基于STM32的健康監(jiān)測(cè)手環(huán)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21893基于STM32的健康監(jiān)測(cè)手環(huán)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 1304551手環(huán)硬件設(shè)計(jì) 2274391.1手環(huán)硬件總體設(shè)計(jì) 242351.2主控模塊硬件設(shè)計(jì) 2141741.3RTC時(shí)鐘模塊硬件設(shè)計(jì) 3264611.4體溫測(cè)量模塊硬件設(shè)計(jì) 4282701.5心率監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì) 5181161.6姿態(tài)感知模塊硬件設(shè)計(jì) 574451.7顯示模塊硬件設(shè)計(jì) 6174921.8數(shù)據(jù)通訊模塊硬件設(shè)計(jì) 7141901.9按鍵設(shè)置模塊硬件設(shè)計(jì) 7115972手環(huán)軟件設(shè)計(jì) 82832.1手環(huán)軟件開發(fā)環(huán)境介紹 8155182.2手環(huán)軟件總體設(shè)計(jì) 881302.3體溫測(cè)量程序設(shè)計(jì) 9179202.4心率監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì) 10292372.5數(shù)據(jù)通訊程序設(shè)計(jì) 1099762.6按鍵設(shè)置程序設(shè)計(jì) 11230352.7姿態(tài)感知程序設(shè)計(jì) 1253042.7.1加速度傳感器讀取 12210252.7.2摔倒?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì) 13220722.7.3運(yùn)動(dòng)量監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì) 141手環(huán)硬件設(shè)計(jì)1.1手環(huán)硬件總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件主要包含主控模塊、RTC時(shí)鐘模塊、體溫測(cè)量模塊、心率監(jiān)測(cè)模塊、姿態(tài)感知模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、按鍵設(shè)置模塊。初始化硬件系統(tǒng)后，系統(tǒng)主控模塊控制數(shù)據(jù)通訊模塊進(jìn)行無線通信，建立連接。設(shè)計(jì)體溫測(cè)量模塊對(duì)老年人的體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將數(shù)據(jù)傳輸至中控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知模塊對(duì)使用者姿態(tài)進(jìn)行感知，當(dāng)使用者摔倒時(shí)，將姿態(tài)異常發(fā)送給通訊模塊模塊；設(shè)計(jì)心率監(jiān)測(cè)模塊，通過內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)器中斷對(duì)使用者心率數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；設(shè)計(jì)通訊模塊將主控模塊預(yù)處理后的數(shù)據(jù)運(yùn)用LoRa通訊協(xié)議，由內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)器進(jìn)行中斷發(fā)送至接收端。按鍵設(shè)置模塊通過按鍵實(shí)現(xiàn)中斷對(duì)日期、顯示界面、步數(shù)進(jìn)行設(shè)置。手環(huán)硬件總體設(shè)計(jì)如圖3-1所示。圖3-1手環(huán)硬件總體設(shè)計(jì)框圖Fig.3-1BandsOverallDesignDiagram1.2主控模塊硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主控模塊控制芯片采用STM32F103系列微控制器，最大支持具有512K容量flash，適合高級(jí)的集成電路開發(fā)。且其不需要外部掛載定時(shí)器，可滿足本項(xiàng)目各項(xiàng)功能開發(fā)。根據(jù)功能需求，減少系統(tǒng)功耗及成本，選用STM32F103C8T6芯片作為主控，供電電壓只需1.0-1.6V[5]，便攜設(shè)備的供電系統(tǒng)能夠支持其正常運(yùn)行。主控模塊中除微控制芯片外，還需要復(fù)位電路、晶振電路等組成完整的控制系統(tǒng)，故設(shè)計(jì)選用本次設(shè)計(jì)選型用LQPF44封裝的STM32F103C8T6最小系統(tǒng)模塊為主控，STM32F103C8T6最小系統(tǒng)模塊的引管腳如圖3-2所示，運(yùn)用單片機(jī)編程技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其他各系統(tǒng)模塊的控制與采集數(shù)據(jù)的處理。圖3-2STM32F103C8T6最小系統(tǒng)模塊的引管腳圖Fig3-2PipePinDiagramofSTM32F103C8T6MinimumSystemModule1.3RTC時(shí)鐘模塊硬件設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)手環(huán)日期、時(shí)間顯示功能設(shè)計(jì)RTC時(shí)鐘模塊，由于本設(shè)計(jì)選用的主控芯片STM32F103C8T6具備內(nèi)部RTC時(shí)鐘功能，但是產(chǎn)品需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，就要具備時(shí)鐘掉電走時(shí)特性，要完成主控芯片掉電走時(shí)是在STM32的后備寄存器進(jìn)行處理[6]，則在STM32的VBAT引腳加上一個(gè)紐扣電池。如下圖3-3所示為本次設(shè)計(jì)的RTC時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)圖，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，1.3V電源經(jīng)由D1IN4148二極管，由于二極管具有單向?qū)щ娦裕摱O管導(dǎo)通，STM32的VBAT腳通電，T1為紐扣電池，此時(shí)經(jīng)由D2二極管，由于D1的作用，此時(shí)D2處于截止?fàn)顟B(tài)，故而系統(tǒng)上電時(shí)VBAT由系統(tǒng)供電；當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，D1二極管處于未工作狀態(tài)，D2二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，通電至VBAT腳，此時(shí)VBAT由紐扣電池T1供電；由此不管系統(tǒng)斷電還是通電VBAT腳始終處于通電狀態(tài)，故而達(dá)到保持掉電走時(shí)的功能[7]。圖3-3RTC時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)圖Fig3-3RTCclockcircuitdesign1.4體溫測(cè)量模塊硬件設(shè)計(jì)體溫測(cè)量模塊需要對(duì)老人體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，選用適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅饔葹橹匾Ｔ趥鹘y(tǒng)的測(cè)溫方式選擇中，通常選用熱敏電阻或數(shù)字溫度芯片等對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，在本項(xiàng)目中如采用熱敏電阻溫度傳感器通過其感溫效應(yīng)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，因其輸出為模擬信號(hào)，需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，為了提高精度需增加放大電路等，會(huì)使產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，數(shù)據(jù)鏈路冗長(zhǎng)，導(dǎo)致手環(huán)體積，能耗等參數(shù)難以滿足設(shè)計(jì)需要。故選用數(shù)字溫度芯片DS18B20，測(cè)量溫度后直接輸出數(shù)字信號(hào)，并采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，可直接被主控模塊控制并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，避免了需額外設(shè)計(jì)外部電路的問題。因其各項(xiàng)性能穩(wěn)定，可測(cè)量0至100攝氏度，且溫度誤差小于0.05攝氏度，可滿足各極端場(chǎng)景下的老人體溫測(cè)量[8]。數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20具有3個(gè)引腳，設(shè)計(jì)中采用DS18B20采集溫度，并與主控模塊相連，通過主控模塊中的STM32單片機(jī)的I/O串口讀取數(shù)字溫度傳感器DS18B20獲取的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度值。數(shù)字溫度傳感器DS18B20是以“單總線”的方式驅(qū)動(dòng)，一根數(shù)據(jù)線既是輸出也是輸入[9]。主控模塊中的STM32單片機(jī)通過PA6串口與DS18B20數(shù)據(jù)線連接，同時(shí)數(shù)據(jù)腳需要一個(gè)10K電阻上拉，如上圖R1選用10K電阻上拉到1.3V。下圖3-4為體溫測(cè)量模塊硬件設(shè)計(jì)電路連接圖。圖3-4體溫測(cè)量模塊模塊電路設(shè)計(jì)圖Fig3-4Circuitdesignoftemperaturesensormodule1.5心率監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)心率監(jiān)測(cè)模塊選用pulsesensor反射式紅外心率傳感器，該模塊內(nèi)部集成了信號(hào)放大電路、路濾波電路等，輸出波形也很好，獲得的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。而通常用于醫(yī)療心率監(jiān)測(cè)的透射型光電式傳感器，透射型是指由光電傳感器的上端的紅外發(fā)射二極管發(fā)出紅外光線，由于紅外線穿透能力強(qiáng)，進(jìn)過手指透射進(jìn)過血液循環(huán)，由于血液隨心跳的流動(dòng)具有舒張和收縮作用導(dǎo)致不同的變化，手指內(nèi)的血液濃度從而跳動(dòng)，在跳動(dòng)時(shí)，底部的紅外接收二極管接收到信號(hào)，從而產(chǎn)生不同的光電信號(hào)[10]。但透射型光電傳感器只能用于測(cè)量手指處采集心率數(shù)據(jù)，如應(yīng)用于手環(huán)會(huì)造成使用不便的問題，對(duì)比之下選擇pulsesensor反射式紅外心率傳感器，可適用于身體多個(gè)部位測(cè)量，以滿足手環(huán)正常使用方便的設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)中采用的PulseSensor心率傳感器模塊，該模塊是一款光電式傳感器，LED發(fā)光信號(hào)波長(zhǎng)為515nm，模塊可工作在1.3V，在進(jìn)行正常工作時(shí)，檢測(cè)的信號(hào)為光反射信號(hào)，進(jìn)過模塊內(nèi)部放大、整形、濾波等處理，最終從輸出腳輸出模擬信號(hào)。由于本次設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6芯片為主控制，該芯片具有1個(gè)16通道的12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可利用該A/D轉(zhuǎn)換直接讀取心率傳感器的內(nèi)部信號(hào)，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最終通過心率算法計(jì)算出心率[11]。該心率傳感器具有三個(gè)腳，VCC、GND、信號(hào)輸出腳。如下圖3-5中1腳信號(hào)輸出腳接STM32F103C8T6的ADC引腳，PA0為STM32F103C8T6的ADC0通道0的轉(zhuǎn)換腳，通過控制A/D轉(zhuǎn)換寄存器從而實(shí)現(xiàn)心率采集。2腳接電源1.3V，1腳接GND進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。圖3-5心率監(jiān)測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)圖Fig3-5Circuitdesignofsensormodule1.6姿態(tài)感知模塊硬件設(shè)計(jì)姿態(tài)感知模塊主要由AXL345數(shù)字加速度傳感器組成，設(shè)計(jì)選用的ADXL345數(shù)字加速度傳感器，其內(nèi)部是經(jīng)過容壓變換器、增益放大器、濾波器和溫度補(bǔ)償后以電壓輸出的方式輸出，最終通過內(nèi)部芯片將模擬量讀取，通過數(shù)字接口輸出實(shí)際的數(shù)據(jù)。使用者在行走過程中身體自然上下活動(dòng)；摔倒時(shí)身體會(huì)高速度的傾倒，設(shè)計(jì)程序?qū)ο嚓P(guān)狀態(tài)進(jìn)行讀取處理得到使用者當(dāng)前運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。ADXL345加速度傳感器具有加速度測(cè)量精度高、元器件體積小的特點(diǎn)[12]。應(yīng)用于手環(huán)產(chǎn)品中可實(shí)現(xiàn)對(duì)老人身體姿態(tài)的判斷，從而監(jiān)測(cè)老人是否摔倒及運(yùn)動(dòng)量步數(shù)的數(shù)據(jù)采集。本次設(shè)計(jì)采用的是CY-291ADXL345模塊，該模塊已經(jīng)集成了ADXL345芯片的功能。如下圖3-6為姿態(tài)感知模塊電路設(shè)計(jì)圖。圖中P3為模塊的接口引腳，模塊一共有8個(gè)引腳，分別是GND、VCCC、CS、INT1、INT2、SDO、SDA、SCL。采用時(shí)鐘中斷計(jì)數(shù)，模塊電源接5V。圖3-6姿態(tài)感知模塊電路設(shè)計(jì)圖Fig3-6Circuitdesigndiagramofattitudesensingmodule1.7顯示模塊硬件設(shè)計(jì)本次采用低功耗的0.96寸OLED顯示屏作為本次可穿戴設(shè)備的顯示器，OLED即有機(jī)發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode）。該OLED具有輕薄、低功耗的特點(diǎn)，在MP3播放器上被廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)選取的顯示屏應(yīng)用于手環(huán)，應(yīng)當(dāng)選用低功耗類顯示屏，故OLED12864滿足顯示模塊的設(shè)計(jì)需求。該OLED具有多種驅(qū)動(dòng)方式，常用的方式主要有SPI和IIC驅(qū)動(dòng)，本次采用IIC接口的方式，IIC只需要兩根數(shù)據(jù)線即可驅(qū)動(dòng)顯示，使用原理簡(jiǎn)單。顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖3-7所示，VCC接電源1.3V供電，GND接地線，SCL接STM32F103C8T6的IICSCL腳PB6，SDA接STM32F103C8T6的IICSDA腳PB5。圖3-7顯示模塊電路設(shè)計(jì)圖Fig3-7Circuitdesigndiagramofdisplaymodule1.8數(shù)據(jù)通訊模塊硬件設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的通訊模塊如Wifi、藍(lán)牙通訊，LoRa通訊方式依靠其低頻傳輸特性，對(duì)遮擋的穿透性更強(qiáng)。設(shè)計(jì)選用的LoRa通訊為SX1278射頻芯片[13]。控制模塊的STM32F103C8T6單片機(jī)的串口PA10(RXD)、PA9(TXD)分別接LoRa通訊模塊的TXD、RXD，數(shù)據(jù)腳交叉連接。如下圖3-8為數(shù)據(jù)通訊模塊的電路設(shè)計(jì)圖。圖3-8數(shù)據(jù)通訊模塊電路設(shè)計(jì)圖Fig3-8Circuitdesigndiagramofdatacommunicationmodule1.9按鍵設(shè)置模塊硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)時(shí)間調(diào)整、步數(shù)清除、界面切換功能等功能采用按鍵操作執(zhí)行，下圖中3-9為按鍵設(shè)置模塊電路設(shè)計(jì)圖，圖中四個(gè)按鍵一端接公共端GND，另一端分別接單片機(jī)的I/O。三個(gè)按鍵接口分別接單片機(jī)的PB12、PB13、PB14、PB15引腳，當(dāng)單片機(jī)的相應(yīng)引腳檢測(cè)到低電平時(shí)，說明該引腳被觸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作[14]。分別對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)退出及設(shè)置、設(shè)置加、設(shè)置減、摔倒?fàn)顟B(tài)重置、頁(yè)面切換等操作。圖3-9按鍵設(shè)置模塊電路設(shè)計(jì)圖Fig3-9Circuitdesignofkeysettingmodule

2手環(huán)軟件設(shè)計(jì)2.1手環(huán)軟件開發(fā)環(huán)境介紹本次設(shè)計(jì)采用STM32為主控，軟件以KEIL5MDK為開發(fā)平臺(tái)，該開發(fā)平臺(tái)特點(diǎn)眾多，具有界面美觀、使用效率高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，且調(diào)試方便，是STM32開發(fā)的首選平臺(tái)。2.2手環(huán)軟件總體設(shè)計(jì)通過本章節(jié)根據(jù)電路原理以及設(shè)計(jì)要求寫出軟件程序，本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)功能具體如下：（1）顯示模塊具備日期，時(shí)間等數(shù)據(jù)顯示功能，實(shí)現(xiàn)全天候佩戴；（2）體溫測(cè)量模塊能夠通過DS18B20溫度傳感器對(duì)老人體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；（3）心率監(jiān)測(cè)模塊能夠通過PulseSensor心率傳感器對(duì)老人的心率體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；（4）姿態(tài)感知模塊能夠利用ADXL345三軸加速度傳感器通過算法，對(duì)老人是否摔倒進(jìn)行感知，如使用者出現(xiàn)摔倒?fàn)顟B(tài)，則進(jìn)行異常狀態(tài)報(bào)告；（5）主控模塊能夠通過算法對(duì)獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到老人的步數(shù)，監(jiān)測(cè)老人每日運(yùn)動(dòng)量；（6）當(dāng)體征數(shù)據(jù)獲取后，喚醒數(shù)據(jù)通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端；手環(huán)軟件流程框如圖4-1所示圖4-1手環(huán)軟件流程框Fig4-1Bandssoftwareflowbox2.3體溫測(cè)量程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)體溫測(cè)量程序使體溫測(cè)量模塊對(duì)使用者實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)溫。硬件設(shè)計(jì)選用的測(cè)溫傳感器只需一個(gè)數(shù)據(jù)線的傳感器溫度測(cè)量，由于每一個(gè)傳感器都具有內(nèi)部ROM，同時(shí)具有唯一的ID號(hào)，程序中通過識(shí)別ID號(hào)來實(shí)現(xiàn)讀取那一路溫度[15]，具體流程如下：首先提前寫好讀取傳感器的ID的程序，讀出ID顯示，并將ID號(hào)記錄下來，記錄傳感器的ID號(hào)后，并發(fā)送相應(yīng)的ROM指令，就可以實(shí)現(xiàn)溫度的讀取了。體溫測(cè)量程序流程如圖4-2所示。圖4-2體溫測(cè)量程序流程圖Fig4-2Flowchartoftemperaturemeasurementprocedure2.4心率監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)心率監(jiān)測(cè)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)使用者體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。程序首先對(duì)A/D定時(shí)器進(jìn)行初始化啟動(dòng)，并通過內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行2ms中斷，并在中斷時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過相關(guān)心率算法得出實(shí)際心率數(shù)據(jù)[16]，同時(shí)在OLED上顯示出來。其流程圖如下圖4-3所示。圖4-3心率監(jiān)測(cè)模塊流程圖Fig4-3Flowchartofheartratemonitoringmodule2.5數(shù)據(jù)通訊程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用的是LoRa通訊SX1278射頻芯片，實(shí)現(xiàn)該養(yǎng)老輔助手環(huán)與服務(wù)器接收端的通信，利用LoRa接收模塊與該設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)連接，連接后，手環(huán)主控模塊單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)到LoRa通訊模塊，LoRa通訊模塊將數(shù)據(jù)透?jìng)髦练?wù)器接收端。首先需要配置單片機(jī)的串口相關(guān)寄存器，并設(shè)置接收端接收波特率為9600bps，這一部分為串口的初始化操作。接下通過程序內(nèi)部定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為2秒，系統(tǒng)則每2秒發(fā)送一次步數(shù)、心率、體溫、摔倒?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)到LoRa通訊模塊[17]，從而發(fā)送到服務(wù)器接收端。數(shù)據(jù)通訊程序流程如圖4-4所示。圖4-4數(shù)據(jù)通訊程序流程圖Fig4-4Flowchartofdatacommunicationprogram2.6按鍵設(shè)置程序設(shè)計(jì)按鍵設(shè)置程序在本系統(tǒng)中主要起到校準(zhǔn)時(shí)間、手動(dòng)清除步數(shù)、摔倒?fàn)顟B(tài)重置、切換界面等功能，在軟件設(shè)計(jì)中，首先將STM32的相應(yīng)I/O設(shè)置為上拉輸入，上拉輸入取決于電路硬件公共端接地線[18]。工作流程如下：首先在正常工作狀態(tài)下，按下設(shè)置鍵，進(jìn)入設(shè)置菜單界面，OLED顯示時(shí)間、日期信息，通過設(shè)置加鍵、設(shè)置減鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)年月日、時(shí)分秒的設(shè)置。設(shè)置完成后最后按下設(shè)備鍵會(huì)進(jìn)行保存，將設(shè)置好的數(shù)據(jù)寫入RTC時(shí)鐘后備寄存器[19]。2.7姿態(tài)感知程序設(shè)計(jì)2.7.1加速度傳感器讀取設(shè)計(jì)中姿態(tài)感知功能采用的是ADXL345加速度傳感器模塊實(shí)現(xiàn)三軸加速度數(shù)據(jù)的采集，通過IIC接口讀取ADXL345的原始三軸加速度數(shù)據(jù)，IIC總線是一種標(biāo)準(zhǔn)總線接口，讀取ADXL345采用IIC。以下為ADXL345讀取三軸加速度數(shù)據(jù)的流程。首先進(jìn)行初始化配置，初始化IIC，然后檢測(cè)ADXL345是否存在，若存在則進(jìn)入下一步。接下來進(jìn)入循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送一個(gè)開始信號(hào)，發(fā)送器件地址等待響應(yīng)，然后發(fā)送寄存器地址，再次等待響應(yīng)，接著發(fā)送讀器件指令，等待ADXL345響應(yīng)輸出數(shù)據(jù)，三軸加速度的數(shù)據(jù)都是16位數(shù)據(jù)，故而讀取6次數(shù)據(jù)存在緩存區(qū)中，最