[17]。正因如此，本系統(tǒng)選擇雙模芯片作為GPS定位模塊的接收芯片。2.4軟件方案根據(jù)本系統(tǒng)功能所需，軟件的設(shè)計(jì)方案分別是：下位機(jī)軟件系統(tǒng)方案和上位機(jī)軟件系統(tǒng)方案。其中下位機(jī)軟件方案：運(yùn)用KEIL軟件對(duì)STM32單片機(jī)進(jìn)行C語(yǔ)言程序編寫及調(diào)試，下位機(jī)系統(tǒng)軟件的整體流程：系統(tǒng)上電開始首先進(jìn)行引腳初始化，之后進(jìn)行各傳感器初始化，隨后各傳感器開始采集心率、體溫、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、GPS坐標(biāo)信息之后，經(jīng)過(guò)各自對(duì)應(yīng)處理程序，將處理過(guò)的信息傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)中并顯示在顯示屏上，之后通過(guò)WIFI模塊通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到上位機(jī)中，并在手機(jī)端進(jìn)行展示，便于使用者進(jìn)行觀測(cè)身體數(shù)據(jù)。下位機(jī)系統(tǒng)的軟件程序結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示：圖2-2下位機(jī)軟件程序結(jié)構(gòu)圖上位機(jī)軟件方案：通過(guò)搭建ONENET云平臺(tái)來(lái)接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的控件將信息顯示在電腦上，后通過(guò)微信小程序獲取ONENET云平臺(tái)的相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流并顯示到手機(jī)上，讓使用者可直接通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行查看。上位機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖如圖2-3所示：圖2-3上位機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

3系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下位機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)使用者的心率、體溫、GPS坐標(biāo)、步數(shù)等信息的進(jìn)行采集獲取，并將采集獲取到的數(shù)據(jù)在LCD屏中顯示，之后再通過(guò)WIFI模塊將采集獲取到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)系統(tǒng)由傳感器采集電路、主控MCU最小系統(tǒng)電路、LCD液晶屏接口、SWD調(diào)試接口、WIFI模塊接口等組成。下位機(jī)系統(tǒng)硬件原理圖如圖3-1所示。圖3-1下位機(jī)系統(tǒng)硬件原理圖下位機(jī)系統(tǒng)整體硬件原理圖包含了心率傳感器接口、SWD調(diào)試接口、GPS接口、WiFi模塊接口、DS18B20溫度傳感器電路、ADXL345加速度傳感器電路、穩(wěn)壓電路。通過(guò)單片機(jī)將上述的模塊接口與外圍電路連接起來(lái)，然后通過(guò)單片機(jī)中配置相應(yīng)管腳，來(lái)獲取傳感器和模塊的數(shù)據(jù)。在原理圖中可以看出心率傳感器的數(shù)據(jù)輸出接口通過(guò)連接單片機(jī)的PA5管腳與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)的PA15、PA14管腳連接在SWD調(diào)試接口上，并進(jìn)行程序的燒錄與調(diào)試。GPS定位模塊接口連接到單片機(jī)的串口3的PB10、PB11引腳上，單片機(jī)通過(guò)串口3與GPS定位模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。WIFI模塊接口連接到單片機(jī)的串口2的PA2、PA3引腳上，WIFI模塊通過(guò)串口2進(jìn)行單片機(jī)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)操作。LCD液晶顯示屏通過(guò)與單片機(jī)的FSMC接口連接，然后對(duì)LCD屏進(jìn)行顯示、清除操作。DS18B20溫度傳感器電路可以看出電路通過(guò)電阻與LED燈來(lái)展示電路電源是否正常，同過(guò)將溫度傳感器的輸出引腳接上拉電阻上拉到5V來(lái)消除管腳的不確定狀態(tài)。ADXL345加速度傳感器電路采用IIC通信方式時(shí)，在給使能端管腳進(jìn)行上拉操作，使能IIC通信方式，通過(guò)將ADXL345模塊的數(shù)據(jù)輸出管腳、時(shí)鐘管腳進(jìn)行上拉操作來(lái)確保IIC通信的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路采用AMS117芯片來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)供電電源的劃分，將系統(tǒng)電源電壓由5V分成3.3V，為整個(gè)系統(tǒng)供電。以上就是下位機(jī)系統(tǒng)硬件原理圖的大致工作流程及連接關(guān)系。3.2控制器模塊控制器模塊主要選用的是STM32的F4最小系統(tǒng)板，其中最小系統(tǒng)板搭載的是STM32F407ZGT6型號(hào)的單片機(jī)，其具有168MHz的運(yùn)行頻率，高達(dá)1MB的閃存Flash，支持在線調(diào)試，提供了程序調(diào)試接口，RTC和備份寄存器的供電可采用電池來(lái)提供，3個(gè)12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC，其中單片機(jī)搭載的定時(shí)器有17個(gè)之多，通信接口包含了SPI和IIC以及串口，同時(shí)也提供了攝像頭和以太網(wǎng)MAC接口，提供三種低功耗模式，支持FPU和DSP指令，大部分管腳都能承受5V電壓（模擬通道除外）。控制器模塊電路原理圖如3-2圖所示，從最小系統(tǒng)板電路中可以看出主要是由四部分構(gòu)成。芯片是這個(gè)控制器模塊的核心，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)處理及控制顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送的功能，其它三部分的電路都為它服務(wù)。其中時(shí)鐘電路主要是為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，晶振電路包含了低速時(shí)鐘和高速時(shí)鐘兩部分，在原理圖中區(qū)別主要是晶振頻率不一樣：一個(gè)為32.768KHZ，另一個(gè)為8MHZ。復(fù)位電路主要是對(duì)系統(tǒng)芯片進(jìn)行復(fù)位操作，電路是由10K的電阻連接3.3V電源、按鍵和0.1uf的電容成并聯(lián)關(guān)系連接至電阻的另一端，之后連接到地。其中對(duì)于boot0和1的引腳串聯(lián)10K電阻到地，使系統(tǒng)復(fù)位之后，決定系統(tǒng)從用戶閃存區(qū)域開始運(yùn)行。電源電路是通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路將輸入5V的電源變成3.3V之后為整個(gè)單片機(jī)芯片提供電源，使單片機(jī)正常工作。圖3-2主控制器模塊電路原理圖3.3運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊選用ADXL345加速度傳感器，因?yàn)锳DXL345加速度傳感器一種微型的低功耗傳感器，提供SPI和I2C接口數(shù)字信號(hào)輸出，具有13位分辨率和±16g的測(cè)量范圍，可以通過(guò)使能控制管腳選擇模塊通信方式，可以適配于便攜式設(shè)備?？梢詼y(cè)量由運(yùn)動(dòng)或碰撞引起的動(dòng)態(tài)加速度及靜態(tài)的重力加速度，并將其應(yīng)用于傾斜檢測(cè)。可以測(cè)量的傾角變化范圍為±1.0°，同時(shí)ADXL345傳感器提供了多種特殊的檢測(cè)功能。該模塊采用先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器（32級(jí)）的存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，大大降低了模塊處理器的負(fù)荷以及模塊的功耗。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電源管理可以在低功耗模式運(yùn)行，并使用非常低的功耗來(lái)監(jiān)控閾值和測(cè)量運(yùn)動(dòng)加速度。根據(jù)ADXL345芯片的引腳信息如表3-1所示，來(lái)設(shè)計(jì)ADXL345模塊的使用電路，其中電源由系統(tǒng)穩(wěn)壓電路提供3.3V電壓，通過(guò)將CS引腳上拉到電源電壓，選擇模塊的IIC通信方式引腳編號(hào)引腳名稱描述1VDD數(shù)字接口電源電壓2GND該引腳必須接地3RESERVED保留。該引腳必須連接到VS或保持?jǐn)嚅_。4GND該引腳必須接地。5GND該引腳必須接地。6VS電源電壓。7CS片選。8INT1INT1中斷1輸出。9INT2INT2中斷2輸出。10NC內(nèi)部不連接。11RESERVED保留。該引腳必須接地或保持?jǐn)嚅_。12SDO/ALTADDRESS出行數(shù)據(jù)輸出(SPI4線)/備用2C地址選擇(2C)13SDA/SDI/SDIO串行數(shù)據(jù)(2C)/串行數(shù)據(jù)輸入(SPI4線)/串行數(shù)據(jù)輸入和輸出(SPI3線)。14SCL/SCLK串行通信時(shí)鐘。SCL為12C時(shí)鐘，SCLK為SPI時(shí)鐘。表3-1ADXL345模塊引腳信息運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊電路原理圖如3-3圖所示，將原理圖中的ADXL345芯片的CS引腳拉高到VCC電壓,這時(shí)ADXL345處于IIC通信模式，只需要通過(guò)導(dǎo)線將ADXL345芯片上的SDA、SCL引腳連接到單片機(jī)的IIC管腳PB8、PB9，之后輸入正確的芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址就可以獲取芯片采集的加速度數(shù)據(jù)了，但在此之前還需要對(duì)模塊地址控制引腳（引腳12）進(jìn)行設(shè)置，控制引腳置于高電平,器件的7位I2C地址是0X1D，最后的一位為讀寫標(biāo)志位。其中的十六進(jìn)制表示為0x3A寫入，0x3B讀取?？刂埔_接地,可以選擇備用I2C地址0x53（隨后為讀寫標(biāo)志位）。其中的十六進(jìn)制表示為0xA6寫入，0xA7讀取。特別注意：使用I2C接口通信時(shí),CS引腳必須連接至VCC電壓,模塊地址控制引腳必須連接至任一電源引腳或接地。圖3-3運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊電路原理圖3.4溫度模塊溫度測(cè)量模塊選用DS18B20溫度傳感器，而此傳感器適合于環(huán)境溫度檢測(cè)，對(duì)人體測(cè)溫的誤差較大，其誤差率最小都在±0.5℃。在應(yīng)用到人體測(cè)溫時(shí)差0.1℃對(duì)結(jié)果都天差地別的影響。當(dāng)然在后續(xù)本系統(tǒng)的改進(jìn)中會(huì)選取更適合人體測(cè)溫的傳感器，例如PT100的溫度傳感器或者基于紅外測(cè)溫原理的MLX90614傳感器。DS18B20溫度傳感器的特點(diǎn)有：在與控制器連接時(shí)僅需要一條導(dǎo)線就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與寫入。3.0～5.5V的供電范圍，在沒(méi)有電源情況下可采用數(shù)據(jù)線供電。DS18B20在使用時(shí)無(wú)須多余外圍器件。溫度范圍為：-55℃～+125℃，并且可以對(duì)分辨率進(jìn)行編程選擇，實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的測(cè)溫準(zhǔn)確性。在9到12位分辨率設(shè)定區(qū)間內(nèi)，模塊轉(zhuǎn)換溫度的時(shí)間范圍為93.75ms~750ms，轉(zhuǎn)換速度快，輸出數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一根總線串行傳輸?shù)教幚砥骰蛘呖刂破髦?，可以使用CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行數(shù)據(jù)校對(duì)，使之抗干擾與糾錯(cuò)能力都挺不錯(cuò)。通過(guò)對(duì)DS18B20模塊的管腳調(diào)查，模塊的管腳1連接GND，管腳2為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，管腳3連接到5V。其中管腳2通過(guò)連接到單片機(jī)的PB6管腳，來(lái)被單片機(jī)進(jìn)行溫度采集。溫度測(cè)量模塊電路原理圖如圖3-4所示。圖3-4溫度模塊電路原理圖3.5心率模塊心率模塊選用PluseSensor心率傳感器，因?yàn)镻luseSensor心率傳感器是一種光電反射式模擬傳感器?？梢詫⑵浞胖糜谑种?、手腕、耳垂等身體部位進(jìn)行心率信號(hào)的采集，將采集到的心率模擬信號(hào)通過(guò)傳感器的輸出引腳通過(guò)導(dǎo)線傳輸給單片機(jī)等的控制器處理，通過(guò)其ADC轉(zhuǎn)換功能，將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入到控制器，經(jīng)過(guò)其處理算法后就可以得到當(dāng)前所測(cè)心率數(shù)值，PluseSensor心率傳感器模塊的供電電壓為：3.3V或5V，輸出的信號(hào)類型為模擬信號(hào)。經(jīng)過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)5V供電時(shí)，采集的心率模擬信號(hào)不明顯，極易被噪聲淹沒(méi)，所以采用3.3V供電最佳。PluseSensor心率傳感器實(shí)際上是基于光電容積脈搏波描記法的心率傳感器，可應(yīng)用于便攜式的心率監(jiān)測(cè)設(shè)備。在心率模塊的原理圖可以看出，通過(guò)運(yùn)放芯片放大了脈沖傳感器的原始信號(hào)，并規(guī)范了在采集模擬心率電壓數(shù)據(jù)中間點(diǎn)的心率波形。脈沖傳感器的輸出信號(hào)是隨光強(qiáng)度變化而變化。例如當(dāng)脈沖傳感器上的光強(qiáng)度不變，采集的光亮強(qiáng)度電壓信號(hào)值將保持在一定范圍值的中間點(diǎn)左右。光亮強(qiáng)度越強(qiáng)，心率信號(hào)就越強(qiáng)。光亮強(qiáng)度越弱，則心率信號(hào)越小根據(jù)國(guó)際心跳間隔(IBI)的測(cè)量方法得出我們計(jì)算的單位時(shí)間內(nèi)心率數(shù)值。傳感器的引腳1為VCC輸入，管腳2為模擬心率信號(hào)輸出，管腳3為GND。心率電路模塊原理圖如圖3-5所示，根據(jù)模塊原理圖分析來(lái)看，首先將手指放入傳感器的檢測(cè)區(qū)后，會(huì)通過(guò)綠色發(fā)光二極管將綠光照射到手指上，再通過(guò)光感受器U9及對(duì)應(yīng)的濾波電路對(duì)手指上反射的信號(hào)進(jìn)行處理，之后通過(guò)放大器U10將信號(hào)放大，最后通過(guò)模塊的輸出引腳將心率信號(hào)輸出。心率模塊的信號(hào)輸出管腳與單片機(jī)的A/D管腳PA5相連。單片機(jī)通過(guò)A/D引腳將模擬量轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量，之后進(jìn)行處理。圖3-5心率電路模塊原理圖3.6顯示模塊顯示模塊采用3.2寸的TFT-LCD液晶觸摸屏，因?yàn)門FT-LCD液晶屏是薄膜晶體管型屏幕。半導(dǎo)體開關(guān)控制TFT液晶的每個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的。通過(guò)脈沖信號(hào)控制像素的點(diǎn)亮，這就使得可以連續(xù)控制像素點(diǎn)的點(diǎn)亮，這樣顯示屏顯示速度提高了，而且可以對(duì)屏幕的顏色等級(jí)進(jìn)行精確控制，使TFT液晶屏幕的顏色更真實(shí)。TFT-LCD液晶屏還可以克服未閉合時(shí)產(chǎn)生的串?dāng)_，由于其每個(gè)像素點(diǎn)上都是一個(gè)薄膜晶體管（TFT）。TFT-LCD模塊采用16位的并聯(lián)方式與單片機(jī)的FSMC接口連接，TFT-LCD模塊復(fù)位信號(hào)與控制器的復(fù)位引腳直接連接，不需要程序控制。TFT-LCD屏需要背光控制線來(lái)控制屏幕背光。顯示模塊電路原理圖如圖3-6所示，通過(guò)原理圖可以看出LCD1接口是對(duì)應(yīng)我們顯示屏的引出引腳，就是根據(jù)8080時(shí)序接口與主控制器進(jìn)行連接，進(jìn)而控制LCD屏的顯示功能。其中關(guān)于顯示屏的背部調(diào)光引腳的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽為L(zhǎng)IGHT-PWM，整個(gè)調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)電路是通過(guò)PNP型三極管來(lái)做線性放大器來(lái)使用的，通過(guò)單片機(jī)的控制引腳就可對(duì)屏幕進(jìn)行調(diào)光。U1是電阻觸摸屏控制芯片其中是通過(guò)SPI方式進(jìn)行連接，輸出是X、Y軸左右的屏幕的坐標(biāo)點(diǎn)，可以獲取觸摸屏上的觸摸點(diǎn)位置。J2接口是LCD屏的固定座子，使屏幕可以插入到最小系統(tǒng)板中。座子的引腳對(duì)應(yīng)LCD1接口的引腳。圖3-6顯示模塊電路原理圖3.7GPS模塊GPS模塊采用中科微電子的ATGM332D-5N定位模塊，因?yàn)锳TGM332D-5N模塊是可以接收多種衛(wèi)星信號(hào)的一款衛(wèi)星接收模塊，其中搭載的是中科微的GNSSSOC的芯片AT6558，這款芯片具有32個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收六個(gè)不同導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信息，實(shí)現(xiàn)多種衛(wèi)星的聯(lián)合定位導(dǎo)航并且獲取衛(wèi)星授時(shí)。其中定位模塊可以連接到的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括中北斗、GPS、格洛納斯等?？傮w來(lái)說(shuō)，該模塊是一款功耗和成本都較低、搜星靈敏度快的衛(wèi)星接收模塊。首先通過(guò)模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看出，ATGM332D-5N定位模塊在低功耗模式下在電壓為3.3V時(shí)的運(yùn)行電流小于25mA。提供冷啟動(dòng)方式，使定位模塊不管處于任何位置都可以快速與衛(wèi)星建立連接。模塊可以自動(dòng)檢測(cè)天線是否連接及在天線短路時(shí)提供保護(hù)功能。GPS模塊原理圖如圖3-7所示，通過(guò)原理圖可以看出整個(gè)模塊的電路中電源部分是通過(guò)RT9193電壓轉(zhuǎn)換芯片將轉(zhuǎn)換電壓后，為ATGM332芯片供電。而芯片上的TXD、RXD引腳通過(guò)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽GPS_TXD、GPS_RXD接入單片機(jī)的串口3的PB10、PB11引腳，之后就可通過(guò)串口3與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了。圖3-7GPS模塊原理圖3.8WIFI模塊WIFI模塊主要采用正點(diǎn)原子的ATK-ESP8266無(wú)線WIFI模塊，因?yàn)锳TK-ESP8266模塊是一款串口轉(zhuǎn)WIFI的無(wú)線模塊?？梢源蟠笫÷粤碎_發(fā)者調(diào)試WIFI模塊的時(shí)間。只需要通過(guò)串口就可以與控制器進(jìn)行通信。該模塊搭載了TCP/IP的協(xié)議，只需要通過(guò)對(duì)串口進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，再連接到主控器的串口中，就可以通過(guò)該無(wú)線模塊使數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。同時(shí)該模塊支持了三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模式，并且模塊的供電是3.3V或5V電源供電。通過(guò)模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)上提供的SDK包或AT指令就可以對(duì)模塊進(jìn)行二次開發(fā)，節(jié)省開發(fā)時(shí)間。WIFI模塊原理圖如圖3-9所示，正如原理圖中所展示的WIFI模塊電路由RT9193電壓轉(zhuǎn)換芯片、ESP8266芯片、模塊電源指示燈等構(gòu)成。其中電源模塊主要由RT9193芯片負(fù)責(zé)將輸入的5V電源轉(zhuǎn)化為3.3V電源，為整個(gè)模塊內(nèi)部器件供電。ESP8266芯片主要是通過(guò)RXD、TXD管腳通過(guò)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽RXD_TTL、TXD_TTL與單片機(jī)串口2管腳PA2、PA3連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，等到ESP8266芯片接收到單片機(jī)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)打包并通過(guò)內(nèi)置的TCP協(xié)議打包就可以進(jìn)行發(fā)送。圖3-9WIFI模塊原理圖4系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)是由下位機(jī)端、上位機(jī)端和手機(jī)端三部分結(jié)合而成。其中下位機(jī)端的編譯環(huán)境選擇的是KEIL軟件并采用uVision5IDE，而系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及編寫采用C語(yǔ)言。上位機(jī)端采用中國(guó)移動(dòng)OneNet物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)平臺(tái),其中通過(guò)OneNet云平臺(tái)可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，并且降低開發(fā)時(shí)間。手機(jī)端采用微信官方提供的微信開發(fā)者工具進(jìn)行界面及功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用JavaScript語(yǔ)言來(lái)編寫小程序功能。下位機(jī)端主要負(fù)責(zé)各傳感器的信息采集處理，協(xié)調(diào)好各傳感器的數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確處理，最后通過(guò)LCD屏顯示出來(lái)及向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。上位機(jī)端采用云平臺(tái)技術(shù)，可接收大量的下位機(jī)端的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)記錄，在數(shù)據(jù)流界面實(shí)時(shí)刷新接收到的數(shù)據(jù)。手機(jī)端通過(guò)微信小程序不斷向云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，來(lái)實(shí)時(shí)獲取云平臺(tái)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示，圖4-1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖4.2下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.1軟件總體程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的下位機(jī)端是由STM32F407ZGT6做主控制器，并初始化所需外設(shè)驅(qū)動(dòng)各模塊傳感器進(jìn)行正常工作，通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)的中斷處理函數(shù)確定對(duì)應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)采集及處理的時(shí)間，分批次進(jìn)行數(shù)據(jù)解析及收集。通過(guò)串口程序接受GPS模塊的數(shù)據(jù)及處理，后又通過(guò)串口程序控制WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳OneNet云平臺(tái)操作。軟件總體程序設(shè)計(jì)如圖4-2所示。圖4-2軟件總體程序設(shè)計(jì)4.2.2運(yùn)動(dòng)狀態(tài)程序設(shè)計(jì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的前提是與ADXL345加速度模塊能夠進(jìn)行通信，并且可以獲取我們所需的數(shù)據(jù)。首先采用模擬IIC接口與ADXL345模塊進(jìn)行通信，那么首先就要對(duì)IIC的SDA、SCL的引腳進(jìn)行初始化，采用宏定義來(lái)對(duì)IIC的引腳接口進(jìn)行定義，選擇PB8、PB9來(lái)模擬IIC的SDA、SCL引腳，由于IIC是半雙工，因而數(shù)據(jù)線的SDA引腳需要承擔(dān)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收功能，所以需要對(duì)定義IIC的SDA管腳進(jìn)行兩次相應(yīng)的初始化配置。其次就是對(duì)傳感器進(jìn)行必要的初始化步驟：首先進(jìn)行對(duì)設(shè)備進(jìn)行上電，之后向從發(fā)送命令，開始對(duì)從設(shè)備讀寫，最后讀寫完成結(jié)束。對(duì)獲取到的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，以此得到我們想要的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)傳感器Z軸數(shù)據(jù)的分析，在定時(shí)器3的定時(shí)器中斷到達(dá)后，讀取ADXL345傳感器的數(shù)據(jù)并以此為基礎(chǔ)得到X、Y、Z三軸的數(shù)據(jù)，通過(guò)觀測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)Z軸數(shù)據(jù)反應(yīng)比較強(qiáng)烈，以Z數(shù)據(jù)為參照將正常狀態(tài)下Z軸數(shù)據(jù)的最大值、最小值當(dāng)作判斷運(yùn)動(dòng)的閾值，異常情況下的數(shù)據(jù)當(dāng)作傾斜次數(shù)。以此得出人體的步數(shù)與距離。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-3所示，圖4-3運(yùn)動(dòng)狀態(tài)程序設(shè)計(jì)流程圖其中單片機(jī)讀取ADXL加速度模塊的數(shù)據(jù)步驟：首先單片機(jī)通過(guò)IIC通信方式，給模塊發(fā)送寫命令，之后模塊接收到指令后給出應(yīng)答，最后單片機(jī)對(duì)模塊已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，單片機(jī)在讀取到所需要的數(shù)據(jù)之后，給模塊發(fā)送停止通信指令，斷開通信連接。獲取加速度傳感器數(shù)據(jù)代碼圖如圖4-4所示，圖4-4獲取加速度傳感器數(shù)據(jù)代碼圖4.2.3溫度采集程序設(shè)計(jì)首先對(duì)DS18B20進(jìn)行引腳初始化，因?yàn)镈S18B20是單總線數(shù)字輸出的溫度傳感器，通過(guò)單導(dǎo)線連接控制芯片就可以進(jìn)行通信，所以根據(jù)DS18B20的特性需要對(duì)單片機(jī)的連接引腳的模式進(jìn)行兩次配置，一次配置輸入，一次配置輸出。其次需要對(duì)DS18B20傳感器模塊進(jìn)行必要的模塊初始化，以確保模塊的正常。而DS18B20因?yàn)槭菃慰偩€通信，所以對(duì)延時(shí)要求極為嚴(yán)格，其初始化首先將數(shù)據(jù)線置高—>延時(shí)—>數(shù)據(jù)線拉到低—>延時(shí)750us—>數(shù)據(jù)線拉到高—>延時(shí)等待模塊返回值—>數(shù)據(jù)線再次拉高—>結(jié)束。對(duì)以上操作代碼進(jìn)行總結(jié)并加入判斷，得到帶有返回值的DS18B20初始化代碼（0：成功；1：失?。Ｗ詈笞xDS18B20傳感器溫度存儲(chǔ)寄存器，得到轉(zhuǎn)換完成的溫度值。溫度采集程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-5所示，圖4-5溫度采集程序設(shè)計(jì)流程圖關(guān)于如何將DS18B20溫度傳感器獲取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為我們所需要的溫度值，由于傳感器中所存儲(chǔ)的溫度值低字節(jié)在前高字節(jié)在后，所以我們?cè)讷@取溫度值時(shí)需要對(duì)讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，首先將讀到的第一次的低字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，再結(jié)合第二次讀到的高字節(jié)數(shù)據(jù)，首先看高字節(jié)數(shù)據(jù)是否超出字節(jié)范圍，如果超出證明溫度是負(fù)值需要進(jìn)行反向操作，如果讀出的字節(jié)數(shù)據(jù)正常將高字節(jié)數(shù)據(jù)保存到16位變量中并向左移動(dòng)8位，之后將低字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，如此得到的變量就是我們所需的溫度值了。4.2.4心率采集程序設(shè)計(jì)PluseSensor傳感器采集心率是通過(guò)采集模擬信號(hào)的變化周期，而單片機(jī)所能處理的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，所以需要用到ADC轉(zhuǎn)換，對(duì)單片機(jī)的AD引腳進(jìn)行基礎(chǔ)配置，并對(duì)采集到的心率信號(hào)進(jìn)行分析處理，就得出心率數(shù)據(jù)。其中選用PA5引腳來(lái)進(jìn)行ADC采集，初始化ADC采集管腳的時(shí)鐘，設(shè)置PA5引腳方式為模擬輸入，設(shè)獨(dú)立模式轉(zhuǎn)換。ADC1進(jìn)行4分頻時(shí)鐘為21MHz、12位模式轉(zhuǎn)換等。對(duì)心率數(shù)據(jù)處理，采用定時(shí)器5來(lái)進(jìn)行心率數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)心率數(shù)據(jù)采集時(shí)，定時(shí)器2ms后進(jìn)入中斷進(jìn)行ADC信號(hào)的采集與處理，對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)的ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)閾值計(jì)算，得出心率信號(hào)的波峰與波谷，記錄下首次出現(xiàn)ADC峰值的時(shí)間、通過(guò)濾波程序?qū)⒏蓴_信號(hào)濾除、記錄再次出現(xiàn)ADC峰值的時(shí)間，兩次時(shí)間差就是心跳時(shí)間間隔IBI，由此就求出心率信號(hào)。心率信號(hào)的處理代碼如下：心率采集程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-6所示，圖4-6心率采集程序設(shè)計(jì)流程圖4.2.5GPS處理程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用采用中科微電子的ATGM332D-5N作為系統(tǒng)的GPS定位模塊，可以通過(guò)串口與STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的解析與處理，得到所需的GPS數(shù)據(jù)。想要使用該模塊，首先需要對(duì)串口3進(jìn)行初始化，以此接收定位模塊的數(shù)據(jù)，也可通過(guò)串口對(duì)模塊的波特率及發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。串口3的發(fā)送接收引腳選用PB11作為RX，PB10作為TX。對(duì)于串口配置首先需要對(duì)GPIOB和UART3的時(shí)鐘進(jìn)行使能，并復(fù)用普通IO口為USART3引腳，串口3的波特率為115200，并打開串口3的接收中斷。在配置好串口3之后，就可以與GPS定位模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互了，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的解析處理后，就可得到我們所需的數(shù)據(jù)。GPS處理程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-7所示，圖4-7GPS處理程序設(shè)計(jì)流程圖由于GPS模塊發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)是根據(jù)美國(guó)指定的NEMA-0183協(xié)議，其中我們需要的經(jīng)緯度信息保存在$GPRMC協(xié)議里，所以需要對(duì)獲取的信息進(jìn)行辨別，并且將經(jīng)緯度信息通過(guò)字符串匹配方式解析出來(lái)，單片機(jī)處理GPS數(shù)據(jù)代碼圖如圖4-8所示，圖4-8單片機(jī)處理GPS數(shù)據(jù)代碼圖4.2.6WIFI傳輸程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用正點(diǎn)原子的ATK-ESP8266 模塊來(lái)作為WIFI的發(fā)送接收模塊，與控制器使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，由于其內(nèi)部有TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)串口到WIFI的轉(zhuǎn)換。使用WIFI模塊時(shí)，WIFI模塊引腳與STM32串口2引腳連接。主控制器通過(guò)WIFI模塊發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的流程為：主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)到WIFI模塊，WIFI模塊再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中或WIFI模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到主控制器。當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)上述功能首先對(duì)控制器的串口2首先進(jìn)行基礎(chǔ)配置，其中將PA2、PA3分別作為串口2的TX、RX引腳，通過(guò)對(duì)其和GPS模塊所用串口3基本相同的初始化配置。以此驅(qū)動(dòng)WIFI模塊來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)到底上位機(jī)。在配置好串口后就可以通過(guò)WIFI模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了，首先需要讓W(xué)IFI模塊連接到路由器，借此連接到網(wǎng)絡(luò)中，之后就可以通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到WIFI模塊，而WIFI模塊通過(guò)云平臺(tái)提供的對(duì)應(yīng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的網(wǎng)絡(luò)地址了。WIFI模塊發(fā)送數(shù)據(jù)代碼圖如圖4-9所示：圖4-9WIFI模塊發(fā)送數(shù)據(jù)代碼圖4.2.7LCD顯示程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的LCD屏采用的是3.2寸LCD液晶屏，其中顯示屏上可以顯示使用者的體溫、心率、步數(shù)運(yùn)動(dòng)信息等，控制器與LCD屏通過(guò)FSMC引腳進(jìn)行連接，其中單片機(jī)自帶了FSMC接口，通過(guò)8080時(shí)序使單片機(jī)和LCD屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用單片機(jī)的FSMC_NE4引腳當(dāng)作LCD屏的片選引腳，F(xiàn)SMC[D0~15]接入LCD屏的雙向數(shù)據(jù)輸入引腳，單片機(jī)的FSMC_NEW、FSMC_NOE接入LCD屏的讀寫控制引腳，單片機(jī)的PB15引腳接入LCD屏幕的背光控制管腳。FSMC_A6管腳接入LCD屏的命令數(shù)據(jù)控制管腳。獲取顯示屏上對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的顏色數(shù)據(jù)或在LCD屏上某一坐標(biāo)顯示我們指定的顏色，這個(gè)過(guò)程為：設(shè)置坐標(biāo)—>讀指令—>（讀/寫）顏色數(shù)據(jù)。當(dāng)要驅(qū)動(dòng)LCD屏幕上顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先需要對(duì)單片機(jī)的一些管腳初始化復(fù)用為FSMC模式，其次需要對(duì)LCD屏進(jìn)行初始化操作，之后就可以通過(guò)8080時(shí)序向LCD屏發(fā)送數(shù)據(jù)了，LCD屏接收到單片機(jī)的數(shù)據(jù)之后就可以通過(guò)LCD控制芯片對(duì)屏幕上的發(fā)光二極管進(jìn)行操作，顯示我們需要的字符和圖像了。具體的操作是，首先需要建立我們自己的字符庫(kù)，對(duì)我們需要顯示的字符進(jìn)行取模操作，之后將字符取模后的16進(jìn)制數(shù)進(jìn)行匯總排列，創(chuàng)建字符的.h庫(kù)。之后就可以通過(guò)控制LCD屏上進(jìn)行打點(diǎn)操作，將點(diǎn)連接到一起，并控制好需要顯示到屏幕上的X、Y坐標(biāo)，LCD屏就可以在指定的位置上顯示字符了。LCD顯示程序的代碼圖如圖4-10所示，圖4-10LCD顯示程序代碼圖4.3上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.3.1上位機(jī)系統(tǒng)介紹整體的上位機(jī)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，分別為OneNet云平臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、微信小程序顯示數(shù)據(jù)。兩個(gè)部分各自負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)的功能，通過(guò)云服務(wù)進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可為后續(xù)身體數(shù)據(jù)的提供可靠的參照依據(jù)，而微信小程序的隨用隨開，用完及關(guān)的便捷性更適應(yīng)于當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展。基于上述優(yōu)點(diǎn)選擇了云平臺(tái)加小程序來(lái)構(gòu)建上位機(jī)軟件的整體系統(tǒng)，以此來(lái)適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展潮流及用戶習(xí)慣。4.3.2上位機(jī)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)上位機(jī)的系統(tǒng)界面分為OneNet云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面及微信小程序顯示界面。之中對(duì)于OneNet云平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)沿用云平臺(tái)提供的界面，其中包含了數(shù)據(jù)流展示界面及設(shè)備在線記錄界面、下方命令界面等。而數(shù)據(jù)流展示頁(yè)面提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新的功能。OneNet云平臺(tái)界面如圖4-11所示，圖4-11OneNet云平臺(tái)界面圖微信小程序的界面采用WXML模板與WXSS樣式相結(jié)合設(shè)計(jì)，其中WXML模板描述界面的樣式，其中WXML提供view,button等等的標(biāo)簽及地圖、文本框、按鍵等等的組件。修改頁(yè)面樣式的功能時(shí)，可以對(duì)WXSS樣式的全局或局部進(jìn)行修改。而在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)微信小程序的頁(yè)面中包含了步數(shù)、距離、速度、心率、溫度等的信息。微信小程序手機(jī)頁(yè)面如圖4-12所示，圖4-12微信小程序手機(jī)頁(yè)面圖4.3.3上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上位機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是微信小程序的程序設(shè)計(jì)為重，OneNet云平臺(tái)根據(jù)提供的用戶手冊(cè)，就可搭建自己想要的云平臺(tái)功能以及之間的通信協(xié)議。而微信小程序的程序設(shè)計(jì)主要是通過(guò)JSON語(yǔ)法和腳本語(yǔ)言JavaScript來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的，其中

JavaScript，主要控制小程序頁(yè)面邏輯，也是實(shí)現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)的交互。在通過(guò)OneNet云平臺(tái)獲取微信小程序所需的數(shù)據(jù)就可以在微信小程序中顯示了。其中小程序獲取OneNet云平臺(tái)的代碼如圖4-13所示：圖4-13小程序獲取OneNet云平臺(tái)代碼圖5系統(tǒng)測(cè)試5.1系統(tǒng)總體測(cè)試方案整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試共有兩個(gè)部分組成：上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)。首先上位機(jī)系統(tǒng)由實(shí)體電路和單片機(jī)軟件構(gòu)成，對(duì)待硬件電路所采用的測(cè)試方法主要是通過(guò)對(duì)比原理圖查看模塊接口是否對(duì)應(yīng)，之后會(huì)上電測(cè)試模塊是否正常工作。而對(duì)于軟件方面下位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化調(diào)試，進(jìn)行功能性的測(cè)試，并且等待所有軟件功能調(diào)試暢通后，再進(jìn)行上位機(jī)系統(tǒng)軟件的調(diào)試，搭建云平臺(tái)并設(shè)定特定的數(shù)據(jù)流讓小程序進(jìn)行獲取，并看是否正常獲取數(shù)據(jù)并顯示。上述系統(tǒng)功能調(diào)試完成后，同時(shí)打開單片機(jī)端與上位機(jī)端系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行，通過(guò)觀測(cè)心率、溫度、步數(shù)、距離等數(shù)據(jù)在單片機(jī)端與手機(jī)端是否對(duì)應(yīng)，來(lái)檢查系統(tǒng)功能是否實(shí)現(xiàn)。之后開啟系統(tǒng)一段時(shí)間，檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，程序運(yùn)行是否正常。5.2硬件系統(tǒng)測(cè)試硬件各模塊電路元件如圖5-1所示，其中先對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，保證每個(gè)模塊上電之后便都可以正常工作，避免發(fā)生后續(xù)組裝出現(xiàn)的短接及斷連的情況。如模塊出現(xiàn)問(wèn)題首先觀測(cè)模塊器件是否出現(xiàn)虛焊或者漏焊情況，如沒(méi)有上述故障，則開始用萬(wàn)用檢測(cè)各模塊之間管腳是否對(duì)應(yīng)正確，排除接線錯(cuò)誤。如上述情況都沒(méi)檢測(cè)出問(wèn)題，則需進(jìn)行更換模塊器件。圖5-1系統(tǒng)硬件模塊圖在下位機(jī)軟件程序編譯通過(guò)后，使用STLINK下載器將程序燒錄到本系統(tǒng)中。在程序燒錄進(jìn)系統(tǒng)后，將單片機(jī)用按鍵進(jìn)行復(fù)位，之后斷電。再次上電后就可在LCD屏上看到顯示的溫度、心率、步數(shù)等信息。系統(tǒng)上電測(cè)試圖如圖5-2所示：圖5-2系統(tǒng)上電測(cè)試圖5.3軟件系統(tǒng)測(cè)試5.3.1下位機(jī)軟件系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中的下位機(jī)軟件系統(tǒng)的測(cè)試分為每個(gè)單獨(dú)模塊驅(qū)動(dòng)程序是否能驅(qū)動(dòng)模塊，并與模塊建立正確的數(shù)據(jù)通信。在整體系統(tǒng)程序編譯無(wú)誤后，使用SW接口將程序下載到開發(fā)板子中，之后再通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新上電操作，并將手指靠近心率傳感器，等到數(shù)據(jù)變穩(wěn)定后，觀測(cè)LCD屏是否顯示出心率、溫度、步數(shù)等數(shù)據(jù)。如圖5-3所示。圖5-3下位機(jī)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖5.3.2上位機(jī)軟件系統(tǒng)測(cè)試上位機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試是打開系統(tǒng)的硬件部分及下位機(jī)軟件并保證測(cè)試無(wú)誤后，打開OneNet云平臺(tái)界面并在其中創(chuàng)建代表心率、溫度、步數(shù)等的數(shù)據(jù)流，觀測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)端是否接入云平臺(tái)，隨后打開微信小程序在編譯運(yùn)行后，觀察界面上的數(shù)據(jù)是否獲取成功，最后微信小程序界面就會(huì)顯示LCD屏上對(duì)應(yīng)的心率、溫度、步數(shù)等的數(shù)據(jù)，如圖5-4所示。圖5-4上位機(jī)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖5.4整體系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果根據(jù)之前系統(tǒng)的需求出發(fā)，對(duì)本系統(tǒng)的一些性能進(jìn)行測(cè)試，本次測(cè)試的主要人員為本系統(tǒng)的開發(fā)者，首先對(duì)心率進(jìn)行測(cè)量，采取多次測(cè)量數(shù)據(jù)最后匯總的方式對(duì)系統(tǒng)心率采集的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，首先選取的參照心率測(cè)量設(shè)備為手機(jī)中的APP測(cè)量，測(cè)試人員每隔一分鐘分別使用設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表5-1所示，表5-1心率測(cè)試結(jié)果次數(shù)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)手機(jī)APP數(shù)據(jù)誤差率185872.3%286882.3%384851.2%486882.3%587903.3%684873.5%續(xù)表5-1次數(shù)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)手機(jī)APP數(shù)據(jù)誤差率785872.3%886893.4%984873.5%1086893.4%如表5-1所示。本系統(tǒng)對(duì)于心率測(cè)量的誤差率基本滿足在2%~4%之間，間接完成了系統(tǒng)性能指標(biāo)，并且可以滿足使用者的日常使用。對(duì)于體溫的測(cè)量，雖然實(shí)現(xiàn)了整體系統(tǒng)中的溫度測(cè)量，但是因?yàn)闇囟葌鞲衅鞯倪x型未能達(dá)到檢測(cè)體溫的標(biāo)準(zhǔn)，所以在后續(xù)系統(tǒng)完善時(shí)，會(huì)進(jìn)行新的選型，關(guān)于溫度的測(cè)試就先終止！對(duì)于步數(shù)的測(cè)量，其測(cè)量人員同樣是開發(fā)者，身高1.8米，年齡22歲，首先在測(cè)量好距離的直線道路上，