基于STM32的無線健康監測儀的設計與應用

毛舒誠　何風　謝沁洋　汪航　朱嘉文

摘要：結合2020年電子設計競賽A題“無線運動傳感器節點”和新冠肺炎疫情健康監測進行了思考，選擇采用STM32F103VC單片機，ADS1292和溫度傳感器LMT70設計制作無線健康監測節點，該節點能穩定采集和記錄使用者的心電信息（心率測量包括心電圖）和體表溫度信息，從而形成一個價格親民的小型健康監測儀。同時在保證心電、溫度測量精確的前提下，使用“互聯網+”對數據進行分析，通過藍牙將測量信息傳送到用戶手機，開發一個名為fitness的小程序。

關鍵詞：溫度測量；心電測量；單片機；無線；健康監測儀

中圖分類號：TP301? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）34-0081-04

1 引言

自從2019年，由新型冠狀病毒引發全球疫情之后，中國對于疫情制定了嚴格的措施，對于各地以及各種場合的體溫檢測提出了嚴格的要求。在一些場合中，如劇院、電影院等場所常常體溫不能精確，一旦發生疫情也難以根據已有的信息快速地追查到疫情發生的人。基于這種應用背景，提出了一種將基于單片機的健康監測系統，阿里云和微信小程序結合起來實現健康數據的實時共享。該系統可以通過單片機實現體溫和心電的準確測量，通過阿里云上傳健康數據，再通過微信小程序實現體溫與用戶一一對應的功能，同時設備在本地也顯示心電圖，心率和體溫這些檢測健康的數據。

2 系統總體方案設計

系統主要由6個部分組成：傳感器模塊、主控模塊、LCD—TFT顯示模塊、無線網絡模塊、阿里云物聯網平臺以及微信小程序。溫度檢測模塊以LMT70為核心，將檢測到的溫度信號送給STM32進行溫度的實時測量。STM32將得到的溫度數據通過Wi-Fi模塊ESP8266傳送給阿里云，阿里云與微信小程序之間建立連接讀取溫度數據。在本地，通過ADS1292實現心電圖和心率的測量。

3 系統硬件設計

3.1 單片機最小系統設計

主控制系統選用STM32F103單片機。該單片機使用ARM的Cortex-M3架構。擁有優秀的實時性能，杰出的功耗控制，較小的體積是這次項目的較好選擇。單片機最小系統如圖2所示。

STM32F103外圍核心配置：

3.2 溫度模塊

在溫度測量方面，使用的測溫芯片為LMT70，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。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 [1]，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。LMT70傳感器通過輸出模擬信號，單片機接受模擬信號，進行AD轉換來完成對于溫度的測量[2]。LMT70在測量人體表面溫度時也可以擁有良好的誤差范圍。20°C 至 42°C 范圍內為 ±0.05°C（典型值） 或±0.13°C（最大值）。引腳說明：VCC為3.3V供電，TAO為模擬電壓值的輸出口。LMT70溫度測量電路如圖4所示[3]。

模塊與單片機的引腳的連接為： VCC——3.3V；TAO——PC4；GND——GND；TON——VCC。

3.3 心電模塊

ADS1292采集到信號之后，利用FIR濾波器濾波形成心電圖，并且測量心率。選用的ADS1292模塊是多通道同步采樣 24 位 Δ-Σ 模數轉換器 （ADC），它們具有內置的可編程增益放大器 （PGA）、內部基準和板載振蕩器[4]。包含便攜式低功耗醫療心電圖 （ECG）、體育和健身應用通常所需的所有功能。ADS1292電路原理圖如圖5所示。該模塊與單片機的引腳的連接為：PW——PA0；START——PA1；CS——PA2；DRDY——PA3；SCLK——PA5；OUT——PA6；IN——PA7；5V——VCC；GND——GND。

3.4 無線網絡模塊

系統選用ESP8266作為無線網絡的解決方案。ESP8266作為無線上網接入承擔Wi-Fi適配器的任務時，可以將其添加到任何基于微控制器的設計中，連接簡單，占用單片機IO資源較少。ESP8266電路原理圖如圖6所示。模塊與單片機的引腳的連接為：VCC——3.3V；GND——GND；RESET——PA4；RX——PB10；TX——PB11。

3.5 阿里云物聯網模塊

Topic是消息發布（Pub） 者和訂閱（Sub） 者之間的傳輸中介。設備可通過Topic實現消息的發送和接收，從而實現服務端與設備端的通信。阿里云通過與單片機程序中內寫好的MQTT協議中，使用相同TOPIC屬性類，就可以實現使用MQTT協議來進行需要數據的傳輸。

同時物聯網平臺要將獲得的數據發送到手機客戶端中，因此需要啟用云產品流轉，使得單片機上傳的數據可以傳輸到手機客戶端中。因此手機，客戶端中也需要設置好相同的訂閱和發布主題。然后設置好云產品流轉的規則，就可以實現數據的流轉。

4 系統軟件設計

系統軟件設計包括溫度測量模塊、心率測量模塊、小程序設計模塊、網頁設計模塊以及傳感器模塊，主控模塊，LCD—TFT顯示模塊，無線網絡模塊。系統主函數軟件流程如圖12所示。

4.1 心率測量函數

ADS1292采集到的信號首先用STM32公司提供的DSP庫進行FIR濾波處理，獲得數據。計算心率的方法為：首先，尋找數據中的最大值和最小值。然后在每次采集的樣本中，尋找峰值，并且計數。最后將次數乘以一分鐘內采樣的次數就可以得到一分鐘的心率[5]。將得到的數據，顯示在LCD-TFT屏幕上以及通過ESP8266發送到阿里云物聯網平臺。心率測量函數流程圖如圖13所示。

4.2 溫度測量函數

T = a * Covert * Covert * Covert / 1000000000 + b * Covert * Covert / 1000000 + c * Covert / 10 + d * 100;? （a = -1.809628;b=-3.325395;c=-1.814103;d=2.055894;）

此公式為LMT70數據手冊的提供的模擬電壓與溫度之間的函數關系。所以要對LMT70輸出的實際模擬電壓值進行校準，因此采用均值濾波的方法[6]。計算得出的電壓值在代入公式中，最后將數據顯示到LCD—TFT的屏幕上。溫度測量函數如圖14所示。

4.3 無線網絡模塊函數

首先將需要連接的Wi-Fi的SSID和PASSWORD輸入，讓ESP8266連接上WIFI。然后將MQTT協議的緩沖區初始化用于接收和發送數據。根據阿里云物聯網平臺的說明中，設備連接上平臺要在程序中編寫好阿里云物聯網平臺項目中提供的設備三元組ProductKey、DeviceName和DeviceSecret。通過MQTT協議實現與阿里云物聯網平臺的互聯網的通信。無線網絡模塊函數流程圖如圖15所示。

4.4 小程序設計函數

小程序通過設備三元組ProductKey、DeviceName和DeviceSecret與阿里云平臺建立連接，然后通過mqtt透傳協議（基于發布/訂閱范式的消息協議）實現數據傳遞，設備連接上會顯示訂閱成功。接著小程序會進行接受消息監聽，對傳遞來的json數據進行解構，讓數據顯示屏幕上，最后關閉連接通道，對mqtt連接參數初始化。小程序流程圖如圖16所示。

4.5 網頁設計函數

網頁設計流程圖如圖17所示。

5 系統測試與實際應用

5.1 心電測量

將標準血壓計與系統心電測量的心率數據進行對比多人次測量數據如表1所示。由表1 中可以看出，與標準血壓計測得數據對比，最大誤差值小于2.15，達到了本次設計要求。數據傳輸到小程序如圖18所示。

5.2 體表溫度測量（單位：℃）

用實做電路與標準溫度計放置于同一測試點，通過進行多次或 者對多人測量，測量數據如表 2 所示。從表 2 中可以看出，最大誤差為 0.2°C，在 35 ～ 36°C 范圍內，正負誤差不超過 0.2°C，達到本次設計要求。數據傳輸到小程序如圖19所示。

5.3 系統實際應用

系統在保證心電、溫度測量精確的前提下，使用“互聯網+”對數據進行分析，通過藍牙將測量信息傳送到用戶手機，并開發一個名為fitness的小程序（由于考慮到服務器的費用租賃問題與開發難度問題，開發團隊最終選用小程序）。小程序中包含健康、商城、閱讀和我的四個板塊。將根據用戶的溫度和心率情況，形成健康報告，在閱讀和商城中進行個性化推送。健康報告中溫度模塊可實現基礎溫度測量，并且生成溫度檢查報告。同時若有溫度異常可以實現溫度異常篩查，并且形成反饋提示報告。后期將拓展為紅外測溫，可在實名制測溫場合推廣運用。心電模塊測量心率及形成心電圖，并且以此形成簡易心電圖報告。根據心電圖以及心率，進行簡單分析，形成初步心臟健康情況報告。不僅如此，根據心率變化可了解到睡眠情況，進行分析，針對疲勞進行監控，形成適當提醒。除此以外，還針對心率進行創新，依據心率變化可推廣形成戀愛鈴、測謊儀等，都是依據心率變化進行分析，如當心跳在不受外界干擾的情況下明顯自發加快，可初步判斷為心動等，戀愛鈴進行提示，響鈴。

6 結束語

本文對無線傳感器運動節點的設計進行了硬件分析，同時將測量數據無線傳輸到用戶手機上實現實時健康監測。通過后期的完善，可形成價格親民的小型健康監測儀器并推廣使用，使更多的人意識到健康監測的重要性并且可以實現實時健康監測。

參考文獻：

[1] 孫弋婷，翁欣濛.基于STM32單片機的無線運動傳感器節點設計[J].電子制作，2021（15）：11-13，28.

[2] 張其，袁縱橫，梁丁，等.基于MPU6000的低功耗無線人體傳感器網絡節點設計[J].計算機測量與控制，2014，22（2）：539-541，547.

[3] 盧宇杰，楊啟堯，許延棋，等.可穿戴多功能無線運動傳感器節點的設計與實現[J].自動化應用，2021（10）：147-151.

[4] 芮浩暉.無線運動傳感器節點設計[J].中國寬帶，2021（9）：111.

[5] 袁家寶，黃堂森，潘學文，等.運動傳感器節點設計[J].信息技術與信息化，2021（4）：160-162.

[6] 張建乾.基于單片機的無線溫度采集系統[J].現代工業經濟和信息化，2021，11（9）：86-88.

【通聯編輯：梁書】