人體運動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉宇寧，王 碩，賈 誼，陳澤銘，李嘉俊

（北方工業(yè)大學 信息學院，北京 100144）

0 引 言

近年來，人們的生活水平日益提高，人體的健康發(fā)展與監(jiān)測成為提高生活水平的重要關(guān)注點。在日常生活中，人們通過對自身運動數(shù)據(jù)的收集與研究，可以觀察到自己步行的步幅、步頻、心率等數(shù)據(jù)，除此之外，通過對更加詳細的身體數(shù)據(jù)，例如體脂率、身體成分分析、基礎(chǔ)代謝量等進行分析，可以有效避免潛在的運動傷病。使用運動傳感器可以隨時隨地記錄和分析人類活動，用戶可以跟蹤自己的跑步步數(shù)、騎行距離、睡眠時間和能量消耗。人體運動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控并監(jiān)測人體的日常行為，通過智能算法做出判斷，給人體的身體狀況提供更加科學的幫助。

本系統(tǒng)基于STM32單片機，使用MDK 5開發(fā)平臺，該平臺具有集成度高和開發(fā)方便的優(yōu)點，同時還具有數(shù)字信號處理、高性能、實時功能、低電壓與低功耗等特性。其將模/數(shù)轉(zhuǎn)換、計步模塊、藍牙傳輸?shù)认嘟Y(jié)合，對輸入的心電信號與處理后的步數(shù)數(shù)據(jù)通過藍牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，并在手機上顯示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)包括ADS1292模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、MPU 6050傳感器、HC-04藍牙模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、MCU和安卓手機APP。ADS1292是多通道的同步采樣24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有內(nèi)置可編程增益放大器（PGA）、內(nèi)部基準以及板載振蕩器。MPU 6050是全球首例9軸運動處理傳感器，其集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，MPU 6050六軸陀螺加速度儀，可對輸入加速度幅度在-16g～+16g、角速度幅度在-2 000～+2 000°/s的信號進行數(shù)據(jù)采集，通過IC通信。HC-04藍牙串口通信模塊是新一代基于V2.1（SPP）經(jīng)典藍牙協(xié)議和BLE 4.0藍牙協(xié)議的雙模數(shù)傳模塊。工作頻段為2.4 GHz，調(diào)制方式為GFSK。模塊發(fā)射功率約為3 dBm，接收靈敏度約為-90 dBm。MCU分別通過SPI接口、IC接口對ADS1292、MPU 6050進行數(shù)據(jù)讀取和處理操作，經(jīng)過計算后將步數(shù)與心電圖等數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏，同時通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、加速度采集模塊、藍牙模塊、單片機處理模塊。利用接口對數(shù)據(jù)進行采集和處理，將處理后的數(shù)據(jù)在LCD屏上顯示，并通過藍牙模塊傳輸至手機端。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

ADS1292將經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)交由STM32F103接收后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理算法將最終數(shù)據(jù)顯示在LCD屏上，并通過無線通信模塊傳送至手機端。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

2.2 硬件電路模塊

2.2.1 ADS1292及其應用

ADS1292芯片是一款用于測量生物電信號的集成調(diào)理模塊，可實現(xiàn)心電同步采樣和24位模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣精度高，信號無需高倍數(shù)放大就可滿足采樣精度要求，且內(nèi)置可編程增益放大器、內(nèi)部參考和板載振蕩器。心電采集參數(shù)可通過配置內(nèi)部寄存器進行靈活設(shè)置，是心電采集系統(tǒng)設(shè)計的最佳選擇之一。

2.2.2 MPU 6050及其應用

MPU 6050是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及可擴展數(shù)字運動處理器DMP（Digital Motion Processor, DMP），能用IC接口連接第三方數(shù)字傳感器，如磁力計等。

MPU 6050對其上的陀螺儀和加速度計分別用了3個16位ADC，將測量的模擬量轉(zhuǎn)為可輸出的數(shù)字量。為精確跟蹤快速和慢速運動，傳感器的測量范圍均可控，陀螺儀可測范圍為 ±250°/s，±500°/s，±1 000°/s，±2 000°/s，加速度計可測范圍為±2g，±4g，±8g，±16g。該傳感器通過SDA、SCL分別連接單片機IC數(shù)據(jù)線、時鐘線與單片機通信。驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 MPU 6050驅(qū)動電路

2.2.3 藍牙模塊

HC-04藍牙串口通信模塊是新一代基于V2.1（SPP）經(jīng)典藍牙協(xié)議和BLE 4.0藍牙協(xié)議的雙模數(shù)傳模塊。模塊采用郵票孔封裝方式，可貼片焊接，模塊尺寸為18.5 mm×13 mm×2.0 mm。本設(shè)計使用的是正點原子設(shè)計開發(fā)的ATK HC-04藍牙串口模塊，其采用AT指令配置波特率，本系統(tǒng)使用921 600。

2.2.4 單片機接收處理模塊

MCU通過IC接口對MPU 6050和ADS1292進行數(shù)據(jù)讀取和處理，并通過UART向HC-04發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2.5 LCD顯示模塊

LCD是低功耗顯示器件，其顯示屏通過在.C文件中引用聲明函數(shù)顯示所需的字、字符以及字符串，主要運用CS、CLK、MOSI和MISO通過調(diào)節(jié)時序完成，LCD電路如圖3所示。

圖3 LCD電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)各模塊初始化，基于SPI建立STM32與ADS1292的通信，基于IC建立MCU與MPU 6050的通信，傳送數(shù)據(jù)至手機端與LCD。本設(shè)計軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

4 結(jié) 果

STM32處理后的數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕以及手機端，用戶可以在手機上查看步數(shù)以及波形圖。手機端界面如圖5所示。

圖5 手機端界面

5 結(jié) 語

本文以人體運動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計為研究目標，使用STM32為主控模塊，利用ADS1292等模塊完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、處理與傳輸，系統(tǒng)對心電圖、步數(shù)數(shù)據(jù)的收集顯示效果良好，對實際工程應用有一定的實用價值和理論指導作用。