向該模塊發(fā)送數據并通過通信模塊與手持上位機終端連接，手持上位機終端根據發(fā)送的數據顯示心率、血氧、體溫及預警狀態(tài)。ESP8266WiFi模塊一共有8個引腳，2腳4腳接電源正極，8腳接電源負極；RXD和TXD接單片機A9和A10引腳。WiFi通信電路設計如圖4所示。

2.4 預警顯示模塊

LCD的7腳到14腳負責顯示數據的傳輸，連接STM32的A7到A0引腳。3腳通過對電阻R3的調節(jié)可以控制屏幕的背光亮度。預警模塊由電阻和二極管組成，當采集到的數據超過閾值后，主控模塊通過B9引腳發(fā)出預警信號后，LED燈點亮。

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

系統采用C語言進行程序模塊化編寫，以便后續(xù)程序的移植[5]。子程序主要包括心率血氧檢測、溫度檢測、WiFi通信子程序、預警子程序和顯示子程序。整體初始化后，程序依次檢測心率、血氧、體溫參數，并根據采集的生化指標判斷是否觸發(fā)預警程序，最終將采集的數據和預警信號通過Wi-Fi通信程序發(fā)送至手持上位機終端[6-7]。主程序流程如圖5所示。

4 實物調試

采用KEIL軟件編寫系統驅動程序，按照前面設計方式焊接電路并對各個功能進行測試。測試過程如下：

1）按下電源開關后，液晶屏幕點亮，檢測到的心率值、血氧值、體溫值等實物通電界面初始化，實物運行圖如圖6所示。

2）將手放在體溫檢測模塊上，屏幕的溫度顯示將逐漸改變，等待片刻之后，此時LCD1602上的體溫值顯示為36.5℃。

3）將手放在心率、血氧集成檢測模塊，LCD1602上的心率和血氧顯示開始改變，二者數值持續(xù)上升，待數值穩(wěn)定后，LCD1602顯示此時的心率值為111次/min、血氧值為91 mmHg[8]。

4）手持上位機連接該系統的WiFi之后，打開APP進行連接，將手放在該系統的體溫檢測模塊和心率血氧檢測模塊之后，等待片刻時間，各項檢測數值趨于穩(wěn)定，采集數據與LCD1602同步顯示。

5）為了驗證測試結果的準確度，通過與力康（Heal Force）血氧儀手指夾式成人血氧飽和度檢測心率采集儀、水銀體溫計做數據對比[9]。將5名實驗人員分別用不同的采集裝置進行每分鐘心率、血氧百分比、體溫的采集。采集結果對比如下頁表1所示。

通過表1的結果對比，測量結果與市售醫(yī)療設備所測結果基本一致。手持終端數值與LCD1602上顯示一致，二者顯示基本同步。由此表明，該系統具有穩(wěn)定性強、可靠性高、智能化程度高等特點，系統設計符合預期要求，長期運行正常平穩(wěn)[10]。

表1 采集結果對比

5 結論

為了更高效地進行常態(tài)化疫情防控以及身體健康采集，設計一款基于STM32單片機為核心的控制器，融合多傳感器技術實現心率檢測、體溫檢測、血壓檢測。當檢測到數據異常時，系統及時發(fā)出報警信號并將采集的信號實時傳輸到上位機。經過多次試驗，系統各項功能運行正常、穩(wěn)定，基本能達到預期效果，實用性較強。