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

為監(jiān)測(cè)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(cè)手環(huán)。通過(guò)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(cè)人員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中心率、血氧飽和度以及血壓的數(shù)據(jù)，如檢測(cè)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(cè)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(guò)無(wú)線傳輸匯總至上位機(jī)，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(lèi)及健康評(píng)估，給出健康狀態(tài)評(píng)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(wú)線通信模塊發(fā)出端、生理參數(shù)檢測(cè)模塊、電源模塊、顯示模塊、蜂鳴器。其中生理參數(shù)檢測(cè)模塊采集人體的三維生理參數(shù)，通過(guò)串口傳輸給STM32，并將監(jiān)測(cè)到的多項(xiàng)生理參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并打包，通過(guò)無(wú)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(cè)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(wú)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(píng)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(zhuān)門(mén)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(cè)與健康狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)選用STM32F103RCT6 處理器，其主要功能是將傳感器測(cè)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(guò)串口無(wú)線透?jìng)魍ㄐ虐l(fā)送給上位機(jī)。

2.2 生理參數(shù)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

JFH111 生理學(xué)參數(shù)測(cè)試模塊是一種新型的多譜生理測(cè)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(cè)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(chǔ)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)報(bào)警系統(tǒng)的復(fù)雜程度。JFH111 生理參數(shù)檢測(cè)模塊還配有上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。

2.3 無(wú)線通信模塊電路設(shè)計(jì)

無(wú)線通訊模塊采用了HC-12 型無(wú)線433 型，采用TTL 級(jí)與STM32 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用無(wú)線電波傳輸至 PC。MCU或者 PC端通過(guò) 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(wú)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(wú)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(guò)SPI 通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。SPI 是串行外部設(shè)備的簡(jiǎn)稱(chēng)，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(guò)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(hào)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(jí)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(lái)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(cè)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(duì)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(wú)線通信模塊和檢測(cè)模塊的串口、定時(shí)器以及中斷優(yōu)先級(jí)的初始化。初始化完成后，先進(jìn)入傳感器掉線檢測(cè)子程序判斷JFH111 生理參數(shù)檢測(cè)模塊是否檢測(cè)到人體生理參數(shù)，如果長(zhǎng)時(shí)間未檢測(cè)到生理參數(shù)檢測(cè)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(cè)模塊，JFH111 檢測(cè)模塊將檢測(cè)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(cè)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(cè)者信息無(wú)線傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示。

3.2 生理參數(shù)檢測(cè)子程序

生理參數(shù)檢測(cè)過(guò)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(cè)到傳感器能夠正常進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)，再對(duì)其檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析讀取。

本系統(tǒng)所采用的JFH111 檢測(cè)模塊通過(guò)串口將采集到的生理指標(biāo)信息傳輸給STM32，由于檢測(cè)所需要一定的緊密性，需要在檢測(cè)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(guò)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(cè)。設(shè)置傳感器在線檢測(cè)標(biāo)志位，1 為在線，0 為掉線。系統(tǒng)開(kāi)啟后，將皮膚與傳感器接觸，開(kāi)始檢測(cè)心率和血氧飽和度，當(dāng)檢測(cè)到心率和血氧飽和度的數(shù)據(jù)有一方為0，就開(kāi)始掃描計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)超過(guò)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(cè)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(cè)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(kāi)始工作后，LED、蜂鳴器均進(jìn)行初始化，首先判斷JFH111 檢測(cè)模塊是否連接成功，如果JFH111 檢測(cè)模塊連接成功，則允許繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，若JFH111 檢測(cè)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(cè)生理參數(shù)的過(guò)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(cè)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(zhǎng)鳴。

4   系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)也較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確，能夠在5 s左右檢測(cè)并顯示心率、血氧飽和度以及血壓的數(shù)據(jù)，對(duì)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(cè)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(cè)到的數(shù)據(jù)滿(mǎn)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(cè)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(cè)到的數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

5   結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)群體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)與健康狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)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(cè)與健康狀態(tài)評(píng)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(wú)線通信模塊、生理參數(shù)檢測(cè)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(xiě)說(shuō)明，完成了JFH111檢測(cè)模塊掉線檢測(cè)子程序、閾值設(shè)置子程序、警報(bào)子程序以及無(wú)線通信子程序的流程設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱珍民,賀玉英,郝梓杰,等.連續(xù)測(cè)量血氧飽和度的視覺(jué)方法[J].集成 技術(shù),2017,6(6):1-14.

[2] 尹繼武,付奎.基于STM32 的生理參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].陜西理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019,35(5):16-20.

[3] 劉光達(dá),郭維,朱平,等.基于容積波分析的血氧飽和度測(cè)量系統(tǒng)[J].激光與紅外,2009,39(2):169-172.

[4] 王曉華.“運(yùn)動(dòng)心率”過(guò)高會(huì)傷身[J].家庭百事通,2021(3):20.

[5] 楊喬木,李立偉,楊玉新,等.基于STM32的電池管理系統(tǒng)主控單元設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2021,29(1):177-186.

[6] 鮑勇,趙培軍,金宗強(qiáng),等.陽(yáng)光體育運(yùn)動(dòng)學(xué)生心率負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,45(2):306-309.

[7] 王彪,婁學(xué)輝.基于單片機(jī)的電阻電容測(cè)量?jī)x[J].電子世界,2014(7):31-32.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）