胡文馨黎 豪張雁寧張 薇胡 宇（.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 600；.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院， 四川 綿陽 600）

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基于STM32的可穿戴式手表

胡文馨1黎 豪2張雁寧2張 薇2胡 宇2
（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院， 四川 綿陽 621010）

摘 要：基于STM32單片機(jī)的可穿戴式手表能檢測環(huán)境信息，以防家中的老人發(fā)生意外；檢測老人的血壓、脈搏，使老人獲取自己的身體狀況；自動提示老人吃藥和鍛煉的時間，解決老人的生活難題；利用GSM模塊，能將老人的健康狀況能及時地反饋給家屬。該設(shè)計(jì)成本較低，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對較為容易，易于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)群體的健康監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；環(huán)境檢測；生理健康監(jiān)測

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及工作原理

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)“基于STM32的可穿戴式手表”是為用戶提供根據(jù)采集到的用戶生理信息進(jìn)行反饋的監(jiān)測設(shè)備。系統(tǒng)可對外界環(huán)境的溫濕度、溫度進(jìn)行監(jiān)控，以STM32、溫濕度傳感器和GSM/ GPRS模塊的算法為核心，以鋰電池為電源部分。對于人體多項(xiàng)生理信息監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)，選用STM32單片機(jī)，使用DHT11溫濕度傳感器準(zhǔn)確檢測到環(huán)境的溫度、濕度的信息；使用MQ-2煙霧氣敏傳感器探測室內(nèi)的液化氣、丁烷、丙烷、煙霧等氣體的泄露；通過BP300TUS9116-00壓力傳感器檢測老人的血壓；通過pulsesensor心率傳感器檢測老人的脈搏；同時將信息反饋給單片機(jī)進(jìn)行處理。通過SPI控制DS1302時鐘芯片，達(dá)到鬧鐘功能，在日常生活使用時，事先設(shè)定時間，手表將會根據(jù)時間設(shè)置，提醒老人吃藥時間和鍛煉時間；通過GSM模塊，當(dāng)老人的身體狀況不佳，腕表將以短信的方式把老人的身體信息發(fā)送給家屬。

圖1 GSM短信發(fā)送流程圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度采集模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器能輸出數(shù)字信號的溫濕度。傳感器包括電阻式感濕元件和NTC測溫元件，與高性能8位單片機(jī)相互連接。該傳感器具有體積小、功耗低、極強(qiáng)的抗干擾能力和超快的響應(yīng)速度的特點(diǎn)，因而性價比極高。但是溫度的精度不高，誤差是±2℃，范圍為0℃～50℃。

2.2 脈搏信號處理模塊

首先傳感器通過電極提取心電和脈搏信號，前置放大器放大后通過濾波電路濾除干擾信號。留下的心電信號通過50Hz陷波器，濾除工頻干擾，最后后置的放大器將信號的幅值放大直到后續(xù)電路所需要的信號幅值大小。心電信號的頻率在100Hz以下，通過低通濾波電路把高頻的干擾信號濾掉；高通濾波電路濾除直流分量等低頻干擾信號；陷波電路需要滿足后續(xù)電路數(shù)字處理電路需要V量級的信號幅值。

2.3 時鐘模塊

DS3231時鐘模塊包含集成的溫補(bǔ)晶振和晶體，具有低成本、高精度的特點(diǎn)。該模塊的電池輸入端保證了斷開主電源時仍可保持精確的計(jì)時。集成晶振使得器件的長期精確度提高，元件數(shù)量減少。

2.4 火焰模塊

紅外火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y到的紅外光的波長在700納米～1000納米范圍內(nèi)，探測角度為60°，紅外光波長最大靈敏度的位置在880納米附近。遠(yuǎn)紅外火焰探頭能夠使得外界的紅外光變化與電流變化相互轉(zhuǎn)換，再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～255范圍內(nèi)的數(shù)值變化。比較器輸出具有信號干凈、波形好、驅(qū)動能力強(qiáng)，超過15mA等優(yōu)點(diǎn)。外界紅外光越強(qiáng)，輸出數(shù)值越??；外界紅外光越弱，輸出數(shù)值越大。

2.5 短信發(fā)送GSM模塊

我們通常采用TC35i GSM模塊來設(shè)計(jì)智能家居的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，但是TC35i GSM模塊存在工作頻段少、功耗較高并且不支持GPRS技術(shù)等缺陷。針對性能設(shè)計(jì)的不足，本文采用SIM900A無線通信技術(shù)。SIM900A模塊尺寸較小，封裝采用SMT，采用ARM926EJ-S架構(gòu)，性能加強(qiáng)，廣泛應(yīng)用在車載耕種、無線POS、車隊(duì)管理、電力監(jiān)控等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度檢測設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，通過液晶顯示屏將DHT11傳感器測得的相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行顯示，方便用戶對所處環(huán)境有進(jìn)一步了解，同時便于對老人健康的準(zhǔn)確分析。此模塊硬件電路結(jié)構(gòu)以及顯示程序都較為簡潔，且價格也比較合理，為溫濕度模塊的理想選擇。

3.2 脈搏檢測設(shè)計(jì)

（1）傳感器識別階段：啟動血壓測量功能時，pulsesensor脈搏、心率傳感器啟動，當(dāng)轉(zhuǎn)換電壓到達(dá)軟件設(shè)定值后，開始采集信號。

（2）血壓信號獲取階段：當(dāng)?shù)谝淮潍@得預(yù)定電壓時，傳感器對血壓及脈搏波信號進(jìn)行獲取。

（3）信號處理階段：當(dāng)采集時間達(dá)到預(yù)定值，脈搏波消失，血壓和脈搏信號采集完畢；放大后的信號是模擬的，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能送給控制器處理；然后完成血壓和脈搏的信號分析處理，確定最后的值。

（4）顯示階段：把采集到的數(shù)據(jù)輸出到顯示屏，有波形和數(shù)值兩種方式，每2s更新一次。

3.3 短信發(fā)送設(shè)計(jì)

整體邏輯流程如圖1所示，SIM900A上電后開始初始化，完畢后向STM32發(fā)送“RDY +CFUN：1 +CPIN：READY Call Ready”字符串，其中RDY 表示模塊啟動成功準(zhǔn)備就緒，+CFUN：1 表示模塊功能全部打開，+CPIN：READY 表示插入的SIM 正常，Call Ready 表示網(wǎng)絡(luò)連接正常，可以執(zhí)行基本的撥打電話發(fā)短信、數(shù)據(jù)通信等任務(wù)，STM32與SIM900A的串口采用的是9600固定波特率。GSM的控制程序主要執(zhí)行TC35模塊的初始化、接受、讀取并發(fā)送和刪除信息等操作。GSM模塊與單片機(jī)通過串口連接，串口的接收、發(fā)送函數(shù)和 GSM 模塊程序設(shè)計(jì)為一個模塊。

通過SIM900A模塊，當(dāng)老人的身體狀況不佳時，腕表將以短信的方式把老人的身體情況發(fā)送給家屬。增加老人與家人的交流，使得老人的健康狀況能及時地反饋給家屬。

結(jié)語

隨著人們生活水平的不斷提高，科技產(chǎn)品在便攜式健康監(jiān)測領(lǐng)域的需求日漸增大，健康監(jiān)測設(shè)備對于老人日常生活的幫助極大。本手表適用于日常老人健康監(jiān)護(hù)、醫(yī)院里病人護(hù)理等情況；可用于對老人的日常生活環(huán)境監(jiān)測，電路模塊化，集成度較高，小巧易攜，不影響老人的正常生活。

本手表以STM32單片機(jī)控制為主，結(jié)合各個傳感器及時獲取相應(yīng)值并傳回單片機(jī)處理得出當(dāng)前佩戴者的生理特征及所處環(huán)境特征值，再根據(jù)植入單片機(jī)的微型系統(tǒng)判斷做出相應(yīng)動作，遇緊急情況及時通知，一旦生理指標(biāo)出現(xiàn)異常還可通過GSM將信息及時發(fā)送給家人或醫(yī)院。手表是以STM32為核心的主控板，搭配溫濕度、脈搏、時鐘、火焰、GSM短信收發(fā)等模塊構(gòu)成本手表的硬件系統(tǒng)；通過各個模塊的軟件算法實(shí)現(xiàn)手表的監(jiān)測功能，并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)；最后通過多次測試驗(yàn)證了其切實(shí)可行性。

參考文獻(xiàn)

［1］鄭國軍，戴巧琪，肖德瑞.基于STM32的便攜式體檢裝置設(shè)計(jì)［J］.醫(yī)學(xué)信息： 中旬刊，2010， 5（8）： 1989-1991.

［2］宋霞萍.基于STM32的小型智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.中南林業(yè)科技大學(xué)，2014.

中圖分類號：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A