基于STM32單片機的健康手環

叢一凡，王成龍，胡 旭，宋新瑞，黃 超

（大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

隨著國民生活水平的不斷提高與人口老齡化程度的逐漸加重，越來越多的人關注自身運動機能的健康狀況。而運動機能的下降是危害人們日常生活的主要因素，例如：缺乏運動量導致的肥胖問題、老年人的心率問題、運動狀態監測和熱量消耗問題、心率和運動量的測量問題、遠程服務器數據顯示問題等。為了更好地解決上述問題，本文設計一款基于藍牙無線傳輸的智能健康手環，系統以STM32F103RC單片機為主控器芯片，配有心電測量模塊（ADS1292）、溫度傳感器模塊（LMT70）以及步數測量模塊（MPU6050），能夠穩定采集和記錄使用者的心電信息、體表溫度和運動狀況，并通過藍牙模塊將測量數據實時傳送到手機APP以便觀察，起到了通過數據指導健康生活的作用。

1 系統方案

本文設計以STM32F103RC芯片為核心，基于ADS1292芯片的心電檢測模塊用于采集并記錄使用者的心電信號，實現動態心電圖實時顯示；基于LMT70溫度傳感器模塊測量并記錄使用者體表溫度；基于陀螺儀傳感器模塊MPU6050檢測使用者的運動信息，記錄步數與活動距離等。通過藍牙模塊將上述傳感器采集到的數據無線上傳到手機APP端實時顯示，方便用戶隨時隨地查看并了解自己的健康狀況。

本文總體設計方案圖如圖1所示。

圖1 總體設計方案圖

1.1 主控芯片

本文設計的系統采用STM32F103RC為主控芯片，該芯片由意法半導體（ST）公司出品，其內核是以Cortex-M3為核心的32 bit系列的單片機。相比其他類型的單片機，STM32F103RC的內部資源（如寄存器和外設功能）更加豐富，運行速率更快。除此之外，STM32單片機具有高性能、外設接口及內存資源豐富、低成本、低功耗等特點，得到廣泛的應用。

1.2 心電測量模塊

ADS1292R是TI公司早在2012年就出產的一款醫用級ADC芯片，具有32位引腳，其引腳電路如圖2所示。它主要應用在醫療儀器（心電圖ECG），可以監護患者以及護理和健身監視器。該模塊具有2個低噪聲可編程增益放大器（PGA）和2個高分辨率模數轉換器（ADC），集成了心電采集所需要的部件，方便設備小型化。它的功耗極低，使得可以作為長時間監控成為可能，而且輸入參考噪聲低，共模抑制比高，足以進行心電采集。

圖2 ADS1292R引腳圖

1.3 溫度傳感器模塊

LMT70是一款帶有輸出使能引腳的超小型、高精度、低功耗互補金屬氧化物半導體（CMOS）模擬溫度傳感器，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（IoT）傳感器節點、醫療溫度計、高精度儀器儀表和電池供電設備。該溫度傳感器模塊也是RTD和高精度NTC/PTC熱敏電阻的理想替代產品，多個LMT70可利用輸出使能引腳來共用一個模數轉換器（ADC）通道，從而簡化ADC校準過程并降低精密溫度感測系統的總成本。LMT70還具有一個線性低阻抗輸出，支持與現成的微控制器（MCU）/ADC無縫連接。

LMT70具有較寬的溫度測量范圍，溫度與輸出電壓具有很好的線性關系，測量精度高。LMT70溫度-輸出電壓關系如圖3所示。

圖3 LMT70溫度-輸出電壓關系

1.4 步數測量模塊

MPU6050是一個整合性的6軸運動傳感器，它集成了16位的三軸加速度傳感器和16位三軸陀螺儀傳感器，可以分別監測到模塊的加速度和角速度。通過數據融合算法可以很好地解決組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，它的量程范圍較大，對角速度的感測范圍較為寬泛，數字運動處理引擎可減少復雜的融合演算數據、感測器同步化、姿勢感應等的負荷。通過確定歐拉角的基準軸，定義抬手角度為一步。手握陀螺儀擺臂行走，經實驗確定邁出一步手臂擺出的角度范圍并確定閾值，當擺動角度小于設定值并且降下的角度大于閾值，步數累加，距離等于0.55步數。這時與上次所存儲的加速度方向比較，若相同則舍棄；若相反則通過計步邏輯計步（此時剛過峰值），對峰值累加可得到運動步伐。由于人體正常抖動、低幅度、手抖或反復搖晃等原因，會對準確計步造成干擾。最后要通過去干擾，即給檢測加閾值和步頻判斷來過濾解決。

1.5 藍牙模塊

將HC-05藍牙串口通信模塊連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過藍牙連接與其他設備通信。模塊本身可以在主模式和從模式下運行，并且可以用于各種應用，例如：智能家居應用、遠程控制、數據記錄應用、機器人、監控系統等。當藍牙設備與藍牙設備配對連接成功后，可以忽略藍牙內部的通信協議，直接將藍牙當作串口用。當建立連接之后，2個設備共同使用一個通道也就是同一個串口，一個設備發送數據到通道中，另外一個設備便可以接收通道中的數據。

藍牙串口通信模塊具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環（Loopback）三種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據事先設定的方式連接數據傳輸；當模塊處于命令響應工作模式時能執行下述所有AT命令，用戶可向模塊發送各種AT指令，為模塊設定控制參數或發布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現模塊工作狀態的動態轉換。

2 軟件設計方案

2.1 主程序流程

本文總體設計程序流程如圖4所示。系統首先開始并初始化，采集信號（溫度數據、心電數據、步數與距離數據等），并判斷是否檢測到采集的數據，再通過數值計算及A/D轉換將數據通過藍牙無線發送至服務器端并顯示。

圖4 主程序流程

2.2 核心算法流程

2.2.1 心率檢測子程序

ADS1292啟動后，ADC初始化并開始采集信息，將檢測到的值經過計算并比較后，通過藍牙發送并顯示數值。ADS1292心電檢測流程如圖5所示。

圖5 ADS1292心電檢測流程

2.2.2 溫度檢測子程序

LMT70啟動并初始化后，進行采樣并判斷是否接觸物體，再將讀取的溫度值進行模數轉化，最后通過藍牙發送顯示端顯示。LMT70溫度檢測流程如圖6所示。

圖6 LMT70溫度檢測流程

2.2.3 運動檢測子程序

MPU6050啟動并初始化后，設定所需傳感器的范圍及系統時鐘，檢測人物是否運動，再通過計算獲得所需數值，最后通過藍牙發送至顯示端顯示。MPU6050陀螺儀運動檢測流程如圖7所示。

圖7 MPU6050陀螺儀運動檢測流程

3 結 語

本文針對缺乏運動量導致的肥胖問題、老年人的心率問題、運動狀態監測和熱量消耗問題、心率和運動量的測量問題、遠程服務器數據顯示問題等，設計一款基于藍牙無線傳輸的智能健康手環，能夠穩定采集和記錄使用者的心電信息、體表溫度和運動狀況，并通過藍牙模塊將測量數據實時傳送到手機APP以便觀察，起到了通過數據指導健康生活的作用。