無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

韓佳芳

摘要：現(xiàn)代社會(huì)人們的競(jìng)爭(zhēng)壓力大，很多人身體處于亞健康狀態(tài)，因此利用可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)自身健康狀況成為康養(yǎng)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。為了設(shè)計(jì)一種更加智能的檢測(cè)設(shè)備，文章提出無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，通過(guò)ADS1292 模擬前端芯片設(shè)計(jì)心電檢測(cè)電路，使用DS18B20溫度傳感器檢測(cè)人體體表溫度，利用ADXL345三軸加速度傳感器判斷使用者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并遠(yuǎn)程顯示動(dòng)態(tài)的人體心電圖和人體體表溫度等信息。測(cè)試表明：該裝置功耗低，可穿戴在人體上實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)功能，例如能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)護(hù)動(dòng)態(tài)心電信號(hào)、采集體表溫度、測(cè)量運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離；使用串口顯示屏實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸和指標(biāo)顯示，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器；ADS1292芯片；ADXL345傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）06-0021-03

0 引言

可穿戴設(shè)備是近年新興的智能產(chǎn)品。智能可穿戴產(chǎn)品多與手機(jī)客戶端結(jié)合使用，最常見(jiàn)的有智能手環(huán)、智能手表和智能眼鏡等。可穿戴設(shè)備在技術(shù)、用戶、產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下快速發(fā)展，吸引了越來(lái)越多的大眾群體［1］。智能手環(huán)的設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)信息主要通過(guò)加速度傳感器采集，而目前的加速度傳感器所采集到的X軸、Y軸、Z軸數(shù)據(jù)，其時(shí)序特點(diǎn)和目前市面上處理語(yǔ)音識(shí)別的信號(hào)具有相同的方式，或者說(shuō)是由語(yǔ)音識(shí)別處理的信號(hào)發(fā)展而來(lái)的［2］。SAUNDERS［3］在1953年第一次用加速度傳感器辨識(shí)人體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，但技術(shù)成熟度不高，加速度傳感器無(wú)法集成傳感器芯片，體積龐大且價(jià)格較高，因此沒(méi)有得到推廣使用。三軸加速度傳感器集成一個(gè)芯片后，采集了大量的人體活動(dòng)作為研究樣本，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算出身體消耗的卡路里和步數(shù)等信息［4］。

智能手環(huán)的不斷發(fā)展促進(jìn)了低成本、低功耗、多功能無(wú)線傳感器的發(fā)展［5］。這些無(wú)線傳感器體積越來(lái)越小，并且具有感知人體信息、處理數(shù)據(jù)和短距離通信的能力。基于以往的研究基礎(chǔ)，在心電傳感器、體表溫度傳感器和三軸傳感器技術(shù)成熟的情況下，本文提出了無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過(guò)STM32單片機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行組合，監(jiān)測(cè)人體的身體狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳運(yùn)動(dòng)后的距離和步數(shù)，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)人體的心電圖、心率變化和體表溫度，并且能夠穿戴在人體上實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)功能。

1 無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案及配置選擇

1.1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用的方案如下：使用STM32單片機(jī)為控制核心，通過(guò)控制ADS1292心電模塊采集使用者的心電數(shù)據(jù)，通過(guò)串口向串口屏發(fā)送心電數(shù)據(jù)并計(jì)算心率；使用HMI串口屏上位機(jī)軟件顯示GUI界面，加入控件，通過(guò)控制DS18B20溫度傳感器采集使用者的體表溫度；通過(guò)ADXL345加速度傳感器采集使用者的三軸數(shù)據(jù)，計(jì)算使用者的步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離；把采集到的數(shù)據(jù)分別發(fā)送到HMI串口屏的控件上，再通過(guò)串口將這些數(shù)據(jù)通過(guò)ESP8266WIFI模塊發(fā)送到PC端；使用QT開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)PC端的GUI界面，通過(guò)接收到的數(shù)據(jù)，在PC端界面顯示出使用者的心電圖波形、心率、體表溫度、三軸數(shù)據(jù)、步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離。

1.2 單片機(jī)的選擇

（1）使用AT89C51單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的控制核心。

（2）使用STM32F103作為本次無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器的CPU方案。

（3）使用QT開(kāi)發(fā)GUI程序，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠顯示心電波形、心率、運(yùn)動(dòng)距離和步距界面的控制臺(tái)或服務(wù)器。QT可以通過(guò)C++開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)的圖形界面，通過(guò)ESP8266WIFI模塊連接PC端的熱點(diǎn)，建立通信，上傳數(shù)據(jù)，在GUI界面上顯示心電波形、心率、運(yùn)動(dòng)距離和步距等數(shù)據(jù)。

1.3 通信模塊的選擇

通信模塊選擇使用ESP8266WIFI無(wú)線通信模塊，該模塊具有功耗低、上傳數(shù)據(jù)快、價(jià)格低、開(kāi)發(fā)容易上手等特點(diǎn)，只需使用串口發(fā)送AT指令即可支持多設(shè)備互相通信。

綜合以上選擇，使用STM32F103芯片與QT編譯后的GUI界面相結(jié)合的方式，利用ESP8266WIFI模塊作為通信橋梁，實(shí)現(xiàn)無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)。

2 無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)方案采取每個(gè)功能子模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)，再將這些子模塊組合在一起的方式，形成的整體硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2.1 單片機(jī)控制模塊電路

STM32F1單片機(jī)是控制核心最基本的實(shí)驗(yàn)電路，共有3個(gè)串口、2個(gè)I2C接口、2個(gè)SPI接口和7個(gè)定時(shí)器。使用的引腳有80個(gè)快速I(mǎi)O口，可用于設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路系統(tǒng)。

2.2 STM32F1核心板的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路

要正常運(yùn)行單片機(jī)，就需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘和復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)使用的是STM32F1的單片機(jī)，因?yàn)镾TM32F1的復(fù)位方式有多種，所以可以選擇使用時(shí)鐘和復(fù)位電路。

2.3 ADS1292心電模塊電路

ADS1292心電模塊由ADS1292R芯片設(shè)計(jì)，在模塊內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)電平芯片兼容5V和3.3V的單片機(jī)，芯片內(nèi)部有一個(gè)放大電路，增益采集的電壓。ADS1292R芯片含有便于攜帶的心電圖，與普通手環(huán)相比，只有心率值監(jiān)測(cè)不同，可通過(guò)計(jì)算得出心率值功能。ADS1292模塊使用SPI通信，模塊電路中有5V轉(zhuǎn)3.3V電路，加上電平轉(zhuǎn)換芯片，兼容8位單片機(jī)和32位單片機(jī)。

2.4 ADXL345加速度傳感器模塊電路

ADXL345加速度傳感器模塊電路原理是基于ADXL345三軸加速度傳感器的分析與計(jì)算?？墒褂肐2C和SPI進(jìn)行中斷，中斷模式靈活，可以映射到單片機(jī)中任何一個(gè)中斷引腳，通過(guò)串行命令選擇適合的測(cè)量范圍，也可以通過(guò)串行命令選擇合適的帶寬；其適合溫度為-40 ℃～+85 ℃，抗沖擊能力高達(dá)10 G。

2.5 HMI串口屏和接口電路

HMI串口屏是一款采用上位機(jī)寫(xiě)指令方式、通過(guò)觸摸控件顯示的屏幕，其CPU處理器為STM32，用上位機(jī)寫(xiě)指令實(shí)現(xiàn)屏幕的顯示、中斷、定時(shí)和觸摸。上位機(jī)指令編程軟件的控件功能強(qiáng)大，只需選定控件，在控件的觸發(fā)事件寫(xiě)上相對(duì)指令，就可以控制該控件。

2.6 電源模塊電路

本設(shè)計(jì)通過(guò)電池供電，電源選擇疾風(fēng)鋰離子聚合物電池，其電解質(zhì)溶液是有機(jī)溶劑，鋰離子聚合物電池具有能量高、體積小而輕薄及安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.7 WIFI模塊電路

本設(shè)計(jì)使用的無(wú)線傳輸模為ESP8266WIFI模塊，該模塊使用串口與其對(duì)應(yīng)的單片機(jī)進(jìn)行通信，模塊內(nèi)含TCP協(xié)議，通過(guò)使用TCP協(xié)議可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)下載。數(shù)據(jù)傳送是通過(guò)單片機(jī)的串口發(fā)送AT指令控制ESP8266模塊的方式實(shí)現(xiàn)。

3 無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ADS1292心電模塊程序設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行初始化處理，將與ADS1292連接的IO口設(shè)置為SPI模式，其次設(shè)置ADS1292芯片的DRDY引腳為上拉輸入，并設(shè)置該引腳為中斷輸入功能和中斷功能。驅(qū)動(dòng)程序分為讀取72位數(shù)據(jù)、噪聲設(shè)置和正常信號(hào)采集3個(gè)子程序。系統(tǒng)上電后，設(shè)置內(nèi)部噪聲模塊，讀取噪聲數(shù)據(jù)和測(cè)試信號(hào)，確定芯片正常工作后發(fā)出采樣指令，讀取正常心電信號(hào)。需要特別注意的是，在正常采樣時(shí)要把內(nèi)部1 mV的測(cè)試信號(hào)關(guān)閉。

3.2 ADXL345加速度傳感器的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

ADXL345模塊IIC測(cè)試程序：首先，初始化ADXL345模塊，初始化的方式是將IIC接口通過(guò)IIC給器件寫(xiě)指令，讀地址的指令是0XA7，寫(xiě)地址的指令是0XA6。其次，使用寫(xiě)寄存器的方式，給器件設(shè)定測(cè)量范圍、采樣速率、電源模式和X軸、Y軸、Z軸的偏移量。采用讀取10次的X軸、Y軸、Z軸數(shù)據(jù)值分別取平均值的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，取X軸、Y軸、Z軸的具體數(shù)據(jù)，讀取6個(gè)字節(jié)，X軸數(shù)據(jù)是第一個(gè)字節(jié)與第二個(gè)字節(jié)相加；Y軸數(shù)據(jù)是第三個(gè)字節(jié)與第四個(gè)字節(jié)相加；Z軸數(shù)據(jù)是第五個(gè)字節(jié)與第六個(gè)字節(jié)相加。

3.3 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器連接

（1）設(shè)計(jì)DS18B20溫度傳感器驅(qū)動(dòng)代碼，使用單片機(jī)讀取溫度傳感器時(shí)序，通過(guò)算法進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換；使用ADS1292心電模塊的驅(qū)動(dòng)程序和ADXL345加速度傳感器模塊的驅(qū)動(dòng)程序作為底層驅(qū)動(dòng)程序，修改驅(qū)動(dòng)程序的IO為STM32F1核心板上所對(duì)應(yīng)的IO口程序。

（2）將以上測(cè)試好的各驅(qū)動(dòng)程序加入RT-Thread操作系統(tǒng)，通過(guò)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，同時(shí)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序；通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到HMI串口屏，使用HMI串口屏上位機(jī)給HMI串口屏添加控件，最后HMI串口屏顯示測(cè)試到的數(shù)據(jù)。

（3）將ESP8266WIFI模塊接入STM32F1核心板的串口2，通過(guò)向串口發(fā)送AT指令測(cè)試ESP8266WIFI模塊的通信，測(cè)試方式是在筆記本電腦開(kāi)一個(gè)熱點(diǎn)，使用WSP8266WIFI模塊接入筆記本熱點(diǎn)發(fā)送AT指令。

（4）使用QT編程，設(shè)計(jì)一個(gè)在Windows系統(tǒng)上運(yùn)行的界面，不間斷地實(shí)時(shí)顯示心電波形。

4 無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的調(diào)試與驗(yàn)證

4.1 調(diào)試步驟

（1）調(diào)試ADS1292心電模塊：選擇使用心電模擬器、發(fā)生器信號(hào)模擬儀FK550，利用心電信號(hào)模擬儀輸出正常心電波形信號(hào)，通過(guò)ADS1292心電模塊采集并顯示心電波形。

（2）調(diào)試溫度模塊：使用紅外體溫槍測(cè)試人體體表溫度，與溫度傳感器進(jìn)行對(duì)比、校準(zhǔn)。

（3）調(diào)試ADXL345加速度傳感器模塊：通過(guò)在設(shè)定的5 m直線范圍內(nèi)來(lái)回走動(dòng)進(jìn)行調(diào)試，注意按正常走動(dòng)擺臂的幅度進(jìn)行三軸數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)記錄設(shè)定參數(shù)值，用于計(jì)算運(yùn)動(dòng)步數(shù)和距離。

（4）調(diào)試上傳PC端的數(shù)據(jù)：測(cè)試心電波形是否上傳，實(shí)時(shí)查看界面心電波形和心率的變化，通過(guò)握緊或搓手改變手心溫度，通過(guò)運(yùn)動(dòng)擺臂查看三軸的數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)信息。

4.2 驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)改變心電模擬器的旋鈕，改變其心率值，則無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的心率值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。在實(shí)際走路測(cè)試中，可通過(guò)ADXL345加速度傳感器看到三軸數(shù)據(jù)、步數(shù)和步距的變化。上傳的PC圖形化界面與無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)上的HMI串口屏上顯示的數(shù)據(jù)一樣，誤差極低。成功上傳后的數(shù)據(jù)，通過(guò)做成電池供電的形式，可將節(jié)點(diǎn)做成手表形式綁在手臂上，在查看運(yùn)動(dòng)距離和步數(shù)的同時(shí)，也不會(huì)影響正常的走路擺臂。

5 結(jié)語(yǔ)

本無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)使用串口屏顯示心電波形數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)存的方式，讓心電波形慢慢往后推移，實(shí)時(shí)顯示心率、溫度、步數(shù)和步距等。本設(shè)計(jì)通過(guò)QT設(shè)計(jì)出圖形化界面，在方案上也可使用開(kāi)源的藍(lán)牙或其他安卓應(yīng)用軟件。本文設(shè)計(jì)的PC端圖形化界面，成功上傳了心電波形的數(shù)據(jù)，能顯示完整的心電波形和其他實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)存在一些不足，如果ESP8266無(wú)線模塊與所接入的服務(wù)器距離過(guò)遠(yuǎn)（20 m左右），連接就會(huì)中斷。改進(jìn)辦法是像傳統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)手環(huán)一樣通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，在云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，然后上傳到手機(jī)或PC端的App界面。此外，對(duì)于一些計(jì)算的誤差，比如溫度誤差，可以使用更精確的溫度傳感器降低誤差，例如通過(guò)專業(yè)的醫(yī)學(xué)測(cè)溫傳感器獲取更精確的溫度值。

6 參考文獻(xiàn)

［1］速途研究院.2017年上半年可穿戴設(shè)備市場(chǎng)分析報(bào)告［J］.互聯(lián)網(wǎng)天地，2017（8）：21-23.

［2］王洪斌，基于三軸加速度傳感的人體行為識(shí)別研究［D］.無(wú)錫：江南大學(xué)，2014.

［3］SAUNDERS J B，INMAN V T，EBERHART H D.The major determinants in normal and pathological gai［J］.Journal of Bone & Joint Surgery-American Volume，1953，35（3）：543-558.

［4］BLAIR S N，BRODNEY S.Effects of physical inactivity and obesity on morbidity and mortality：current evidence and research issues［J］.Med Sci Sports Exerc，1999，31（11 Suppl）：646-62.

［5］GUO S S，CHUMLEA W C.Tracking of body mass index in children in relation to overweight inadulthood［J］.Am J Clin Nutr，1999，70：145-148.