秦宏伍，孫 楠

(1.長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院； 2.長春光學(xué)精密機械與物理研究所 機械電子工程研究室， 長春 130022)

心率是人體生理研究和臨床醫(yī)學(xué)上最為常見的測量參數(shù)。隨著可穿戴醫(yī)療類設(shè)備的興起，已經(jīng)出現(xiàn)用來測量心率的監(jiān)測設(shè)備，能讓擁有此類設(shè)備的用戶隨時隨地測量心率。目前，關(guān)于心率監(jiān)測的可穿戴設(shè)備品類繁多。不過，從功能上看，這些設(shè)備充其量也就是提供碎片化的數(shù)據(jù)記錄，離實質(zhì)性的健康服務(wù)還相差甚遠(yuǎn)。隨著人們對健康問題的日益關(guān)注，如何長期有效地對個人健康進行監(jiān)護和管理成為社會關(guān)注的焦點之一。穿戴式的健康信息感知終端可以在不經(jīng)意間，在不影響日常生活的情況下，將用戶的健康信息、生理指數(shù)進行采集并傳遞到云端，建立起完善的健康記錄，為每一個移動用戶提供豐富的健康服務(wù)。

1 總體設(shè)計方案

本次設(shè)計的可穿戴式設(shè)備由STM32系列微控制器，利用心率傳感器模塊研究人體心率指標(biāo)的數(shù)據(jù)測量。附加以有害氣體傳感器以及溫濕度傳感器為核心的外界環(huán)境監(jiān)測，增加人機交互界面，實時對所采集的數(shù)據(jù)參數(shù)進行顯示。配合GPS定位模塊+GPRS無線通信模塊，實現(xiàn)了對穿戴者的安全定位。即當(dāng)所測得穿戴者的人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的范圍時，能夠及時地向監(jiān)護人發(fā)送提示短信。并實時將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺，通過智能醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)對穿戴者情況的同步顯示，以便工作人員及時分析穿戴者的健康狀況和所處環(huán)境。從而及時得到遠(yuǎn)程健康提醒，實現(xiàn)健康的雙重保護。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 STM32F103ZET6最小系統(tǒng)設(shè)計

STM32中央控制器的主要功能是將測量模塊測得的數(shù)據(jù)進行處理和分析，并通過無線通信模塊發(fā)送給終端服務(wù)器，通過算法程序?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。STM32控制器具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，并且有足夠大的存儲器對數(shù)據(jù)進行存儲。另外，中央控制器和終端服務(wù)器之間要通過網(wǎng)絡(luò)進行通信，控制器要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的擴展，再考慮到價格、功耗以及穩(wěn)定性，最終選擇了STM32F103ZET6作為中央控制器的處理器。

主控芯片STM32F103ZET6是基于Comer-M3架構(gòu)32位的RISC內(nèi)核微控制器，是STM32系列中的性能增強型產(chǎn)品。具有強大的內(nèi)部集成資源，以及豐富的外設(shè)接口，具有較高的代碼編寫效率，普遍使用的8、16位控制系統(tǒng)的程序存儲空間上釋放了ARM內(nèi)核的高性能，能夠很好地實現(xiàn)本課題的相關(guān)要求。

2.2 心率模塊電路

MAX30102心率模塊供電電壓為1.8V～5.5V。心電信號的采集硬件主要有增益、輸入阻抗、共模抑制比和頻率特性這些指標(biāo)。為此，需要對采集硬件電路的這些指標(biāo)進行測量。該模塊主要用到了濾波和放大兩部分電路。光電測量法容易受到其他電子設(shè)備引起的電壓波動和噪聲，首先需要進行濾波。濾波后的信號采用低功率運算放大器。采用這種控制方式可以大大降低整個心率傳感器模塊的功耗。模塊與主控芯片的通信方式為I2C通信，該模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 MAX30102心率模塊原理圖

2.3 A7模組(GPS+GSM+GPRS)電路

圖3 A7_MODULE接口電路圖

A7模組(GPS+GSM+GPRS)工作電壓為5V，由USB供電實現(xiàn)。A7_MODULE包括42個引腳，需要接入相應(yīng)的外圍電路才能工作。外圍電路主要有電源管理電路、啟動電路、串口通信電路等。本設(shè)計僅用到了電源管理電路、啟動電路、串口通信電路、SIM卡電路和指示燈電路。該模塊所有的硬件接口通過一個ZIF連接插頭對外引出，使得系統(tǒng)的硬件電路部分的設(shè)計更加方便簡潔，其50歐阻抗的天線和SIM卡座都可以很方便得連接到該模塊上。A7_MODULE接口電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)平臺簡介

STM32單片機程序是在Keil uVision4 MDK集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)進行的，使用KeiluVision4C編寫程序，對單片機系統(tǒng)進行控制，包括源代碼的編寫、編譯和鏈接，并最終生成可執(zhí)行文件下載到單片機中。

Keil uVision4 MDK集成開發(fā)環(huán)境如圖4所示。

圖4 MQ135 Keil uVision4 MDK集成開發(fā)環(huán)境

3.2 軟件總體設(shè)計

監(jiān)護系統(tǒng)除了硬件電路以外，軟件部分的設(shè)計也是關(guān)鍵。本系統(tǒng)軟件部分采用前后臺的設(shè)計思路，前臺部分是軟件的主程序，后臺由中斷服務(wù)程序組成，主要包括串口接收中斷服務(wù)程序，定時器中斷服務(wù)程序等。

系統(tǒng)主要工作流程如下：利用心率傳感器、GPS定位對穿戴者的信息進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)送到主控進行處理，通過計算程序控制GPRS模塊，從而驅(qū)動GPRS模塊向手機終端發(fā)送短信提醒，并向醫(yī)院服務(wù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)，以達(dá)到監(jiān)測的目的。主程序流程圖如圖5所示，在main函數(shù)中實現(xiàn)。中斷服務(wù)處理子程序如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷服務(wù)處理子程序圖

3.3 A7模組軟件設(shè)計

主控芯片STM32利用串行口與A7模組進行通信，通過模塊特有的AT指令實現(xiàn)其功能控制，A7模組自身的反饋機制可以使我們清楚地獲知發(fā)送的指令是否被正確執(zhí)行。GSM發(fā)送短信流程如圖7所示。

心率數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸是由單片機通過串口通信控制A7模組來完成。在模塊初始化的過程中，我們已將波特率選擇為125600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位。A7模組在進行數(shù)據(jù)傳輸之前，要與網(wǎng)絡(luò)建立連接，主要由A7模組中的GPRS通訊實現(xiàn)。GPRS首先要和電腦服務(wù)器建立TCP通訊，具體的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖8所示。

圖7 GSM發(fā)送短信流程

圖8 心率數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 系統(tǒng)性能測試

4.1 心率監(jiān)護的短信功能

本課題設(shè)計的遠(yuǎn)程無線心率監(jiān)護系統(tǒng)樣機完成以后，還必須進行進一步的驗證與完善，確保其準(zhǔn)確性和可靠性。定義主界面“保存”按鈕的功能，即將當(dāng)前的心率數(shù)值作為一條記錄進行保存。同時設(shè)置不同的范圍完成短信息服務(wù)，部分心率數(shù)據(jù)短信測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 心率數(shù)據(jù)的短信息提示

4.2 遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)護軟件的測試

遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)護軟件的測試中用到了內(nèi)網(wǎng)映射技術(shù)，其中，用到了 “花生殼”軟件，花生殼會分配我們一個外網(wǎng)訪問地址。然后在自己電腦上建立一個服務(wù)器和一個客戶端，看能否進行正常通訊，只有完成了互相發(fā)送數(shù)據(jù)，才可以進行GPRS模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。A7模塊在A6的基礎(chǔ)上增加了GPS功能，應(yīng)用GPS功能實現(xiàn)了對應(yīng)用人員的定位功能。運行軟件能夠?qū)崟r顯示率數(shù)據(jù)和應(yīng)用人員的經(jīng)緯度信息，如圖10所示。

圖10 心率數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度信息的實時顯示

服務(wù)器終端收到經(jīng)緯度信息，然后應(yīng)用GPS測試工具實現(xiàn)對應(yīng)用人員的準(zhǔn)確定位，如圖11所示。

圖11 應(yīng)用人員的準(zhǔn)確定位

5 結(jié)語

本課題設(shè)計了一款不同于市面上的可穿戴式設(shè)備。針對的用戶群體為養(yǎng)老院和社區(qū)老人。產(chǎn)品在通信及物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信及用戶的健康監(jiān)護。基于A7模組的老人健康遠(yuǎn)程監(jiān)護方案，實現(xiàn)了把用戶的心率數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實時轉(zhuǎn)發(fā)的功能，同時，設(shè)計附加有害氣體傳感器和溫濕度傳感器為核心的外界環(huán)境監(jiān)測，為用戶提供全天候的動態(tài)心率數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量指標(biāo)的提示。這一設(shè)計是對遠(yuǎn)程健康監(jiān)護系統(tǒng)方案的嘗試探索，通過對各模塊的功能調(diào)試以及綜合測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期的各項功能，完成了預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)。