孫弋婷，翁欣濛

（1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018；2.杭州電子科技大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州，311305）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]，是由大量的具有感知能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過自組織方式[2]構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，可以監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況如溫度、聲音、振動、運(yùn)動或污染物，在促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用，本文結(jié)合2020年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽與現(xiàn)實生活中的應(yīng)用，以STM32F103C8T6作為主控制器設(shè)計的具有溫度測試、心率監(jiān)測[3]、運(yùn)動狀態(tài)分析等功能的無線傳感器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

以STM32F103單片機(jī)為主控制器，以ADS1292[4]模塊為心率信號接收部分，接收采集到的心電信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳至單片機(jī)，以LMT70為溫度接收部分，接收采集到的溫度數(shù)據(jù)并通過ADS1115模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳至單片機(jī)，以ABXL345模塊為運(yùn)動分析模塊，將采集到的運(yùn)動數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)，單片機(jī)對上述信號進(jìn)行處理與分析后將對應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在屏幕，并通過HC05藍(lán)牙模塊將內(nèi)容在移動端上顯示。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 處理器模塊

作為無線傳感器的核心選用專為要求高性能、低成本、低功耗的的ARM Cortex-M3內(nèi)核系列STM32單片機(jī)。其具有32位總線寬度，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。同時具有多達(dá)13個的通信接口、112個快速I/O端口、11個定時器，對比MSP430單片機(jī)，STM32具有速度快和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 供電模塊

本電路采用TPS5450降壓轉(zhuǎn)換器。如圖2所示。TPS5430是一個具有較高轉(zhuǎn)換效率的高輸出電流PWM轉(zhuǎn)換器。輸入去耦電容取10μF，根據(jù)電路的需求與參考公式可得到輸出濾波電路電容與電感值。根據(jù)公式比例關(guān)系得到阻值比確定電阻值。最終將+5供電轉(zhuǎn)為USB接口對單片機(jī)進(jìn)行供電。

圖2 直流供電電路圖

2.3 心電信號采集電路

ADS1292是適用于ECG應(yīng)用的24位、2通道、低功耗模擬前段。根據(jù)ADS1292的芯片手冊搭建ADS1292的電路，通過ADS1292采集到信號后，將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量傳至單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)字信號處理將數(shù)字信號中非心電的成分濾除，即進(jìn)行數(shù)字濾波。硬件結(jié)構(gòu)簡單，噪聲消除效果較好。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其輸出信號存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此在后續(xù)的設(shè)計中加入電平轉(zhuǎn)換芯片對其進(jìn)行隔離。如圖3所示。

圖3 ADS1292電路

2.4 溫度測量模塊

如圖4所示。本電路采用LMT70測溫芯片與ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片。LMT70是超小型、高精度（±0.1℃）、低功耗CMOS模擬溫度傳感器。ADS1115是具有PGA、振蕩器、電壓基準(zhǔn)與比較器的4通道。當(dāng)我們在被測物體溫度在20℃到42℃之間、芯片的供電電壓在2.7V時，測量的誤差在±0.05℃，為了最大程度地降低噪聲耦合，在LMT70的VDD和GND引腳之間放置至少100nF的電源去耦電容，并串聯(lián)電阻以保持條件穩(wěn)定。利用ADS1115進(jìn)行連續(xù)地AD轉(zhuǎn)換讀取結(jié)果，并通過IIC串行通信總線與主機(jī)通信，并通過以下公式計算溫度值。

圖4 測溫電路

（其中，adcx為采樣數(shù)字量，無單位,tem為溫度，單位為攝氏度）

2.5 步數(shù)與距離測量模塊

圖5 步數(shù)與距離測量電路

ADXL345是一款小而薄的超低功耗 3軸加速度計，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問，非常適合移動設(shè)備應(yīng)用?；顒雍头腔顒訖z測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來檢測有無運(yùn)動發(fā)生，且可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度，其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化，符合人行走時的姿態(tài)檢測。通過I2C通信協(xié)議連接單片機(jī)，使用算法對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以較為準(zhǔn)確得到結(jié)果，且低頻特性較好，符合應(yīng)用場景與技術(shù)指標(biāo)。

2.6 其他模塊

包括HC05藍(lán)牙模塊與OLED顯示模塊。

圖6 HC05藍(lán)牙模塊

圖7 OLED顯示模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序初始化后，利用STM32控制ADS1292以500sps的速率對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到心率值和心電圖，并對心率不齊的情況做出聲音提示。同時，驅(qū)動LMT70測溫模塊及測得溫度，利用進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。利用公式求出“動態(tài)閾值”，接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁出步伐，通過對年齡，性別，身高等數(shù)據(jù)的擬合以及每兩秒內(nèi)所運(yùn)動的步數(shù)，得到平均步長以測出運(yùn)動距離。最后，將這些數(shù)據(jù)顯示在OLED上，并通過串口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，最終將所有數(shù)據(jù)顯示于移動終端上。

圖8 軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試與誤差分析

4.1 測試方案

采用ADS1292模塊作為心電信號接收部分。使用心電信號模擬儀輸出標(biāo)準(zhǔn)心電信號，將單片機(jī)處理后的心率、心電圖與標(biāo)準(zhǔn)信號相比較。使用電極片與三導(dǎo)聯(lián)采集人體心電信號，將采集到經(jīng)過單片機(jī)處理過后的數(shù)據(jù)與市面商品化產(chǎn)品所測得的心率進(jìn)行比較。

采用LMT70模塊作為溫度接收部分，通過ADS1115模塊將模擬量變?yōu)閿?shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行處理。將分析過后的數(shù)據(jù)與數(shù)字溫度計進(jìn)行比較。

采用ADXL345模塊獲得運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析,在OLED上實時顯示并通過HC05藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示到移動端。將測試結(jié)果與合格的運(yùn)動分析產(chǎn)品以及實際進(jìn)行比較。

4.2 測試結(jié)果與分析

（1）標(biāo)準(zhǔn)心率檢測：與心電信號模擬儀相接，產(chǎn)生1mV的標(biāo)準(zhǔn)心率信號，得到結(jié)果如表1所示。可知設(shè)計結(jié)果較為準(zhǔn)確，誤差在要求范圍內(nèi)。

表1 心率測試

（2）溫度測試：將本設(shè)計的溫度探測點(diǎn)與數(shù)字溫度計探頭置于各個物體表面同一點(diǎn)，得到的結(jié)果如表2所示?？芍O(shè)計結(jié)果較為準(zhǔn)確，誤差在要求范圍內(nèi)。

表2 溫度測試

（3）距離測試：將設(shè)備置于手中，按照正常行走方式，走在規(guī)定長度的路線上，結(jié)果如表3所示。

表3 距離測試

（4）步數(shù)測試：將手環(huán)佩戴上與持設(shè)備的同一只手，按照正常行走方式前進(jìn)既定步數(shù)，結(jié)果如表4所示。誤差基本在要求范圍內(nèi)。

表4 步數(shù)測試

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一個無線運(yùn)動傳感器節(jié)點(diǎn)，實現(xiàn)了在較低功耗的條件下心電信號、溫度、運(yùn)動狀態(tài)的檢測與分析，并完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。為了對人體的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析，必須對心率、溫度、移動距離等要素進(jìn)行特征提取和總結(jié)歸類。同時，對于相似且難以判斷的情形，采取優(yōu)先級排序的方式，將幾種不同的運(yùn)動狀態(tài)分為不同優(yōu)先級進(jìn)行響應(yīng)，從而降低了狀態(tài)判斷錯誤率，同時也提高了狀態(tài)判斷速度。