1、基于 STM32 的远程人体参数采集系统设计 庄婧昱 刘忠富 大连民族大学信息与通信工程学院 摘 要： 日新月异的物联网应用及传感器技术, 为健康信息采集、人员药品识别、精确定位奠定基础, 使无边界感知医院和数字化智能医院成为可能。本文设计了一种基于物联网的远程人体参数采集系统。系统通过非接触采集人体的体温、脉搏、血压等信息, 通过蓝牙无线传输模块传送给 STM32 主控系统, 当人体的体温、脉搏或血压出现异常时, 通过 GSM 报警模块向监测者发送信息, 同时将数据上传至电脑中, 并利用可视化工具进行显示。关键词： STM32; GSM; 蓝牙; 红外非接触传感器; 作者简介：庄婧昱 (19
2、97-) , 女, 本科生, 主要研究方向:嵌入式系统开发;作者简介：刘忠富 (1973-) , 男, 硕士, 副教授, 主要研究方向:物联网技术。Email:收稿日期：2017-11-22基金：大连民族大学大学生创新训练项目 (201712026318) Design of long-range human body data acquisition system based on STM32ZHUANG Jingyu LIU Zhongfu College of Information Abstract： Fast changing Internet of Things applicati
3、ons and sensor technology lay the foundation for health information collection, personnel drug identification and accurate positioning, and are also possible to create non-boundary perception hospitals and digital intelligent hospitals. In this paper, a long-range human body data acquisition system
4、is proposed, which collects the data of body temperature, pulse and blood pressure in non-contact ways, and adopts Bluetooth as the communication module for sending data to the master chip-STM32. When the data of body temperature, pulse and blood pressure is out of range, this system could send alar
5、ms to the guarders by GSM, which is the alarming module. In the meantime, the system could upload the data to the computer and display the data with visual tools.Keyword： STM32; GSM; Bluetooth; infrared non-contact sensor; Received： 2017-11-220 引言近年来, 国内外已陆续开启了将远程监测应用在医疗的项目研究, 通过对人体各项生理参数进行采集和监护, 虽仍
6、有待深度研发, 但已然取得了可观成果1。如:北京市卫生局、Med Day 在中国成立了 1 个联盟, 旨在抗击公共卫生和慢性疾病的威胁。此联盟提出的解决方案就使患者无论身在城市或是乡村都能监测到自身的生理参数, 并可利用手机将注册的数据上传到主治医生或其他专业医疗人士。在此背景形势下, 本文将基于物联网技术实现设计研发。远程人体参数采集系统则配设有体温传感器、脉搏传感器、血压传感器等, 并通过微控制器来操纵处理这些传感器, 获得的数据就经由蓝牙、GSM 模块发送至互联网云端进行存储, 再利用可视化工具提供结果显示。针对这一课题内容, 本文将展开如下研究论述。1 系统总体方案设计本次设计下位机底
7、层传感器信息采集系统以 STM32F103C8T6 单片机为核心, 采集体温、脉搏和血压等人体参数, 通过蓝牙无线传输模块发送到数据处理中心。数据处理中心接收数据后进行分析处理, 当数据超出正常范围时, 就会通过GSM 将数据以短信方式发送到监护者手机中, 并在单片机触摸屏上显示出来, 同时还可在电脑的可视化界面中呈现分析数据。系统硬件框图如图 1 所示。图 1 系统硬件框图 Fig.1 Hardware block diagram of the system 下载原图2 系统硬件电路设计远程人体参数采集系统包括单片机最小系统电路、脉搏传感器电路、体温传感器电路、血压传感器电路、蓝牙传输电路、
8、GSM 无线传输电路。设计内容具体如下。2.1 单片机最小系统单片机最小系统中所采用的微控制器是 STM32F103C8T6。这是一款 STM32 系列单片机增强型的 32 bit 单片机, 具有丰富的外设配置和极高的可靠性。单片机最小系统时钟电路中外部晶振采用 8 MHz 的无源晶振, 电容采用 20 pf 的瓷片电容2。系统复位电路采用手动和上电复位, 便于调试。2.2 脉搏传感器电路容积法是一种针对人体组织中脉搏信号的无创检测方法。使用时, 将传感器固定在被测者的手指末梢来检测脉搏信号, 获取具有谐波特性的指端脉搏波。光源使用 515 nm 波长。当传感器的光电二极管发出一定波长的光束,
9、 照射到研究选取的人体血管末梢时, 照射光将穿透过人体的组织和外围血管, 至此光电接收器将感受到透射、反射的光。接收过程中随着人体动脉的周期性搏动, 电信号也将与之伴生周期性的变化。光接收器将接收光转换成周期变化的电信号, 并将信号送到滤波以及放大电路。通过这一系列的发送接收转换, 就可以测得人体脉搏的周期、即心率。脉搏传感器的电路结构如图 2 所示。过程中采用的绿色光线由二极管发射产生, 其选用型号为 AM2520。同时, 光接收器采用 APDS-9008, 其检测的峰值波长为 565 nm。频率主要集中在 0.5500 Hz 的范围, 但是却会有大于 50 Hz 的频率干扰, 因此研究中专
10、门设计了一个截止频率为 40 Hz 的低通滤波器来执行滤波3-5。此外, 还引入了一个放大电路来提高输出的模拟信号幅值。电压增益为 332 倍, 同时采用分压电阻设置了直流偏置, 部分电压信号为电源电压的 1/2, 使单片机的 A/D 能够有效采集到放大后的电压信号。图 2 脉搏传感器电路图 Fig.2 Pulse sensor circuit 下载原图2.3 体温传感器电路采用 MLX90614 非接触温度计模块。MLX90614 主要由红外热电堆传感器、低噪声放大器、16 bit A/D 转换器和 DSP 单元等组成6-7。其中, 红外热电堆传感器将采集到的红外辐射转化为电信号, 并经过低
11、噪声放大器放大后传送给A/D 转换器。模数转换器输出的数字信号经 FIR/IIR 低通滤波器调理后送入数字信号处理器, 再对数字信号运算处理后输出测量结果, 并保存在 MLX90614 内部 RAM 中, 可以通过 SMBus 或 PWM 方式供主控 CPU 单元引用读取。2.4 血压传感器电路本系统中, 血压采集电路主要分为模拟信号读取和 A/D 数据转换两个部分。在模拟信号读取部分中, 主要采用了 XGZP6847 气体压力电子血压计传感器, 传感器总共有 6 个引脚。其中, 2 号引脚和 4 号引脚接电源 3.3 V, 3 号引脚和 6 号引脚接 GND, 而 5 号引角是压力信号的模拟
12、输出信号。输出电压为 0.22.7 V, 对应血压是 0300 mm Hg8-10。2.5 GSM 无线传输电路GSM 模块电路为 SIM800A 芯片以及其外围电路, 凭借串口通信与微控制器间支持建立传输通信, 所以该芯片的 TX 与 RX 两个管脚连接到主控制器的 PA2 和PA3 引脚上, 由于该芯片的功耗较大, 研究后选取了 12 V 的独立适配电源。这里, 将给出 GSM 电路的整体设计如图 3 所示。3 系统软件设计系统采用的是 C 语言编程, 程序的编写重点在于各种传感器数据采集的函数算法和无线传输程序设计11-12。系统首先对单片机的串口、中断和显示模块进行初始化, 并不断对单
13、片机的各模块接口电路的 I/O 口循环指定检测。本系统软件设计分下位机信息采集部分和上位机数据接收和显示部分。设计过程实现可展示如下。3.1 下位机信息采集程序设计下位机信息采集程序设计主要包含了传感器程序设计、蓝牙程序设计、GSM 设计, 软件执行流程如图 4 所示。由图 4 可知, 底层信息采集程序设计的主要功能是把传感器的采集值, 在单片机的触摸显示屏上显示出来, 并能自动分析数据是否处于人体正常水平限度内, 若超出正常范围, 则通过 GSM 模块给监护人发送警告。此外, 还可利用蓝牙无线传输将数据传送到电脑中。图 3 GSM 电路图 Fig.3 GSM circuit 下载原图图 4
14、下位机信息采集流程图 Fig.4 Lower computer data acquisition flow chart 下载原图3.2 上位机软件流程图上位机软件采用 Labview。Labview 是一种程序开发环境, 一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。Labview 信息处理及程序显示软件部分主要功能是实现数据的整合处理并视觉显示在 Labview 界面上。如果判断到数据传输到串口 1 时, Labview 界面接收蓝牙传来的数据。研究得到上位机软件的运行流程则如图 5 所示。图 5 上位机软件流程图 Fig.5 Upper computer software flow c
15、hart 下载原图4 结束语本文将 STM32F103C8T6 单片机、GSM 无线模块、与红外无线体温传感器、脉搏传感器和血压传感器结合在一起设计研发了远程人体信息采集系统。该系统能对人体体温、脉搏和血压等基本人体体征进行实时而全面的检测, 并采用了较为先进的非接触式传感器, 具有方便、快捷、实用性好的优点。同时, 通过数据中心的处理与分析, 当人体体征超出正常范围时, 则会利用 GSM 无线传输模块发送警报短信, 实时提醒监护人。本系统性能可靠、扩展性强, 能有效地实现远程人体参数采集与监控功能, 具有一定的实用价值。参考文献1吴卿.基于 STM32 的健康监护系统的设计D.哈尔滨:哈尔滨
16、理工大学, 2016. 2邢丽华, 高志鹏, 吴茹石.基于 SPEAr320 和 STM32 的 GLC 设计J.工业控制计算机, 2014, 27 (1) :133-134, 136. 3李娜, 刘博涵.基于单片机的无线脉搏检测系统的设计J.电子世界, 2016 (11) :165. 4黄金池, 张少煌.一种基于光电传感器的指夹式脉搏检测装置J.传感器世界, 2014 (6) :38-41. 5仝兆景, 时俊岭, 李月, 等.基于无线通讯技术脉搏检测仪的设计与实现J.计算机测量与控制, 2017, 25 (1) :242-244. 6张玲娜, 李想.基于 MLX90615 传感器的人体非接触
17、式红外测温系统设计J.电子测试, 2014 (S1) :19-21. 7孙旭东, 张跃.基于 AD8232 和 MLX90615 的心电与体温测量系统设计J.传感器与微系统, 2014, 33 (9) :81-84. 8韩天.基于 GSM 无线远程通信的人体生理参数采集传输系统D.长春:吉林大学, 2011. 9甘亚晨.远程生理参数系统的血压测量方法研究D.重庆:重庆理工大学, 2015. 10刘锋.基于 Zig Bee 的人体生理参数采集和传输系统的设计和实现D.武汉:华中科技大学, 2011. 11陈丹丹.基于视频的非接触式心率测量研究D.广州:华南理工大学, 2016. 12陈晓丽.按键的多种状态检测及消抖处理方法J.家电科技, 2013 (4) :68-70.
