基于STM32的無線運動傳感節點設計

摘? 要：針對醫療、體育訓練等過程中的身體指標監測問題，設計了基于ADS1292和LMT70的無線運動傳感器節點，其中溫度測量模塊、心率監測模塊實現了實時采集人體心電信號、體表溫度，運動記錄模塊使用MPU6050芯片結合卡爾曼濾波算法來實現人體運動信息精準檢測，最后STM32將以上信息通過CC2652RB藍牙芯片發送給服務器（手機）并由自主開發的APP實時顯示，同時還設計了心跳、體溫異常等信息的語音提醒等功能，實驗結果表明系統運行穩定，測量精度可滿足實際要求。

關鍵詞：心率檢測;溫度測量;運動姿態檢測;無線傳輸;APP顯示

中圖分類號：TP212.9;TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）24-0035-04

Design of Wireless Motion Sensor Node Based on STM32

GAO Tianxue

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou? 253034，China）

Abstract：Aiming at the problem of body index monitoring in the process of medical treatment and physical training，a wireless motion sensor node based on ADS1292 and LMT70 is designed. Thereinto，temperature measurement module and heart rate monitoring module realize real-time acquisition of human ECG signals and shell temperature，the motion recording module uses MPU6050 chip and combining with Kalman filtering algorithm to realize an accurate detection of human motion information. Finally，STM32 sends the above information to the server（mobile phone）through CC2652RB Bluetooth chip and displays it in real time by the self-developed APP. And at the same time，it also designs the voice reminder function on the information of heartbeat，abnormal body temperature etc. Experiments results show that the systems running is stable，and the measurement accuracy can meet the actual requirements.

Keywords：heart rate detection;temperature measurement;motion gesture detection;wireless transmission;APP display

0? 引? 言

心率、體溫、運動狀態等指標均涉及到人體健康，也是醫療、體育訓練等項目中越來越重視的關鍵指標，該系列指標的無線快速監測問題已成為最新醫療器械、手環、手機等設備中的必備功能，傳統的監測方法由于器件靈敏度等問題存在效率低、誤差大、功能單一等問題，同時傳統的檢測設備多采用有線數據傳輸方式，導致設備的接線較為復雜且傳輸線在使用中也存在接觸不良、開路等問題，造成維修與檢測工作量大且很難找到開路點等問題，特別是高速運動過程中的指標監測技術在穩定性、靈活性、快速性等方面仍有待提高。筆者基于學校教學研究項目及全國大學生電子設計競賽項目對基于STM32的無線運動傳感節點進行了設計與開發，實現了實時采集人體心電信號、人體溫度、人體運動信息精準監測等功能并通過高速單片機將以上信息通過CC2652RB藍牙芯片發送給服務器（手機）并由自主開發的APP實時顯示，同時還設計了心跳、體溫異常等信息的語音提醒等功能。

1? 系統總體設計方案

目前的姿態檢測多使用三軸加速度傳感器進行運動檢測，主要因為其成本較低，但三軸加速度傳感器測量數據單一、準確性低。而MPU6050姿態融合傳感器，通過姿態融合算法可以精確地對人體的運動進行分析，數據復雜但準確性高。目前的小型控制電路核心控制器多采用89C51單片機，其I/O腳使用簡單，但高電平時驅動能力不強，而且89C51單片機運行速度過慢、保護能力很差，很容易燒壞芯片。

而近幾年流行起來的高速STM32單片機有以下優點：運存大、主頻高，運算能力強、外設豐富，定時器多、外部接口豐富，且擁有多個串口，USB通信、SPI通信等一應俱全，故采用該系列單片機作為主控芯片。目前的無線傳輸方式主要有Wi-Fi、藍牙、ZigBee等傳輸形式，雖然Wi-Fi傳輸距離長，但是價格高、功耗高、電池續航時間短。ZigBee在短距離傳輸具備優勢且功耗極低，但其傳輸速率不高且開發過程比較復雜，需大量協議程序代碼。藍牙傳輸模塊價格低、功耗低、可以延長續航，雖然傳輸距離稍近，但是近距離通信毫無壓力。綜合比較后最終確定整個系統由手機、單片機、溫度測量模塊、心率監測模塊、運動記錄模塊等組成，系統框架如圖1所示。

2? 理論分析與計算

2.1? 心電測量方法

心臟在收縮或舒張時會產生微弱的生物電流，這種電流可以傳到人體表面。心電圖機就是通過監測心臟這種周期性變化產生的電流變化，以連續曲線的形式，在心電圖中記錄下來。心電圖記錄紙上橫向坐標可以測量各波的寬度，即時間。每小格距離為1 mm，采用25 mm/s的紙速時，則橫坐標上每1 mm的距離等于0.04 s。根據需要可以提高走紙的速度，如成倍提高至50 mm/s或100 mm/s，則每小格1 mm就分別為0.02 s或0.01 s。在心電圖上測量心率時，只需測量一個P-P（兩個P峰之間的間隔）或R-R（兩個R峰之間的間隔）間期的秒數，然后除以60即可得出心率數，計算公式：

HR=60/P-P（R-R）

例如：R-R間期為0.75 s時，心率為：60/0.75=80

（次/分），還可采用查表法或使用專門的心率尺直接讀出相應的心率數。當心律不規則，P-P和R-R間期不均勻時，不能用一個心動周期計算，一般采取數個（如10個）心動周期的P-P或R-R周期平均值計算。測量各波的時間，應選用波形清晰的導聯并且同時用多個方法測量導聯方能準確，各波的時間測量應自該波形內緣的起點測至波形內緣的終點。

2.2? 基于LMT70的體表溫度測量方法

LMT70是精密模擬溫度傳感器，其供電要求低、引腳簡單、具有很寬的溫度測量范圍，是一款醫用級的傳感器。LMT70幾乎適用于所有高精度、低功耗的經濟高效型溫度感測應用，例如物聯網傳感器節點、醫療溫度計、高精度儀器儀表和電池供電設備。根據其測量結果精確、體積小、電源要求低的特點，由于LMT70的輸出電壓傳遞函數近似于線性但并非絕對線性，故也可以用二階或三階傳遞函數方程更好地描述，通常用在對溫度變化測量精度要求較高的工業控制領域。

二階傳遞函數可以在更寬的有限溫度范圍內提供良好的結果。在-55 ℃至+150 ℃的整個溫度范圍內，單個二階傳遞函數在極端溫度下的誤差會增加。使用最小二乘和方法，使用如表1所示的電氣特性溫度查找表中的值生成了最合適的二階傳遞函數：

TM=a（VTAO）2+b（VTAO）3+c

其中TM為溫度值，VTAO為直流電壓值，a與b為二階、三階傳遞系數，c為補償值。

在較寬的溫度范圍內，最精確的單個方程式是三階傳遞函數。使用最小二乘法并使用表2中的值生成了最合適的三階傳遞函數：

TM=a（VTAO）3+b（VTAO）3+c（VTAO）+d

其中，a、b、c為傳遞系數，d為補償值。

由于本系統對溫度的精度要求不高，溫度傳感器LMT70的溫度計算公式采用了一階傳遞函數：

T=-0.193×NUM×1 000+212.009

其中NUM為溫度傳感器的輸出電壓，故需要進行模數轉換后送到單片機內部進行溫度還原。

2.3? 運動量計算方法

實驗表明，MPU6050姿態融合傳感器可通過四元數法來算出運動量，四元數法：

當采用歐拉角表示姿態變換時，表征的是分別繞著（i，j，k）三個坐標軸的三次旋轉，根據歐拉定理，這三次旋轉可以等效成繞著某軸一次旋轉而成，其中的某軸就是公式中的u=（u1，u2，u3），旋轉角度就是公式中θ。

四元數通常寫為：

q=q0+q1+q2+q3

那么用于姿態表示時：

使用四元數進行載體姿態更新方程：

其中，t為初始時間，δ為采樣間隔。

四元數的更新可通過上式完成。因此只要知道初始四元數（載體的初始姿態）和四元數的導數就可以完成任意時刻四元數的解算，從而得到運動信息。由于MPU6050自帶的DMP庫可以直接輸出四元數，故可以大大減輕STM32的運算負擔，將芯片采集到的信息代入方程計算出結果即可對人體的運動狀態進行估計。

3? 硬件電路與軟件設計

3.1? 硬件電路設計

系統核心控制器采用了STM32F103單片機，該單片機的主頻速度可達72 MHz，用其來完成溫度信息、運動信息、心率信息的計算可大大提高系統的靈敏度。根據實際需求使用ADS1292模擬前端芯片設計了心電檢測模塊電路，系統以溫度傳感器LMT70為基礎，加入模數轉換芯片ADS1115設計了溫度檢測模塊，無線傳輸使用了基于CC2652RB的藍牙模塊，其波特率最高可達115 200比特每秒，可保證心率信號的實時傳輸，確保系統在高速運動時的穩定運行。系統使用了可以進行5 V轉3.3 V降壓的芯片AMS1117對整個電路進行供電，在搭建完成基本電路加入了充電過沖保護模塊和開機鎖等功能。

3.2? 系統軟件設計

系統整體軟件流程如圖2所示，程序開始后單片機會啟動ADS1292、ADS1115、MPU6050讀寫函數，實時獲取心電信號、溫度數據、加速度數據并使用卡爾曼濾波算法對采集值進行濾波處理，最終得到穩定值后計算實際值。

以MPU6050的運動數據濾波為例，部分簡易卡爾曼及一階互補核心濾波算法為：

函數功能：簡易卡爾曼濾波

入口參數：加速度、角速度

返回值：無

voidKalman_Filter（float Accel，float Gyro）

{angle+=（Gyro - Q_bias） * dt; //先驗估計

Pdot[0]=Q_angle - PP[0][1] - PP[1][0]; // Pk-先驗估計誤差協方差的微分

Pdot[1]=-PP[1][1];

Pdot[2]=-PP[1][1];

Pdot[3]=Q_gyro;

PP[0][0] += Pdot[0] * dt; // Pk-先驗估計誤差協方差微分的積分

PP[0][1] += Pdot[1] * dt; // =先驗估計誤差協方差

PP[1][0] += Pdot[2] * dt;

PP[1][1] += Pdot[3] * dt;

Angle_err = Accel - angle; //zk-先驗估計

PCt_0 = C_0 * PP[0][0];

PCt_1 = C_0 * PP[1][0];

E = R_angle + C_0 * PCt_0;

K_0 = PCt_0 / E;

K_1 = PCt_1 / E;

t_0 = PCt_0;

t_1 = C_0 * PP[0][1];

PP[0][0] -= K_0 * t_0; //后驗估計誤差協方差

PP[0][1] -= K_0 * t_1;

PP[1][0] -= K_1 * t_0;

PP[1][1] -= K_1 * t_1;

Angle += K_0 * Angle_err; //后驗估計

Q_bias += K_1 * Angle_err; //后驗估計

angle_dot = Gyro - Q_bias; //輸出值（后驗估計）的微分=角速度

}

函數功能：一階互補濾波

入口參數：加速度、角速度

返回值：無

voidYijielvbo（float angle_m， float gyro_m）

{

angle = K1 * angle_m+ （1-K1） * （angle + gyro_m * 0.005）;

}

4? 實驗測試與分析

最終該系統整體電路包括硬件與服務器（手機），如圖3所示，圖中的設備正在測量心率。除此之外，運動信息的采集測試選用了華為手機自帶軟件進行對比測試，溫度信息采集測試選用體溫槍進行對比測試。溫度和步數由下圖系統自主設計的APP進行顯示。

該系統把心電、心率、溫度、步數、距離分成四個部分，然后通過市面上的專業測量儀器對測試者進行測試，之后再使用作品進行測試，并得出測量結果。心電圖使用系統的作品進行了測試微調得出的結果，如圖4所示，與由德州市中醫院實際測得的專業心電圖，如圖5所示，進行對比。

其他實驗因試驗次數過多，系統將每十次測試的結果計算平均值并加以記錄，測試結果如表3所示。

5? 結? 論

該系統對基于STM32的無線運動傳感技術進行了研究，給出了一種基于高速單片機與高精度心率、體溫傳感器相結合的無線測量系統設計方案，可檢測人體的心率、體溫、運動狀態、卡路里消耗等信息并通過手機APP實時顯示各項指標，同時設計了語音播報模塊來進行有效提醒，并在軟件程序中采用卡爾曼濾波算法來提高檢測數據的精確性，極大地縮短檢測和系統處理時間。實驗測試表明，本系統傳輸速率快、準確性高、功耗低、成本低，而且模塊化設計，便于功能擴展，能夠滿足醫療、體育訓練等項目中快速準確地對身體指標實時監測的需求，為人體指標的無線測量與傳輸技術提供了相關設計新思路，具有一定的實用價值。

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作者簡介：高天學（1991—），男，漢族，山東濟南人，講師，碩士研究生，研究方向：電子與通信技術、智能控制。