無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 翔，卓建業(yè)

（中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018）

0 引 言

當(dāng)今，人體健康問題越發(fā)受到關(guān)注，檢測人體運(yùn)動(dòng)的儀器也越來越多地應(yīng)用于日常健康監(jiān)測中[1]。這些產(chǎn)品通過傳感器對(duì)人體信息進(jìn)行檢測且具有無線傳輸功能，可以方便有效地感知佩戴者的體溫、心率、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息，對(duì)佩戴者的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測[2]。

隨著電子電路技術(shù)、傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的傳感器模塊被研制并且應(yīng)用在人們的生活中。各式各樣的傳感器作為檢測裝置，為人們提供極大的便利[3]。無線監(jiān)測是現(xiàn)階段比較火熱的發(fā)展方向，通過無線監(jiān)測的方式可大量縮短各事物之間的距離，優(yōu)化信息的獲取速度[4]。因此，本文將無線監(jiān)測融入運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中，設(shè)計(jì)一種無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信號(hào)的異地觀測。并且，將此系統(tǒng)設(shè)計(jì)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合工程實(shí)際與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得學(xué)生熟悉電子信息與物聯(lián)網(wǎng)互相結(jié)合的開發(fā)技術(shù)，更好地掌握現(xiàn)階段潮流的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式[5]。

1 運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)原理及搭建

日常生活運(yùn)動(dòng)中，人體的體溫、心率以及運(yùn)動(dòng)量是最明顯且重要的觀測指標(biāo)[6]。本文所設(shè)計(jì)的無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)通過各種不同的傳感器元件對(duì)上述原生信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算、分析后，將解算的數(shù)據(jù)通過無線傳輸，以供終端監(jiān)測。

1.1 運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器，通過TI公司高精度模擬前端芯片ADS1292采集人體的心電信號(hào)，使用溫度傳感器LMT70檢測人體溫度信息，通過MPU6050陀螺儀解算佩戴者的運(yùn)動(dòng)中的步態(tài)信息。檢測計(jì)算的數(shù)據(jù)通過ESP32WiFi傳輸?shù)姆绞缴蟼鞯皆品?wù)器，再由云服務(wù)器下發(fā)至手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看佩戴者的檢測信息。運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 心電測量

心電信息的獲取是心率測量的前提，本文所設(shè)計(jì)的無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)通過高精度信號(hào)采集芯片ADS1292來獲取人體的心電信號(hào)。ADS1292具有低功耗、高精度的特點(diǎn)，能夠滿足長時(shí)間心電監(jiān)測的需求。

為了減少實(shí)際測量中不可避免的雜波信號(hào)對(duì)心電信號(hào)的干擾，本文采用信號(hào)處理方法優(yōu)化采集得到的心電信號(hào)。卡爾曼濾波（Kalman Filtering）中的一階低通濾波是工程中最常用的濾波方式，能有效地減少主頻率之外的雜波干擾[7]，其傳遞函數(shù)如下所示：

令式（1）中s=jw，上下同乘a-jw，簡化可得：

分析式（2）中a與w關(guān)系可知：當(dāng)w?a時(shí)，其模值趨向于1，并且隨著w增大，模值會(huì)減??；當(dāng)w=a時(shí)，模值為，即0.707；當(dāng)w?a時(shí)，模值趨向于0。由此可知在一階低通濾波器中，a為截止頻率，經(jīng)過濾波器處理之后，信號(hào)的振幅隨著頻率增加而不斷減小，所以可以設(shè)置合適的截止頻率以達(dá)到優(yōu)化信號(hào)波形的目的。

在自然界中，人體心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，正常情況下在150 Hz以下[8]，故本文中使用低通濾波器來進(jìn)行信號(hào)的篩選。通過構(gòu)造截止頻率為212 Hz的一階低通濾波器對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理，減少高頻信號(hào)的干擾。濾波處理前后的波形對(duì)比如圖2所示。

圖2 心率波形對(duì)比圖

由圖2可以看出，通過濾波操作之后的心率波形減去了高頻噪聲的影響，去噪后的波形可見明顯的心率波峰，有利于后續(xù)心電繪制與心率計(jì)算。

1.3 體溫測量

體溫是人體的重要生命體征，人體體溫的測量需要傳感器具有較高的精度，本文選用LMT70精密模擬溫度傳感器測量體溫，其具有出色的溫度匹配性，能作為醫(yī)用級(jí)的溫度傳感元件。利用所選傳感器采集體溫信息，將獲得的電信號(hào)利用線性算法處理，溫度計(jì)算公式如下：

式中a,b,c,d是規(guī)定的數(shù)據(jù)常量?？梢钥闯銎漭敵鲋慌cVTAO有關(guān)，使用查表法可以快速、準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前電壓所對(duì)應(yīng)的溫度信息。

1.4 運(yùn)動(dòng)量統(tǒng)計(jì)

運(yùn)動(dòng)量是運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中較為重要的信息。在本文無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)中，采用MPU6050陀螺儀模塊來對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。測量佩戴者運(yùn)動(dòng)時(shí)的陀螺儀的三軸加速度信號(hào)，并對(duì)各場景運(yùn)動(dòng)時(shí)信號(hào)進(jìn)行分析，以解算出佩戴者行走的步數(shù)。行走時(shí)陀螺儀信號(hào)如圖3所示，可以看出，步點(diǎn)時(shí)陀螺儀的輸出信號(hào)為波峰，故通過統(tǒng)計(jì)分析輸出信號(hào)中波峰，即可解析出當(dāng)前佩戴者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和步數(shù)。根據(jù)波形規(guī)律和特征的分析，得到步點(diǎn)尋找的三個(gè)原則，分別為將曲線連續(xù)上升的次數(shù)、波峰波谷的差值需要大于閾值以及設(shè)定動(dòng)態(tài)閾值。

圖3 三軸加速度波形圖

另外，無論以任意姿態(tài)攜帶陀螺儀行走時(shí)，總有一軸的輸出幅值相較其余兩軸周期性變化大。因此在對(duì)多組x,y,z三軸數(shù)據(jù)的實(shí)際計(jì)算中：首先，分別對(duì)其求平均值，找到最活躍軸；其次，對(duì)其進(jìn)行濾波，使輸出更加平滑；再次，將(Max+Min)2作為動(dòng)態(tài)閾值，根據(jù)動(dòng)態(tài)閾值來判斷是否走了一步；最后，系統(tǒng)持續(xù)更新三軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次，并可通過波峰出現(xiàn)的頻率來判斷此時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 信號(hào)測量及傳輸軟件流程

2.1 主控軟件流程

無線運(yùn)動(dòng)傳感系統(tǒng)涉及多傳感器模塊的檢測與使用，本文使用STM32單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理及存儲(chǔ)，故信號(hào)檢測軟件主要在STM32上進(jìn)行編寫，其主要設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

2.2 數(shù)據(jù)云傳輸

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛快發(fā)展，當(dāng)前很多平臺(tái)推出了云計(jì)算服務(wù)器平臺(tái)，其中阿里云是搭建時(shí)間最早、技術(shù)范圍較廣的平臺(tái)之一[9]?，F(xiàn)階段阿里云平臺(tái)構(gòu)建了一種適用于用戶開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過MQTT通信協(xié)議等對(duì)客戶端產(chǎn)品進(jìn)行檢測和管理[10]。

消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是 一 種 基 于 發(fā) 布/訂 閱（Publish/Subscribe）模式的“輕量級(jí)”通信協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大的優(yōu)點(diǎn)在于：可以以極少的代碼和有限的帶寬為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[11]。MQTT作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通信協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的技術(shù)，創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)備模型，開放設(shè)計(jì)MQTT訂閱與發(fā)布接口，接收無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)所獲得的用戶運(yùn)動(dòng)信息[12]。通過使用ESP32將傳感器系統(tǒng)獲取的本地信息傳遞到服務(wù)器上，ESP32可作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用程序或是主機(jī)MCU的從設(shè)備，通過SPI/SDIO或I2C/UART接口提供WiFi和藍(lán)牙功能。無線系統(tǒng)中建立STM32與ESP32之間的互相通信，通過UART將STM32處理器中提取的運(yùn)動(dòng)信息傳遞給ESP32；然后在ESP32中構(gòu)建阿里云MQTT傳輸協(xié)議，連接指定的云服務(wù)器端口，上傳運(yùn)動(dòng)信息至云服務(wù)器。WiFi傳輸流程如圖5所示。

圖5 WiFi傳輸流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

顯示是一個(gè)系統(tǒng)必不可少的部分，在本文無線運(yùn)動(dòng)傳感系統(tǒng)中添加顯示模塊，可實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及檢測輸出等信息。設(shè)計(jì)采用OLED作為系統(tǒng)顯示模塊，如圖6所示。OLED具有低功耗、寬視角、更輕便等特點(diǎn)，其中I2C的連接協(xié)議具有齊全的開發(fā)技術(shù)手冊(cè)，其出色的信息輸出能力方便在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析。

圖6 OLED顯示模塊

進(jìn)一步完成主控芯片與傳感器模塊系統(tǒng)搭建，搭建后的無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)如圖7所示。并對(duì)STM32單片機(jī)中的信號(hào)處理程序與ESP32 MQTT傳輸程序的內(nèi)容進(jìn)行編寫。分別對(duì)系統(tǒng)的溫度監(jiān)測、心率測量、運(yùn)動(dòng)量統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行測試。測試項(xiàng)目包括實(shí)時(shí)采集及記錄使用者的心電信號(hào)，計(jì)算使用者心率；實(shí)時(shí)采集和記錄使用者的體表溫度；實(shí)時(shí)檢測使用者的運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離的統(tǒng)計(jì)分析。測試結(jié)果如表1～表3所示。

圖7 無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)

表2 體溫測量 ℃

表3 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的測量

對(duì)無線傳輸部分進(jìn)行測試，ESP32能快速準(zhǔn)確地與所配置的阿里云進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為了驗(yàn)證本無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)對(duì)終端的應(yīng)答能力，在Android平臺(tái)下設(shè)計(jì)搭建了一個(gè)手機(jī)APP來進(jìn)行傳輸實(shí)驗(yàn)[13]。在終端中同樣使用MQTT對(duì)配置的物聯(lián)網(wǎng)會(huì)話進(jìn)行訂閱，將無線運(yùn)動(dòng)傳感器中測量的信息下發(fā)至手機(jī)APP中并顯示。另外，在手機(jī)APP中增加了心電信息的繪制，顯示結(jié)果如圖8所示。

圖8 APP心電實(shí)時(shí)顯示結(jié)果

根據(jù)表1～表3測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的無線運(yùn)動(dòng)傳感器系統(tǒng)能準(zhǔn)確地檢測、計(jì)算佩戴者的心率、體溫及運(yùn)動(dòng)步數(shù)信息。其中，心率測量誤差小于±0.5次/min，體溫測量誤差不大于±0.25℃，運(yùn)動(dòng)量誤差不超過10%，滿足各項(xiàng)檢測精度的需求，達(dá)到了運(yùn)動(dòng)傳感檢測的功能。并且，所融合的無線傳輸功能能準(zhǔn)確地傳輸系統(tǒng)采集的信息，上可發(fā)至云端存儲(chǔ)，下可提供終端監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測、異地監(jiān)測的功能。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合工程實(shí)際，以人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測為主要背景，設(shè)計(jì)了無線運(yùn)動(dòng)傳感系統(tǒng)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以多個(gè)傳感器作為檢測單元，以STM32F407單片機(jī)為主控芯片，通過使用MQTT協(xié)議連接ESP32與阿里云，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)信息快速準(zhǔn)確的測量功能；另外，將無線監(jiān)測與傳感檢測相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無線監(jiān)測、異地監(jiān)測的功能。并且該系統(tǒng)開發(fā)能力強(qiáng)，可拓展性強(qiáng)，可融入日常的電子教學(xué)中，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，并讓學(xué)生自主地參與自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，進(jìn)一步了解當(dāng)前潮流的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。