群體運動(dòng)生理參數監測手環(huán)設計

為監測運動(dòng)中運動(dòng)者的心率、血氧飽和度以及血壓異常情況，確保運動(dòng)者在運動(dòng)中的安全，本文設計一款群體運動(dòng)生理參數監測手環(huán)。通過(guò)手環(huán)設置心率、血氧飽和度以及血壓的安全閾值，獲取被監測人員在運動(dòng)過(guò)程中心率、血氧飽和度以及血壓的數據，如檢測到生理參數數據在安全閾值之外的情況，手環(huán)給出聲光報警以及震動(dòng)提示，警示被監測人員及時(shí)作出緩解調整，同時(shí)將所采集到的所有數據信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸匯總至上位機，在遠程監測系統中接收數據信息進(jìn)行信息的記錄與分析，監管人員進(jìn)行數據分類(lèi)及健康評估，給出健康狀態(tài)評估結論。當出現非健康狀態(tài)時(shí)，發(fā)出警示提示或救援信息和警報等。

1   總體設計方案

下位機硬件設計以STM32 作為主控器件，連接無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)出端、生理參數檢測模塊、電源模塊、顯示模塊、蜂鳴器。其中生理參數檢測模塊采集人體的三維生理參數，通過(guò)串口傳輸給STM32，并將監測到的多項生理參數信號轉化為數字信號并打包，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)出端傳輸至電腦端進(jìn)行記錄處理；顯示模塊進(jìn)行顯示；當檢測的數據超出閾值范圍，LED 與蜂鳴器進(jìn)行聲光報警。上位機監控端配置好相應的波特率后，能夠讀取到無(wú)線(xiàn)通信模塊接收端的數據包數據，再將數據導入軟件進(jìn)行健康狀態(tài)評估及顯示。

2   系統硬件設計

2.1 STM32最小系統模塊電路設計

主控器件是系統中最為關(guān)鍵的模塊，需要較小的體積、較低的功耗和較強的性能，STM32 系列單片機是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專(zhuān)門(mén)設計的嵌入式控制器。綜合考慮本次設計群體運動(dòng)生理參數監測與健康狀態(tài)評估系統選用STM32F103RCT6 處理器，其主要功能是將傳感器測得的數據進(jìn)行處理、分析以及警報，并將多項生理參數數據打包通過(guò)串口無(wú)線(xiàn)透傳通信發(fā)送給上位機。

2.2 生理參數檢測模塊的設計

JFH111 生理學(xué)參數測試模塊是一種新型的多譜生理測量模塊，采用前端傳感器技術(shù)，可以使模塊的靈敏度、信噪比大大提高，同時(shí)具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。JFH111的生理指標檢測裝置是根據 PPG 的光電體積脈搏波描記法和非貫穿式血壓法的模糊存儲法為基本原理，能夠精確地記錄脈搏波形、心率、血氧飽和度、血壓等信息。本系統為一種能精確測量脈搏、心率、血氧值及微循環(huán)的多光譜生理數據采集模塊。該系統僅需要與該模塊進(jìn)行串口通訊，并能直接獲取測試數據。同時(shí)，本系統具有體積小、功率消耗低等特點(diǎn)，提高了手環(huán)的使用壽命。STM32 主控制器采用串口與模塊通訊，并能直接從數據包中獲得測量結果，一定程度上降低了人體運動(dòng)狀態(tài)下多項生理參數異常監測報警系統的復雜程度。JFH111 生理參數檢測模塊還配有上位機監測軟件。

2.3 無(wú)線(xiàn)通信模塊電路設計

無(wú)線(xiàn)通訊模塊采用了HC-12 型無(wú)線(xiàn)433 型，采用TTL 級與STM32 直接進(jìn)行數據交互，采用無(wú)線(xiàn)電波傳輸至 PC。MCU或者 PC端通過(guò) TXD接口傳輸串口數據，RXD 接口接收到串口數據，然后將數據傳輸給無(wú)線(xiàn)通訊模塊，由 TXD 接口恢復到MCU 或者PC 端的串口。HC-12 模塊是在半雙工通訊中替代實(shí)體連接的。各模組之間僅能在半雙工模式下工作，無(wú)法同時(shí)接收和接收資料，但也可以在特定條件下進(jìn)行逆向操作。

2.4 顯示模塊電路設計

該系統使用了0.96 英寸的7 線(xiàn)OLED 顯示屏，并通過(guò)SPI 通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。SPI 是串行外部設備的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是一種高速、全雙工、同步的通訊總線(xiàn)，它的插腳僅有4 條，既節省了插頭，又節省了PCB 的空間和便利，因此，許多芯片都采用了SPI。OLED 常用的通信有IIC 通信，但由于本系統需要讀取的數據較多而IIC 通信方式采用2 條數據線(xiàn)，通信數據較慢，SPI 通信方式采用四條數據線(xiàn)，通信數據較快。在本系統中采用的是模擬SPI，即使用GPIO 端口模擬SPI 總線(xiàn)與SSD1306 總線(xiàn)進(jìn)行通訊。

2.5 其他模塊電路設計

2.5.1 電源模塊電路設計

正確可靠的電源模塊關(guān)系到整個(gè)系統的性能，本系統采用的電源管理模塊使用1 S 鋰電池作為系統電池，該電池標準電壓為3.7 V，經(jīng)過(guò)電源管理模塊升壓后輸出5 V 為系統供電。在模塊內部采用了電容為電源信號進(jìn)行濾波，保證電源供電質(zhì)量，同時(shí)在電路中設計了自恢復保險絲電路以及齊納二極管電路保障電源后級芯片電路的安全。

2.5.2 蜂鳴器電路設計

STM32F103RCT6 主控的I/O 口最大可以輸出的25 mA 電流，而蜂鳴器需要30 mA 的電流才能夠進(jìn)行發(fā)聲。因此運用NPN 三極管來(lái)升高電流進(jìn)而驅動(dòng)蜂鳴器，為了防止蜂鳴器誤發(fā)聲，在三極管的基極與發(fā)射極之間用1 個(gè)10 k 的電阻進(jìn)行連接，同時(shí)發(fā)射極接地。當與STM32 連接的I/O 口輸出高電平的時(shí)候，蜂鳴器將發(fā)出聲音表示報警，當輸出低電平的時(shí)候，蜂鳴器停止鳴響。

3   系統軟件設計

3.1 總體軟件設計方案

群體運動(dòng)生理參數監測手環(huán)主程序流程圖如下圖所示。啟動(dòng)后系統上電并進(jìn)行初始化，初始化函數主要包括對系統時(shí)鐘配置和延時(shí)函數的初始化、OLED、蜂鳴器、LED、無(wú)線(xiàn)通信模塊和檢測模塊的串口、定時(shí)器以及中斷優(yōu)先級的初始化。初始化完成后，先進(jìn)入傳感器掉線(xiàn)檢測子程序判斷JFH111 生理參數檢測模塊是否檢測到人體生理參數，如果長(cháng)時(shí)間未檢測到生理參數檢測模塊有數據傳給STM32，則表示為掉線(xiàn)，有聲光警報提示，如果生理參數檢測模塊，JFH111 檢測模塊將檢測的數據反饋給STM32 處理，由STM32 處理數據后在OLED 上進(jìn)行顯示，如若檢測到的人體運動(dòng)狀態(tài)下某一項生理參數數據超出提前設定好的閾值范圍則進(jìn)行聲光報警，并將異常數據和被監測者信息無(wú)線(xiàn)傳輸至上位機進(jìn)行顯示。

3.2 生理參數檢測子程序

生理參數檢測過(guò)程可分為兩部分，首先判斷傳感器是否能夠正常工作，當檢測到傳感器能夠正常進(jìn)行數據檢測時(shí)，再對其檢測到的數據進(jìn)行解析讀取。

本系統所采用的JFH111 檢測模塊通過(guò)串口將采集到的生理指標信息傳輸給STM32，由于檢測所需要一定的緊密性，需要在檢測前判斷傳感器與STM32 單片機是否正常連接，未連接時(shí)系統通過(guò)LED 及時(shí)報警。

由于血壓數據更新較慢，僅利用心率和血氧飽和度數據是否采集進(jìn)行傳感器掉線(xiàn)檢測。設置傳感器在線(xiàn)檢測標志位，1 為在線(xiàn)，0 為掉線(xiàn)。系統開(kāi)啟后，將皮膚與傳感器接觸，開(kāi)始檢測心率和血氧飽和度，當檢測到心率和血氧飽和度的數據有一方為0，就開(kāi)始掃描計數，當計數超過(guò)50 時(shí)，判定傳感器掉線(xiàn)，進(jìn)行聲光報警，否則判斷為傳感器在線(xiàn)，進(jìn)入數據解析子程序。JFH111 生理參數檢測子程序流程如圖3 所示。

3.3 警報子程序

警報功能體現在檢測傳感器是否掉線(xiàn)以及閾值超值報警兩個(gè)方面。系統開(kāi)始工作后，LED、蜂鳴器均進(jìn)行初始化，首先判斷JFH111 檢測模塊是否連接成功，如果JFH111 檢測模塊連接成功，則允許繼續進(jìn)行數據檢測，若JFH111 檢測模塊掉線(xiàn)LED 變亮，呈黃色燈光并慢閃的形式，同時(shí)蜂鳴器斷續發(fā)聲。在檢測生理參數的過(guò)程中，若參數在設定的閾值內，則表示健康狀態(tài)，LED 亮綠色并慢閃，蜂鳴器不發(fā)聲，若檢測到的參數超出閾值，表示非健康狀態(tài)，LED 亮黃色并快閃，蜂鳴器長(cháng)鳴。

4   系統測試

本系統的數據檢測也較為穩定、準確，能夠在5 s左右檢測并顯示心率、血氧飽和度以及血壓的數據，對比1 min 內靜態(tài)狀態(tài)下以及運動(dòng)狀態(tài)下的檢測數據如表1 和表2 所示。

根據上述表格可以得出本系統檢測到的數據滿(mǎn)足靜態(tài)心率在60~100 次/min，運動(dòng)時(shí)的心率在100~150次/min； 血氧飽和度檢測數據在95% 以上； 高壓90~140 mmHg，低壓在60~90 mmHg。因此本系統檢測到的數據具有準確性和穩定性。

5   結束語(yǔ)

本文對群體運動(dòng)生理參數監測與健康狀態(tài)評估系統的開(kāi)發(fā)與設計和實(shí)現進(jìn)行了相關(guān)的研究和分析。進(jìn)行了群體運動(dòng)生理參數監測與健康狀態(tài)評估系統的總體方案設計。將系統硬件部分分解成多個(gè)硬件模塊組合，有STM32F103RCT6 最小系統、電源模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、生理參數檢測模塊、顯示模塊和報警模塊。完成硬件搭建后，進(jìn)行系統軟件程序的編寫(xiě)說(shuō)明，完成了JFH111檢測模塊掉線(xiàn)檢測子程序、閾值設置子程序、警報子程序以及無(wú)線(xiàn)通信子程序的流程設計。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）