群體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測手環(huán)設(shè)計(jì)

為監(jiān)測運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)者的心率、血氧飽和度以及血壓異常情況，確保運(yùn)動(dòng)者在運(yùn)動(dòng)中的安全，本文設(shè)計(jì)一款群體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測手環(huán)。通過手環(huán)設(shè)置心率、血氧飽和度以及血壓的安全閾值，獲取被監(jiān)測人員在運(yùn)動(dòng)過程中心率、血氧飽和度以及血壓的數(shù)據(jù)，如檢測到生理參數(shù)數(shù)據(jù)在安全閾值之外的情況，手環(huán)給出聲光報(bào)警以及震動(dòng)提示，警示被監(jiān)測人員及時(shí)作出緩解調(diào)整，同時(shí)將所采集到的所有數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸匯總至上位機(jī)，在遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中接收數(shù)據(jù)信息進(jìn)行信息的記錄與分析，監(jiān)管人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分類及健康評估，給出健康狀態(tài)評估結(jié)論。當(dāng)出現(xiàn)非健康狀態(tài)時(shí)，發(fā)出警示提示或救援信息和警報(bào)等。

1   總體設(shè)計(jì)方案

下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)以STM32 作為主控器件，連接無線通信模塊發(fā)出端、生理參數(shù)檢測模塊、電源模塊、顯示模塊、蜂鳴器。其中生理參數(shù)檢測模塊采集人體的三維生理參數(shù)，通過串口傳輸給STM32，并將監(jiān)測到的多項(xiàng)生理參數(shù)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并打包，通過無線傳輸模塊發(fā)出端傳輸至電腦端進(jìn)行記錄處理；顯示模塊進(jìn)行顯示；當(dāng)檢測的數(shù)據(jù)超出閾值范圍，LED 與蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警。上位機(jī)監(jiān)控端配置好相應(yīng)的波特率后，能夠讀取到無線通信模塊接收端的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行健康狀態(tài)評估及顯示。

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)

主控器件是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的模塊，需要較小的體積、較低的功耗和較強(qiáng)的性能，STM32 系列單片機(jī)是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的嵌入式控制器。綜合考慮本次設(shè)計(jì)群體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測與健康狀態(tài)評估系統(tǒng)選用STM32F103RCT6 處理器，其主要功能是將傳感器測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析以及警報(bào)，并將多項(xiàng)生理參數(shù)數(shù)據(jù)打包通過串口無線透傳通信發(fā)送給上位機(jī)。

2.2 生理參數(shù)檢測模塊的設(shè)計(jì)

JFH111 生理學(xué)參數(shù)測試模塊是一種新型的多譜生理測量模塊，采用前端傳感器技術(shù)，可以使模塊的靈敏度、信噪比大大提高，同時(shí)具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。JFH111的生理指標(biāo)檢測裝置是根據(jù) PPG 的光電體積脈搏波描記法和非貫穿式血壓法的模糊存儲法為基本原理，能夠精確地記錄脈搏波形、心率、血氧飽和度、血壓等信息。本系統(tǒng)為一種能精確測量脈搏、心率、血氧值及微循環(huán)的多光譜生理數(shù)據(jù)采集模塊。該系統(tǒng)僅需要與該模塊進(jìn)行串口通訊，并能直接獲取測試數(shù)據(jù)。同時(shí)，本系統(tǒng)具有體積小、功率消耗低等特點(diǎn)，提高了手環(huán)的使用壽命。STM32 主控制器采用串口與模塊通訊，并能直接從數(shù)據(jù)包中獲得測量結(jié)果，一定程度上降低了人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下多項(xiàng)生理參數(shù)異常監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的復(fù)雜程度。JFH111 生理參數(shù)檢測模塊還配有上位機(jī)監(jiān)測軟件。

2.3 無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

無線通訊模塊采用了HC-12 型無線433 型，采用TTL 級與STM32 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用無線電波傳輸至 PC。MCU或者 PC端通過 TXD接口傳輸串口數(shù)據(jù)，RXD 接口接收到串口數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給無線通訊模塊，由 TXD 接口恢復(fù)到MCU 或者PC 端的串口。HC-12 模塊是在半雙工通訊中替代實(shí)體連接的。各模組之間僅能在半雙工模式下工作，無法同時(shí)接收和接收資料，但也可以在特定條件下進(jìn)行逆向操作。

2.4 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用了0.96 英寸的7 線OLED 顯示屏，并通過SPI 通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。SPI 是串行外部設(shè)備的簡稱，它是一種高速、全雙工、同步的通訊總線，它的插腳僅有4 條，既節(jié)省了插頭，又節(jié)省了PCB 的空間和便利，因此，許多芯片都采用了SPI。OLED 常用的通信有IIC 通信，但由于本系統(tǒng)需要讀取的數(shù)據(jù)較多而IIC 通信方式采用2 條數(shù)據(jù)線，通信數(shù)據(jù)較慢，SPI 通信方式采用四條數(shù)據(jù)線，通信數(shù)據(jù)較快。在本系統(tǒng)中采用的是模擬SPI，即使用GPIO 端口模擬SPI 總線與SSD1306 總線進(jìn)行通訊。

2.5 其他模塊電路設(shè)計(jì)

2.5.1 電源模塊電路設(shè)計(jì)

正確可靠的電源模塊關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能，本系統(tǒng)采用的電源管理模塊使用1 S 鋰電池作為系統(tǒng)電池，該電池標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.7 V，經(jīng)過電源管理模塊升壓后輸出5 V 為系統(tǒng)供電。在模塊內(nèi)部采用了電容為電源信號進(jìn)行濾波，保證電源供電質(zhì)量，同時(shí)在電路中設(shè)計(jì)了自恢復(fù)保險(xiǎn)絲電路以及齊納二極管電路保障電源后級芯片電路的安全。

2.5.2 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

STM32F103RCT6 主控的I/O 口最大可以輸出的25 mA 電流，而蜂鳴器需要30 mA 的電流才能夠進(jìn)行發(fā)聲。因此運(yùn)用NPN 三極管來升高電流進(jìn)而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，為了防止蜂鳴器誤發(fā)聲，在三極管的基極與發(fā)射極之間用1 個(gè)10 k 的電阻進(jìn)行連接，同時(shí)發(fā)射極接地。當(dāng)與STM32 連接的I/O 口輸出高電平的時(shí)候，蜂鳴器將發(fā)出聲音表示報(bào)警，當(dāng)輸出低電平的時(shí)候，蜂鳴器停止鳴響。

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體軟件設(shè)計(jì)方案

群體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測手環(huán)主程序流程圖如下圖所示。啟動(dòng)后系統(tǒng)上電并進(jìn)行初始化，初始化函數(shù)主要包括對系統(tǒng)時(shí)鐘配置和延時(shí)函數(shù)的初始化、OLED、蜂鳴器、LED、無線通信模塊和檢測模塊的串口、定時(shí)器以及中斷優(yōu)先級的初始化。初始化完成后，先進(jìn)入傳感器掉線檢測子程序判斷JFH111 生理參數(shù)檢測模塊是否檢測到人體生理參數(shù)，如果長時(shí)間未檢測到生理參數(shù)檢測模塊有數(shù)據(jù)傳給STM32，則表示為掉線，有聲光警報(bào)提示，如果生理參數(shù)檢測模塊，JFH111 檢測模塊將檢測的數(shù)據(jù)反饋給STM32 處理，由STM32 處理數(shù)據(jù)后在OLED 上進(jìn)行顯示，如若檢測到的人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下某一項(xiàng)生理參數(shù)數(shù)據(jù)超出提前設(shè)定好的閾值范圍則進(jìn)行聲光報(bào)警，并將異常數(shù)據(jù)和被監(jiān)測者信息無線傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示。

3.2 生理參數(shù)檢測子程序

生理參數(shù)檢測過程可分為兩部分，首先判斷傳感器是否能夠正常工作，當(dāng)檢測到傳感器能夠正常進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測時(shí)，再對其檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析讀取。

本系統(tǒng)所采用的JFH111 檢測模塊通過串口將采集到的生理指標(biāo)信息傳輸給STM32，由于檢測所需要一定的緊密性，需要在檢測前判斷傳感器與STM32 單片機(jī)是否正常連接，未連接時(shí)系統(tǒng)通過LED 及時(shí)報(bào)警。

由于血壓數(shù)據(jù)更新較慢，僅利用心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)是否采集進(jìn)行傳感器掉線檢測。設(shè)置傳感器在線檢測標(biāo)志位，1 為在線，0 為掉線。系統(tǒng)開啟后，將皮膚與傳感器接觸，開始檢測心率和血氧飽和度，當(dāng)檢測到心率和血氧飽和度的數(shù)據(jù)有一方為0，就開始掃描計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)超過50 時(shí)，判定傳感器掉線，進(jìn)行聲光報(bào)警，否則判斷為傳感器在線，進(jìn)入數(shù)據(jù)解析子程序。JFH111 生理參數(shù)檢測子程序流程如圖3 所示。

3.3 警報(bào)子程序

警報(bào)功能體現(xiàn)在檢測傳感器是否掉線以及閾值超值報(bào)警兩個(gè)方面。系統(tǒng)開始工作后，LED、蜂鳴器均進(jìn)行初始化，首先判斷JFH111 檢測模塊是否連接成功，如果JFH111 檢測模塊連接成功，則允許繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，若JFH111 檢測模塊掉線LED 變亮，呈黃色燈光并慢閃的形式，同時(shí)蜂鳴器斷續(xù)發(fā)聲。在檢測生理參數(shù)的過程中，若參數(shù)在設(shè)定的閾值內(nèi)，則表示健康狀態(tài)，LED 亮綠色并慢閃，蜂鳴器不發(fā)聲，若檢測到的參數(shù)超出閾值，表示非健康狀態(tài)，LED 亮黃色并快閃，蜂鳴器長鳴。

4   系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測也較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確，能夠在5 s左右檢測并顯示心率、血氧飽和度以及血壓的數(shù)據(jù)，對比1 min 內(nèi)靜態(tài)狀態(tài)下以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的檢測數(shù)據(jù)如表1 和表2 所示。

根據(jù)上述表格可以得出本系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)滿足靜態(tài)心率在60~100 次/min，運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率在100~150次/min； 血氧飽和度檢測數(shù)據(jù)在95% 以上； 高壓90~140 mmHg，低壓在60~90 mmHg。因此本系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

5   結(jié)束語

本文對群體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測與健康狀態(tài)評估系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)的研究和分析。進(jìn)行了群體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測與健康狀態(tài)評估系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。將系統(tǒng)硬件部分分解成多個(gè)硬件模塊組合，有STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)、電源模塊、無線通信模塊、生理參數(shù)檢測模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊。完成硬件搭建后，進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序的編寫說明，完成了JFH111檢測模塊掉線檢測子程序、閾值設(shè)置子程序、警報(bào)子程序以及無線通信子程序的流程設(shè)計(jì)。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）