基于人體運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

費(fèi)維科

（西安汽車職業(yè)大學(xué)，陜西西安，710038）

1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)采用STM32F103R開(kāi)發(fā)板為主控制器，結(jié)合芯片ADS1292、ESP8266WiFi串口通信模塊、串口屏以及供電裝置等構(gòu)成心電圖信號(hào)的采集及監(jiān)控。使用STC15W4k48S4為主控制器，結(jié)合溫度傳感器LMT70、模擬芯片ADS1115、加速度計(jì)傳感器mpu6050等結(jié)合Esp8266WiFi無(wú)線傳輸芯片、OLED顯示屏以及供電裝置等構(gòu)成用戶體表溫度、運(yùn)行等信息的采集以及監(jiān)控。通過(guò)Mpu6050監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的周期性變化，結(jié)合相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)計(jì)步和距離的統(tǒng)計(jì)，并轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)通過(guò)Esp8266進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)顯示。使用采用ESP8266wifi通信模塊為主控制器搭建服務(wù)器，“MERCURY”路由器搭建網(wǎng)關(guān)以及服務(wù)顯示端PC和供電裝置組成一套完整的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端設(shè)備，接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，上傳到路由器并轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器接收端，再結(jié)合算法處理數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)被測(cè)者身體信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并通過(guò)TTL轉(zhuǎn)USB串口輸出到電腦實(shí)時(shí)顯示。

■1.1 物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

■1.2 運(yùn)動(dòng)信息節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)基于加速度計(jì)等傳感器檢測(cè)使用者運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離的統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)STC15W4k48S4處理器IIC協(xié)議對(duì)于mpu6050加速計(jì)/陀螺儀傳感器信號(hào)的采集和處理，得到了3軸6向方位信息的原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中陀螺儀進(jìn)行的周期性的數(shù)據(jù)變化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算得到平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)周期脈沖輸出，并結(jié)合判斷算法進(jìn)行步頻和步數(shù)的計(jì)算，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)周期的變化角度值計(jì)算每一步的距離。通過(guò)STC15W4k48S4主控制器內(nèi)部自帶的TTL電平輸出，將數(shù)據(jù)進(jìn)行2路輸出，一路數(shù)據(jù)通過(guò)OLED顯示屏顯示在副屏上實(shí)現(xiàn)交互界面。另一路數(shù)據(jù)通過(guò)TTL串口傳輸至Esp8266WiFi無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行TTL轉(zhuǎn)WiFi信號(hào)，上傳至路由器網(wǎng)關(guān)。運(yùn)動(dòng)信息節(jié)點(diǎn)框圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)信息節(jié)點(diǎn)框圖

■1.3 體表溫度節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)基于LMT70傳感器檢測(cè)被測(cè)者體表溫度信息的統(tǒng)計(jì)分析，本設(shè)計(jì)中對(duì)LMT70輸出的模擬信號(hào)采用外部24位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADS1115芯片來(lái)處理，以實(shí)現(xiàn)信息的準(zhǔn)確性。STC15W4k48S4處理器使用IIC協(xié)議對(duì)于ADS1115轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的信號(hào)的進(jìn)行采集和處理，得到了原始的電壓數(shù)據(jù)信號(hào)，LMT70基于環(huán)境溫度的變化會(huì)呈現(xiàn)負(fù)比例的增長(zhǎng)，基于此特性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，得到平穩(wěn)的電壓信號(hào)輸出，體表溫度節(jié)點(diǎn)框圖如圖3所示。

圖3 體表溫度節(jié)點(diǎn)框圖

■1.4 心電監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

受疫情影響，人們?cè)絹?lái)越重視醫(yī)療健康，相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品也隨之推出。設(shè)計(jì)ADS1292芯片時(shí)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成SPI協(xié)議信號(hào)輸出并加入濾波Stm32f103rct6處理器使用SPI協(xié)議對(duì)ADS1292轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的信號(hào)的進(jìn)行采集和處理，得到了原始的電壓數(shù)據(jù)信號(hào)，由于次數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性無(wú)必要高，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)使用了卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理和計(jì)算，得到平穩(wěn)的電壓信號(hào)輸出，再次校準(zhǔn)調(diào)試，結(jié)合電壓轉(zhuǎn)換心率的算法最終輸出心電信息。心電監(jiān)控節(jié)點(diǎn)框圖如圖4所示。

圖4 心電監(jiān)控節(jié)點(diǎn)框圖

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

■2.1 心電信號(hào)的測(cè)量與分析處理

心電信號(hào)的測(cè)量是此項(xiàng)目最難的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。關(guān)鍵在于ADS1292模擬前端芯片（醫(yī)療級(jí)別ADC）的使用，結(jié)合電路原理圖，其中IN1P/IN1N IN2P/IN2N 是兩對(duì)模擬輸入，采用差分輸入以減小共模干擾，在它們輸入到MUX之前，還經(jīng)過(guò)了EMI濾波器。

程序中使用了DMA傳輸，CS片選信號(hào)需要在DMA傳輸完成之后置1，保證數(shù)據(jù)傳輸完成，若使用輪詢讀數(shù)據(jù)的方式則選用注釋掉的代碼。讀取到的數(shù)據(jù)是一補(bǔ)碼的形式存儲(chǔ)的，需要經(jīng)過(guò)處理再傳給上位機(jī)，為了數(shù)據(jù)的更加準(zhǔn)確與嚴(yán)謹(jǐn)，使用了卡爾曼濾波算法。同時(shí)為避免上位機(jī)不好處理24位的數(shù)據(jù)，在單片機(jī)程序中做了數(shù)據(jù)處理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是3字節(jié)的數(shù)據(jù)最高位（數(shù)據(jù)的24位）做了異或（^）處理。最終通過(guò)串口發(fā)送到屏幕以及Esp8266上。

■2.2 心電信號(hào)的測(cè)量方法

采用STM32系列單片機(jī)對(duì)于ADS1292模擬前端芯片的信號(hào)進(jìn)行讀取和處理，利用三對(duì)差分放大電路作為輸入，采集人體心肌收縮過(guò)程中釋放的生物電信號(hào)，配合醫(yī)用電極片進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，在心跳那一點(diǎn),電流最大,是個(gè)脈沖信號(hào),測(cè)量心電圖時(shí)用電極接在胸口,加濾波器去掉雜波,再加放大器發(fā)大電流信號(hào),最終進(jìn)行處理進(jìn)行心電信號(hào)的讀取，并且結(jié)合算法輸出平穩(wěn)的心電波形信號(hào)顯示在串口屏幕上。

測(cè)試濾波后心電波形如圖5所示。

圖5

■2.3 體表溫度的測(cè)量與分析處理

基于LMT70對(duì)于使用者體表溫度信息的監(jiān)控，由于LMT70對(duì)于環(huán)境溫度是有著電壓變化的特性，并且呈負(fù)比例系數(shù)變化，基于此特性，使用了一塊24位高精度ADS1115芯片對(duì)于測(cè)量溫度,加濾波器去掉雜波,再加放大器發(fā)大電流信號(hào),最終進(jìn)行處理進(jìn)行溫度信號(hào)的讀取，并且結(jié)合算法輸出平穩(wěn)的溫度信號(hào)。

德州儀器推出出的由于其出色的性能和穩(wěn)定的輸出及IIC方式的通信協(xié)議成為讀取LMT70模擬信號(hào)的不二之選，通過(guò)差分放大的方式讀取模擬電壓后進(jìn)行24位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再結(jié)合算法和標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。結(jié)合手冊(cè)提供的轉(zhuǎn)換的公式，“(-0.0000084515)*模擬電壓*模擬電壓+(-0.176928)*模擬電壓+204.393”處理器通過(guò)IIC協(xié)議接收到來(lái)之ADS1115的信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算處理，從而輸出高精度的溫度信號(hào)，通過(guò)TTL電平傳輸?shù)紼sp8266以及oled屏幕進(jìn)行顯示。

■2.4 運(yùn)動(dòng)量的統(tǒng)計(jì)

基于MPU6050加速度計(jì)對(duì)于使用者運(yùn)動(dòng)信息的監(jiān)控，基于人體運(yùn)動(dòng)時(shí)候是呈現(xiàn)一個(gè)周期性變化的規(guī)律，因此對(duì)于采取一個(gè)周期性的變化量來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，也就是計(jì)步的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于不同步伐的速率以及開(kāi)合角度不同的話，那么對(duì)于加速度計(jì)傳感器輸出信號(hào)也是有所不同的，因此可以達(dá)到計(jì)算距離的一個(gè)量的估計(jì)，最終進(jìn)行處理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息的讀取。并且結(jié)合算法輸出平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)信息，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理同時(shí)以Esp8266進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端和顯示在OLED屏幕上。如圖6所示。

圖6 計(jì)步和距離實(shí)時(shí)顯示

■2.5 電源

系統(tǒng)分體采用18650單節(jié)鋰電池供電，電路加濾波電路以及過(guò)充過(guò)放保護(hù)電路最大可輸出3A電流，電源可滿足需求。再通過(guò)線性降壓芯片AMS1117-3.3V 線性降壓模塊對(duì)于3.8V的電池電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓信號(hào)以供給MPU6050等設(shè)備供電。

3 程序設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)采用四套獨(dú)立的處理器進(jìn)行信號(hào)的采集發(fā)送以及接收處理顯示，其中溫度節(jié)點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)信息節(jié)點(diǎn)、心電監(jiān)控節(jié)點(diǎn)分別由三個(gè)處理器以及三個(gè)獨(dú)立的WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，由路由器網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，再由一套Esp8266模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收處理并通過(guò)串口顯示在PC端。

各模塊數(shù)據(jù)采集主流程圖如圖7所示。

圖7 各傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖

(1)STM32心電波形顯示心率計(jì)算

包括心率信號(hào)收集的硬件部分采用了ADS1292模塊、心電儀產(chǎn)生的心電信號(hào)收集與顯示以及IIR濾波處理與簡(jiǎn)單平滑處理的效果展示等。

(2)人體運(yùn)動(dòng)信息的采集

通過(guò)對(duì)非電量的測(cè)量，即把傳感器或傳感元件固定在被測(cè)物體上，將被測(cè)物體的力學(xué)參數(shù)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電量，然后放大器再將轉(zhuǎn)換的微弱的模擬電量放大并調(diào)理，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后進(jìn)行計(jì)算處理。原理框圖如圖8所示。

圖8 人體運(yùn)動(dòng)信息采集

4 測(cè)試方案和測(cè)試條件

■4.1 測(cè)試方案

(1)由心電基準(zhǔn)源輸出的心電波形與本項(xiàng)目方案的波形進(jìn)行比對(duì)和穩(wěn)定性測(cè)試，重復(fù)N次，記錄數(shù)據(jù)，在程序中進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)。

(2)人為干擾波形的顯示以及亂碼之后能否重新得到平穩(wěn)的心電信號(hào)測(cè)試，多次進(jìn)行測(cè)試，更換電極片之后數(shù)據(jù)能否平滑的輸出。

(3)由體溫計(jì)測(cè)量的體溫與本項(xiàng)目方案的體表信息進(jìn)行比對(duì)和穩(wěn)定性測(cè)試，重復(fù)N次，記錄數(shù)據(jù)，在程序中進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)。

(4)人為干擾溫度的顯示以及亂碼之后能否重新得到平穩(wěn)的溫度信號(hào)測(cè)試，多次進(jìn)行測(cè)試，更換測(cè)溫探頭之后數(shù)據(jù)能否平滑的輸出。

(5)由智能手環(huán)測(cè)量的體溫與本項(xiàng)目方案的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行比對(duì)和穩(wěn)定性測(cè)試，重復(fù)N次，記錄數(shù)據(jù)，在程序中進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)。

(6)人為干擾運(yùn)動(dòng)的顯示以及亂碼之后能否重新得到平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)信息測(cè)試，多次進(jìn)行測(cè)試，重新上電之后數(shù)據(jù)能否平滑的輸出。

■4.2 測(cè)試條件

體溫計(jì)、示波器、基準(zhǔn)源信號(hào)發(fā)生器、智能手環(huán)、TPC調(diào)試助手，串口調(diào)試助手。

圖9