基于Zigbee 的運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龐慶澳，董國(guó)慶，于溢文，趙燕峰，董泮元，倪秉軒，李猛

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222）

0 引言

隨著人們健康意識(shí)的提高，運(yùn)動(dòng)健康受到越來(lái)越多的人青睞，運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)也到人們較廣泛的關(guān)注。人們可以通過(guò)醫(yī)院的各種精密的測(cè)試儀器來(lái)進(jìn)行定期的健康狀況的檢測(cè)，但在日常生活中卻難以隨時(shí)使用特定的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備。穿戴式能在不依賴(lài)于特定的醫(yī)療環(huán)境及復(fù)雜的醫(yī)療儀器下實(shí)現(xiàn)人體健康監(jiān)測(cè)，有著重要的研究及應(yīng)用價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)的基于Zigbee 的運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用終端交互及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑赟TM32 單片機(jī)和Zigbee通 信， 通 過(guò)DHT11、LM75B、MPU6050、JFC103、NFC和Zigbee 模塊組網(wǎng)的實(shí)踐以及各種通信技術(shù)的調(diào)試和配合來(lái)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多用戶(hù)終端的生命指征參數(shù)的采集、分析和傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)異常報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括穿戴式健康數(shù)據(jù)采集終端以及智能監(jiān)測(cè)終端兩大部分，分別用于體征的采集與傳輸匯總等功能；系統(tǒng)在使用時(shí)為對(duì)應(yīng)不同用戶(hù)可分為單人模式和群體模式，用于個(gè)體用戶(hù)和群體用戶(hù)；采集到的生理體征數(shù)據(jù)通過(guò)用戶(hù)終端傳輸?shù)狡脚_(tái)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。系統(tǒng)原理方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理方案框圖

上位機(jī)終端設(shè)計(jì)基于串口數(shù)據(jù)顯示窗口，將多路Zigbee上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，顯示在相應(yīng)的窗口中，同時(shí)跟NFC 刷卡模塊的配合實(shí)現(xiàn)學(xué)生的ID 綁定。

上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收通過(guò)接收模組的TTL 模塊接入電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)，集成的NFC識(shí)別模塊可識(shí)別學(xué)生的一卡通，通過(guò)上位機(jī)的編程可讀取一卡通的ID，以此來(lái)對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)錄入的學(xué)生的姓名班級(jí)等信息。其中有Zigbee 的接收端，用于接收各路Zigbee 的數(shù)據(jù)上傳。

穿戴式數(shù)據(jù)采集終端上電后，通過(guò)邏輯主控讀取傳感器工作的返回值完成系統(tǒng)自檢，若自檢不通過(guò)會(huì)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示；自檢完成后，各傳感器將采集的數(shù)據(jù)匯總后通過(guò)Zigbee 無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件接線(xiàn)示意圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件接線(xiàn)示意圖

■2.1 控制器模塊

基于Zigbee 的運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用STM32F103 C8T6 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，STM32F103C8T6 是一款微控制器單片，該處理器有較高的工作頻率，功能強(qiáng)大的定時(shí)器外設(shè)以及豐富的I/O 外設(shè)接口、多種通信接口等，其性能滿(mǎn)足了我們的需要，其實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 主控開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖

■2.2 傳感器模塊

傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體生理參數(shù)的采集確定人體血氧、體溫、心率、血壓以及運(yùn)動(dòng)步數(shù)。主要包括JFC103 心率血壓模塊、MPU6050 姿態(tài)傳感器、LM75B 體溫傳感器、DHT11 環(huán)境溫濕度傳感器，不同類(lèi)型的傳感器通過(guò)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與STM32 處理器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、處理和發(fā)送。

2.2.1 JFC103 生理參數(shù)傳感器

JFC103 是一款多光譜生理數(shù)據(jù)測(cè)量模塊，實(shí)物如圖4所示。采用觀點(diǎn)容積脈搏波描記法，如圖5 所示，可準(zhǔn)確測(cè)量脈搏波形、心率數(shù)值、血氧和血管微循環(huán)參數(shù)等信息。模塊結(jié)合特有的信號(hào)調(diào)理技術(shù)和算法，直接輸出脈搏波形、心率數(shù)值、血氧值和血管微循環(huán)參數(shù)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度，且模塊靈敏度和信噪比在同類(lèi)產(chǎn)品中得到大幅提升。在精準(zhǔn)醫(yī)用的同時(shí)，還具備超小體積和超低功耗的特性，提升了智能穿戴設(shè)備的續(xù)航時(shí)間和外觀設(shè)計(jì)的靈活性。

圖4 JFC103 傳感器實(shí)物圖

圖5 光電容積脈搏波描記法

圖6 MPU6050 實(shí)物圖

2.2.2 MPU6050 姿態(tài)傳感器

MPU-6000（6050）的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000 與±2000°/sec (dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶(hù)可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g、±8g 與±16g。產(chǎn)品傳輸可透過(guò)最高至400kHz 的I2C。 單片機(jī)獲得角速度和加速度后通過(guò)積分可獲得角度和里程，再參考人體運(yùn)動(dòng)的具體特征值，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后獲得較為準(zhǔn)確的步數(shù)與里程。

2.2.3 LM75B 溫度傳感器

LM75B 溫度傳感器包含一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)數(shù)字過(guò)熱檢測(cè)器。主機(jī)可通過(guò)器件的I2C 接口隨時(shí)查詢(xún)LM75B，讀取文書(shū)數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度超出可編程溫度門(mén)限值，漏極開(kāi)路過(guò)熱報(bào)警輸出（OS）將吸入電流。OS 輸出具有2 中門(mén)限（T-OS）和滯回溫度（T-HYAST），溫度低于滯回門(mén)限時(shí)解除報(bào)警條件。此外3.0V~5.5V 供電電壓范圍、低電源電流以及穩(wěn)定的I2C 接口是的LM74 成為該項(xiàng)目獲取體溫?cái)?shù)據(jù)的理想選擇。

2.2.4 DHT11 溫濕度傳感器

DHT11 溫濕度傳感器使用單總線(xiàn)與單片機(jī)通信，具有占用資源少，編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，有較高的可靠性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，超小的體積和極低的功耗使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷，成為該項(xiàng)目獲取環(huán)境溫濕度的理想選擇。

■2.3 人機(jī)交互模組

加入人機(jī)交互設(shè)計(jì)，用戶(hù)可對(duì)設(shè)備報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)定（如體溫、心率、血氧、步數(shù)），同時(shí)將設(shè)定值存儲(chǔ)于備份寄存器中，保證二次開(kāi)機(jī)后與原設(shè)定值一致。當(dāng)傳感器采集到不在閾值范圍的異常值時(shí)可通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)模塊的播報(bào)來(lái)提示用戶(hù)。該模組由OLED 顯示屏、EC11 編碼開(kāi)關(guān)、MY1690-12P 語(yǔ)音播報(bào)模塊組成。

2.3.1 OLED 顯示屏

使用1.3 寸的SSD1306 為主控的OLED 顯示屏作為數(shù)據(jù)查看、參數(shù)設(shè)置的顯示平臺(tái)。OLED 屏幕具備自發(fā)光、不需要光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)快、使用溫度范圍廣的特性，符合本項(xiàng)目的使用要求。

2.3.2 EC11 旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)

使用EC11 作為人機(jī)交互的輸入設(shè)備。EC11 編碼開(kāi)關(guān)可輸出兩組方波A、B 相，及按壓時(shí)輸出特定電平。通過(guò)主控判定輸出脈沖數(shù)及兩相順序可識(shí)別編碼開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)向及變化值，從而對(duì)設(shè)定值及參數(shù)界面進(jìn)行調(diào)整?？煽磕陀?，滿(mǎn)足使用要求。

2.3.3 MY1690-12P 語(yǔ)音播報(bào)模塊

使用MY1690-12P（如圖7）作為人機(jī)交互系統(tǒng)的語(yǔ)音輸出端，MY1690-12P 是一款小巧的微集成MP3 模塊，采用MY1690-SOP16 MP3 主控芯片，支持MP3、WAV 格式雙解碼。模塊最大支持32G TF 卡；也可外接U 盤(pán)或USB數(shù)據(jù)線(xiàn)連接電腦更換SD 卡音頻文件。該模塊內(nèi)置3W 功放，可以直接驅(qū)動(dòng)3W 的喇叭，使用更方便。

圖7 MY1690 播報(bào)模塊

■2.4 NFC 識(shí)別單元

為滿(mǎn)足集體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求，使用NFC 識(shí)別模塊來(lái)進(jìn)行身份信息的識(shí)別，即該功能可滿(mǎn)足學(xué)生體育課使用學(xué)生卡錄入信息的情況，通過(guò)上位機(jī)編程將識(shí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別后通過(guò)Zigbee 模組發(fā)送給PC 上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控對(duì)象的生理參數(shù)與身份信息相對(duì)應(yīng)。演示如圖8 所示。

圖8 NFC 刷卡與綁定

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于Zigbee 的運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件程序的設(shè)計(jì)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)健康系統(tǒng)的人體生理參數(shù)準(zhǔn)確提取、多參數(shù)信號(hào)模式的穩(wěn)定性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括穿戴式終端信息采集系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)三部分內(nèi)容。

■3.1 穿戴式終端信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

穿戴式終端信息采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)終端設(shè)備的生理參數(shù)及其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)的信息采集，采用C 語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，作為固件燒錄于單片機(jī)中，該系統(tǒng)采用I2C 通信串口通信，在保證運(yùn)行可靠性的同時(shí)，盡可能地減少空間的占用，并能夠以高傳輸速率支持多個(gè)組件。

■3.2 人機(jī)交互系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)分為穿戴式終端信息采集系統(tǒng)交互以及上位機(jī)終端交互兩種。

(1)穿戴式終端交互系統(tǒng)：設(shè)計(jì)嵌入到穿戴式終端信息采集系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)的優(yōu)化調(diào)試，充分利用了單片機(jī)外部中斷功能，使得控制菜單動(dòng)作響應(yīng)迅速可靠，減少對(duì)信號(hào)采集的不良干涉。使得信息采集和交互能獨(dú)立運(yùn)行，提高其穩(wěn)定性。

(2)上位機(jī)終端交互系統(tǒng)：當(dāng)刷入學(xué)生一卡通后，學(xué)生的班級(jí)姓名等信息即可顯示在相應(yīng)窗口中，完成交互；當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中存在異常數(shù)據(jù)，界面的指示燈會(huì)進(jìn)行提示，后臺(tái)會(huì)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

■3.3 上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)主要包括穿戴終端界面、報(bào)警數(shù)據(jù)界面、成員ID 信息顯示界面及后臺(tái)異常數(shù)據(jù)記錄界面等。考慮到組態(tài)軟件在網(wǎng)絡(luò)通信及實(shí)時(shí)性等方面的局限性，采用可視化集成開(kāi)發(fā)工具QT5.11 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。上位機(jī)平臺(tái)組件如圖9 示。

圖9 上位機(jī)平臺(tái)組件構(gòu)成

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)使用時(shí)首先打開(kāi)上位機(jī)的綁定任務(wù)欄。將TTL模塊的通訊通道調(diào)到NFC 模式后刷入學(xué)生一卡通，將出現(xiàn)圖10 所示，系統(tǒng)讀取一卡通ID，自動(dòng)將綁定所需的信息（班級(jí)、姓名等）顯示至綁定窗口和任務(wù)檢測(cè)窗口，如圖11 所示。

圖10 上位機(jī)與手環(huán)的綁定

圖11 上位機(jī)平臺(tái)監(jiān)控界面

成員信息錄入完成后，將接收端TTL 通訊線(xiàn)路切換到Zigbee 模式，將對(duì)成員的生理健康信息進(jìn)行檢測(cè)，異常數(shù)據(jù)報(bào)警，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)登錄功能。

上位機(jī)平臺(tái)監(jiān)控界面如圖11 示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種可用于學(xué)生體育課集群監(jiān)測(cè)的運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于32 位單片機(jī)及Zigbee 組網(wǎng)，綜合運(yùn)用嵌入式相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)采集、高效的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)、NFC 識(shí)別、上位機(jī)前端開(kāi)發(fā)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)終端、多種指征參數(shù)的采集、邏輯處理和無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)傳輸，以及數(shù)據(jù)平臺(tái)監(jiān)測(cè)、異常數(shù)據(jù)保存報(bào)警等功能。