基于Zigbee 的運動健康監測系統的設計

龐慶澳，董國慶，于溢文，趙燕峰，董泮元，倪秉軒，李猛

（天津職業技術師范大學，天津，300222）

0 引言

隨著人們健康意識的提高，運動健康受到越來越多的人青睞，運動健康監測也到人們較廣泛的關注。人們可以通過醫院的各種精密的測試儀器來進行定期的健康狀況的檢測，但在日常生活中卻難以隨時使用特定的醫療檢測設備。穿戴式能在不依賴于特定的醫療環境及復雜的醫療儀器下實現人體健康監測，有著重要的研究及應用價值。

本文設計的基于Zigbee 的運動健康監測系統采用終端交互及無線數據傳輸的方式，基于STM32 單片機和Zigbee通 信， 通 過DHT11、LM75B、MPU6050、JFC103、NFC和Zigbee 模塊組網的實踐以及各種通信技術的調試和配合來實現多參數、多用戶終端的生命指征參數的采集、分析和傳輸，實現數據監測、數據保存、數據異常報警等功能。

1 系統總體設計

系統的設計主要包括穿戴式健康數據采集終端以及智能監測終端兩大部分，分別用于體征的采集與傳輸匯總等功能；系統在使用時為對應不同用戶可分為單人模式和群體模式，用于個體用戶和群體用戶；采集到的生理體征數據通過用戶終端傳輸到平臺中心進行數據的分析。系統原理方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統原理方案框圖

上位機終端設計基于串口數據顯示窗口，將多路Zigbee上報數據進行整合，顯示在相應的窗口中，同時跟NFC 刷卡模塊的配合實現學生的ID 綁定。

上位機的數據接收通過接收模組的TTL 模塊接入電腦來實現，集成的NFC識別模塊可識別學生的一卡通，通過上位機的編程可讀取一卡通的ID，以此來對應實現錄入的學生的姓名班級等信息。其中有Zigbee 的接收端，用于接收各路Zigbee 的數據上傳。

穿戴式數據采集終端上電后，通過邏輯主控讀取傳感器工作的返回值完成系統自檢，若自檢不通過會進行語音報警提示；自檢完成后，各傳感器將采集的數據匯總后通過Zigbee 無線通信模塊發送給上位機。

2 系統硬件設計

系統的硬件接線示意圖如圖2 所示。

圖2 系統的硬件接線示意圖

■2.1 控制器模塊

基于Zigbee 的運動健康監測系統選用STM32F103 C8T6 單片機作為系統的控制核心，STM32F103C8T6 是一款微控制器單片，該處理器有較高的工作頻率，功能強大的定時器外設以及豐富的I/O 外設接口、多種通信接口等，其性能滿足了我們的需要，其實物圖如圖3 所示。

圖3 主控開發板實物圖

■2.2 傳感器模塊

傳感器模塊實現對穿戴者在運動過程中人體生理參數的采集確定人體血氧、體溫、心率、血壓以及運動步數。主要包括JFC103 心率血壓模塊、MPU6050 姿態傳感器、LM75B 體溫傳感器、DHT11 環境溫濕度傳感器，不同類型的傳感器通過相對應的數據傳輸協議與STM32 處理器進行連接，實現數據的整合、處理和發送。

2.2.1 JFC103 生理參數傳感器

JFC103 是一款多光譜生理數據測量模塊，實物如圖4所示。采用觀點容積脈搏波描記法，如圖5 所示，可準確測量脈搏波形、心率數值、血氧和血管微循環參數等信息。模塊結合特有的信號調理技術和算法，直接輸出脈搏波形、心率數值、血氧值和血管微循環參數，大大降低了系統復雜程度，且模塊靈敏度和信噪比在同類產品中得到大幅提升。在精準醫用的同時，還具備超小體積和超低功耗的特性，提升了智能穿戴設備的續航時間和外觀設計的靈活性。

圖4 JFC103 傳感器實物圖

圖5 光電容積脈搏波描記法

圖6 MPU6050 實物圖

2.2.2 MPU6050 姿態傳感器

MPU-6000（6050）的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000 與±2000°/sec (dps)，可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g、±8g 與±16g。產品傳輸可透過最高至400kHz 的I2C。 單片機獲得角速度和加速度后通過積分可獲得角度和里程，再參考人體運動的具體特征值，進行數據融合后獲得較為準確的步數與里程。

2.2.3 LM75B 溫度傳感器

LM75B 溫度傳感器包含一個模/數轉換器和一個數字過熱檢測器。主機可通過器件的I2C 接口隨時查詢LM75B，讀取文書數據。當溫度超出可編程溫度門限值，漏極開路過熱報警輸出（OS）將吸入電流。OS 輸出具有2 中門限（T-OS）和滯回溫度（T-HYAST），溫度低于滯回門限時解除報警條件。此外3.0V~5.5V 供電電壓范圍、低電源電流以及穩定的I2C 接口是的LM74 成為該項目獲取體溫數據的理想選擇。

2.2.4 DHT11 溫濕度傳感器

DHT11 溫濕度傳感器使用單總線與單片機通信，具有占用資源少，編程實現簡單，有較高的可靠性和穩定性的特點，超小的體積和極低的功耗使系統集成變得簡易快捷，成為該項目獲取環境溫濕度的理想選擇。

■2.3 人機交互模組

加入人機交互設計，用戶可對設備報警閾值進行設定（如體溫、心率、血氧、步數），同時將設定值存儲于備份寄存器中，保證二次開機后與原設定值一致。當傳感器采集到不在閾值范圍的異常值時可通過語音播報模塊的播報來提示用戶。該模組由OLED 顯示屏、EC11 編碼開關、MY1690-12P 語音播報模塊組成。

2.3.1 OLED 顯示屏

使用1.3 寸的SSD1306 為主控的OLED 顯示屏作為數據查看、參數設置的顯示平臺。OLED 屏幕具備自發光、不需要光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應快、使用溫度范圍廣的特性，符合本項目的使用要求。

2.3.2 EC11 旋轉編碼開關

使用EC11 作為人機交互的輸入設備。EC11 編碼開關可輸出兩組方波A、B 相，及按壓時輸出特定電平。通過主控判定輸出脈沖數及兩相順序可識別編碼開關的轉向及變化值，從而對設定值及參數界面進行調整。可靠耐用，滿足使用要求。

2.3.3 MY1690-12P 語音播報模塊

使用MY1690-12P（如圖7）作為人機交互系統的語音輸出端，MY1690-12P 是一款小巧的微集成MP3 模塊，采用MY1690-SOP16 MP3 主控芯片，支持MP3、WAV 格式雙解碼。模塊最大支持32G TF 卡；也可外接U 盤或USB數據線連接電腦更換SD 卡音頻文件。該模塊內置3W 功放，可以直接驅動3W 的喇叭，使用更方便。

圖7 MY1690 播報模塊

■2.4 NFC 識別單元

為滿足集體運動監測的要求，使用NFC 識別模塊來進行身份信息的識別，即該功能可滿足學生體育課使用學生卡錄入信息的情況，通過上位機編程將識別的數據進行甄別后通過Zigbee 模組發送給PC 上位機，以實現監控對象的生理參數與身份信息相對應。演示如圖8 所示。

圖8 NFC 刷卡與綁定

3 系統軟件設計

基于Zigbee 的運動健康監測系統的軟件設計時在硬件系統的基礎上通過軟件程序的設計調試，實現運動健康系統的人體生理參數準確提取、多參數信號模式的穩定性。系統設計包括穿戴式終端信息采集系統、人機交互系統和上位機系統三部分內容。

■3.1 穿戴式終端信息采集系統軟件設計

穿戴式終端信息采集系統負責終端設備的生理參數及其他運動參數的信息采集，采用C 語言進行程序編寫，作為固件燒錄于單片機中，該系統采用I2C 通信串口通信，在保證運行可靠性的同時，盡可能地減少空間的占用，并能夠以高傳輸速率支持多個組件。

■3.2 人機交互系統軟件設計

人機交互系統分為穿戴式終端信息采集系統交互以及上位機終端交互兩種。

(1)穿戴式終端交互系統：設計嵌入到穿戴式終端信息采集系統中，經過對系統優先級的優化調試，充分利用了單片機外部中斷功能，使得控制菜單動作響應迅速可靠，減少對信號采集的不良干涉。使得信息采集和交互能獨立運行，提高其穩定性。

(2)上位機終端交互系統：當刷入學生一卡通后，學生的班級姓名等信息即可顯示在相應窗口中，完成交互；當數據監測過程中存在異常數據，界面的指示燈會進行提示，后臺會對異常數據進行存儲。

■3.3 上位機系統軟件設計

上位機系統主要包括穿戴終端界面、報警數據界面、成員ID 信息顯示界面及后臺異常數據記錄界面等。考慮到組態軟件在網絡通信及實時性等方面的局限性，采用可視化集成開發工具QT5.11 進行開發。上位機平臺組件如圖9 示。

圖9 上位機平臺組件構成

系統開機使用時首先打開上位機的綁定任務欄。將TTL模塊的通訊通道調到NFC 模式后刷入學生一卡通，將出現圖10 所示，系統讀取一卡通ID，自動將綁定所需的信息（班級、姓名等）顯示至綁定窗口和任務檢測窗口，如圖11 所示。

圖10 上位機與手環的綁定

圖11 上位機平臺監控界面

成員信息錄入完成后，將接收端TTL 通訊線路切換到Zigbee 模式，將對成員的生理健康信息進行檢測，異常數據報警，以及數據存儲登錄功能。

上位機平臺監控界面如圖11 示。

4 結束語

本文提出一種可用于學生體育課集群監測的運動健康監測系統，設計基于32 位單片機及Zigbee 組網，綜合運用嵌入式相關的傳感器數據采集、高效的結構化程序設計、NFC 識別、上位機前端開發等技術來實現多用戶終端、多種指征參數的采集、邏輯處理和無線組網傳輸，以及數據平臺監測、異常數據保存報警等功能。