一種帶WIFI傳輸?shù)男姆喂δ軝z測儀

鐘偉雄

摘要：利用嵌入式芯片控制，結(jié)合Pulse Sensor紅外光電電路、MLX90615體溫檢測電路、MPS1100壓力傳導(dǎo)電路、SYN6288語音電路、8266無線電路設(shè)計一種心肺功能檢測儀。可以設(shè)定溫度報警的上下限，當(dāng)測量的范圍超過設(shè)定的范圍時驅(qū)動報警提醒。心率測量也具備異常報警功能，所有數(shù)據(jù)結(jié)果通過LCD12864和手機APP顯示。用戶可以通過手機APP實時查看自己的心肺功能數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：WIFI傳輸;心率傳感器;肺活量;體溫

中圖分類號：TH778 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0157-04

0 引言

在當(dāng)今快腳步的社會中，很多人迫于生活壓力一直在透支著自己的身體，便出現(xiàn)了所謂的亞健康人群。亞健康主要是包括了年紀(jì)大的人、長期處于競爭壓力大的人、生活飲食習(xí)慣不良的人等。在這些人群中，需求最為顯著的是白領(lǐng)人群、學(xué)生人群、老年人。根據(jù)自己的身體情況需要隨時監(jiān)測自己的心肺功能，定時定期的了解自己基礎(chǔ)健康狀況。運動者也可定期監(jiān)測自己的運動成果，心肺功能是否提升。藍牙傳輸環(huán)境下的心肺功能監(jiān)測裝置中的功能包含了脈搏監(jiān)測、體溫監(jiān)測、肺活量測試。通過傳感器來監(jiān)測心率，監(jiān)測肺活量，可對人體心肺進行監(jiān)督功能，可被用于保健中心和醫(yī)院還有個人隨身攜帶或者家中自測的小型儀器。為了配合人群的需求，除了提高對心率測試儀器的精確度和儀器的簡便性，添加了肺活量功能用來提高裝置的全面性。現(xiàn)就該心肺功能檢測儀的設(shè)計做一下闡述。

1 心肺功能檢測儀的總體設(shè)計

如圖1所示，采用STM32F103C8T6芯片、LCD12864模塊、Pulse Sensor心率傳感器模塊、GY-MLX90615V2溫度傳感器模塊、MPS1100壓力傳感器模塊、SYN6288語音模塊和ESP8266WIFI模塊設(shè)計心肺功能采集裝置。具有檢測環(huán)境溫度、心率、肺活量和體溫，相關(guān)數(shù)據(jù)可在LCD12864顯示，并且都可以把采集到的數(shù)據(jù)上傳給用戶端，用戶也可通過終端查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，若某一心率值或體溫值超過設(shè)定值均可觸發(fā)語音提示等功能。

2 心肺功能檢測儀主要硬件設(shè)計

由于復(fù)位電路和LCD12864電路屬于常見電路，本文不做描述，僅對心肺功能檢測儀主要部分關(guān)鍵硬件進行簡要分析。

2.1 主控芯片模塊

如圖2所示，本文控制芯片采用的是嵌入式單片機STM32，該控制芯片是一款基于ARM Cotex-M3內(nèi)核的帶128K字節(jié)閃存的32位微控制器，工作頻率為72MHz，擁有37個快速I/O端口、2個ADC、4個定時器、3個USART、3個SPI資源、2個I2C，其中正常I/O口的時鐘為APB2，每個定時器的時鐘為72M，內(nèi)部還帶有閃存存儲器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。

2.2 心率放大電路設(shè)計

如圖3所示，心率信號放大電路。由于心率傳感器所發(fā)出的信號很小，因此放大采集電路使用串聯(lián)兩個運放的形式進行[1]。第一級采用電壓跟隨器電路，用于增強輸出驅(qū)動能。后面R9與C6構(gòu)成高頻濾波電路用于濾除一些比心跳頻率高的高頻信號。第二級采用電壓比較器電路，使心率的波形信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖。RP1、R7組成分壓比較電路，用于設(shè)置同相輸入端基準(zhǔn)電壓。當(dāng)心率信號比該基準(zhǔn)電壓大時運放1腳輸出高電平，反之輸出低電平。我們把這組脈沖定為心率脈沖信號。

2.3 肺活量放大電路設(shè)計

如圖4所示，對肺活量信號進行采集的放大電路，因肺活量傳感器采集的信號較小（被測量者吹氣時，電壓變化大概為15mv左右），所以需要經(jīng)過放大器進行信號放大，放大器由兩級同相比例運算放大器構(gòu)成，同相比例運放放大倍數(shù)公式為：vo=vi*（1+Rf/R1）。圖中C8、C7實現(xiàn)濾波功能，電路中如果存在高頻干擾信號，會被C7、C8短路掉。使之能夠正常放大傳感器信號。

2.4 紅外體溫檢測電路設(shè)計

如圖5所示，一種基于MLX90615的體溫檢測電路，與傳統(tǒng)的水銀溫度計相比，它讀數(shù)更方便，并且測量時間短。工作電壓為3-5V，輸出的數(shù)據(jù)為十六進制，每幀里面包含9個字節(jié)，為十六進制數(shù)值。所測得的數(shù)據(jù)以串行的方式發(fā)送到控制芯片的串口，方便單片機讀取。

2.5 WIFI電路設(shè)計

如圖6所示，WIFI無線通信采用ESP8266硬件模塊，所需要到的器件有：電阻、電容、電感、無源晶振和FLASH，當(dāng)WIFI模塊上電后，藍色燈會微弱閃爍后熄滅，表示模塊正常。

2.6 語音電路設(shè)計

如圖7所示，SYN6288語音電路支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE等內(nèi)碼格式的文本，能智能識別文本、數(shù)值、字符串、電話號碼、時間日期以及常用的度量衡符號，在檢測到芯片空閑時不要馬上就發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，應(yīng)延時1ms左右再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。

3 心肺功能檢測儀的軟件程序設(shè)計

為方便理解，本文對心肺功能檢測儀各部分關(guān)鍵軟件程序進行分析。

3.1 心肺功能檢測儀程序流程設(shè)計

如圖8所示，設(shè)計初始函數(shù)，對各個子程序進行初始化，接下來對取得的手機鍵值進行判斷[2]。當(dāng)手機鍵值等于0時，選擇的是溫度功能，在溫度功能上，可在手機軟件界面中設(shè)置溫度的上下限值，超過限值就啟動蜂鳴器報警。如果鍵值等于1，就是心率功能調(diào)用心率函數(shù)顯示“請將手指靠近”。監(jiān)測當(dāng)前的心率的數(shù)值會顯示“測量中”，對這個數(shù)據(jù)進行判斷大于90顯示“偏高”，小于90且大于60為“沒毛病”，小于60顯示“偏低”并將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機上。如果鍵值等于2時，實現(xiàn)肺活量功能調(diào)用肺活量函數(shù)。根據(jù)壓力傳感器得到的壓力值在消除干擾值的情況下，利用公式，式中，其中q表示的是流量的體積，p是氣體的密度會隨著壓力和溫度等外界因素發(fā)生改變，：測氣壓之間的差的裝置兩頭的值，將K視為一個常數(shù)。運用此公式就可以得到空氣瞬時流量，然后再對空氣瞬時流量按時間進行積分便可以得到肺活量值。積分公式為：，V：累計空氣體積（肺活量），q：瞬時流量。將得到的肺活量值傳送到手機APP上。

3.2 數(shù)據(jù)中心模塊程序流程設(shè)計

如圖9所示，本文設(shè)計的WIFI模塊是采用TCP協(xié)議STA模式，所以在手機APP中采用TCP服務(wù)端，進行相應(yīng)的配置后就可以開啟接收數(shù)據(jù)的功能。通過WIFI把采集到的心率值、溫度值、肺活量值等數(shù)據(jù)發(fā)送給這個手機APP，數(shù)據(jù)每4秒更新一次。

3.3 主要程序代碼分析

3.3.1 無線配置函數(shù)

4 心肺功能檢測儀成品

心肺功能檢測儀的最終成品如圖10所示，經(jīng)過測試，設(shè)計出來的心肺功能檢測儀可以實現(xiàn)心率采集、體溫測量和肺活量測量等功能[4]。

5 結(jié)語

現(xiàn)今社會，科技與生活的聯(lián)系非常緊密。在快節(jié)奏的生活的同時，健康問題日益凸顯。本文設(shè)計的這款可用來檢測自身心率、肺活量等值的設(shè)備，可以隨時隨地進行心率肺活量檢測，并且結(jié)構(gòu)簡單。在改良方面，如果要考慮產(chǎn)品化，可以在PCB上下功夫，將所有的芯片集成在同一個PCB上，采用回流焊技術(shù)進行各類元件貼片焊接。再加上一個保護性外殼，可以實現(xiàn)從實驗室樣品設(shè)計到產(chǎn)品的過渡。

參考文獻

[1] 姜元恩，邢武.基于脈搏波速度測量動脈硬化檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2007（5）：6-7+28.

[2] 陳偉，吳健，胡正國.分布式監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳輸模型[J].計算機工程，2006（22）：272-273.

[3] 王東云.便攜式自動心率檢測儀的設(shè)計[J].鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報，1996（1）：52-55.

[4] 支長議，程志平，焦留成.語言智能電子體溫計設(shè)計[J].微計算機信息，2007（7）：153-155.