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(西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安710021)

0 引言

场地自行车比赛是一项高速运动，实时获取运动员在比赛中的生理参数可以很好的反映比赛状态，在运动员生理参数监测方面，国内外做了很多相关的研究，监测方法主要包括生物医学方法和传感器监测方法[1]。生物医学方法是训练后采集血清来检测数据，这种方法没有实时性，不适合比赛中使用。传感器监测方法一般采用传感器+存储器的形式来实现，这种设备体积小，易佩戴，但是不具备网络功能，实时性达不到比赛实际需求。

近些年来，可穿戴监控设备大量问世，如小米手环、苹果运动手表等[2]。这类设备小巧轻盈，待机时间长，同时具备蓝牙通信功能，可以把数据无线传输至智能手机端。但是这些可穿戴设备测量数据并不精确，实时性也达不到比赛要求，一般只适合普通大众使用。

基于以上情况，设计了一套无线实时监测系统，本系统采用了GY-MCU90615红外温度传感器和AD8232心电传感器来作为体温和心电的采集前端，以STM32微处理器为核心，通过Zigbee实时将数据传输至LabVIEW上位机界面，供教练员查看。

1 系统整体设计

本系统整体架构由数据采集、无线通信和上位机，系统整体架构如图1。数据采集部分用于采集心电和体温数据，并将数据封装成帧来传输。无线通信部分由终端节点和协调器组成，两块Zigbee模块组网，实现了透明传输功能。上位机部分负责实时显示接收的心电和体温数据。

图1 系统整体架构

2 硬件选型与设计

2.1 终端节点设计

终端节点由微控制单元、电源模块、Zigbee透明传输模块、心电采集模块、体温采集模块等组成，终端节点架构图如图2。

图2 终端节点架构

处理器通过串口(UART)与红外温度传感器通信，通过ADC转换器对心电信号进行转换。Zigbee透明传输模块通过串口与处理器进行交互，实时发送采集的数据到上位机。

2.2 微处理器

微处理器采用意法半导体公司的32位微控制器STM32F103C8T6，该微处理器具有48 k SRAM、256 k FLASH、2个16位基本定时器、4个16位通用定时器、2个16位高级定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个ⅡC、5个UART、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、51个通用IO口等外设资源[3]。而且STM32F103C8T6资料非常丰富，功耗很低，目前广泛应用于PDA、医疗器械、机器人以及工业设备等场合。设计的场地自行车运动员生理参数实时监测系统对实时性和准确性要求较高，因此STM32F103C8T6适合自行车比赛这种高速运动环境下的研究。

2.3 电源模块

由于本系统中微控制单元、心电传感器、温度传感器和Zigbee模块的工作电压均是3.3 V，因此，需要为各个模块提供3.3 V的电源。本系统使用4.2 V电池供电，通过RT8009线性稳压器[4]转换为3.3 V电压，RT8009的原理图如图3。

图3 RT8009原理

2.4 心电采集模块

心电采集模块主要通过在人体皮肤表面放置若干电极片来获取数据，由于前端设备是在比赛中佩戴在运动员身体上的，因此需要PCB面积小，不能影响运动员发挥，同时，要求精度高、滤波性能强。基于以上需求，心电采集模块选用亚德诺半导体公司的AD8232心电传感器。AD8232主要用于ECG(心电信号)监测，也可以测量其他生物电数据，AD8232内部集成了有源滤波器、右腿驱动放大器、以及高精度的仪表放大器等单元；具备低功耗待机、导联脱落检测，ECG快速恢复等功能[5]。AD8232实物图如图4。

图4 AD8232实物

本系统用单导联的方式来采集心电数据，在人体心脏附近放置2个电极，由于在采集参数的过程中存在基线漂移，肌电干扰和工频干扰等噪声，因此，系统使用了右腿驱动放大器来驱动第3个电极，改善系统的抗噪性能。

2.5 体温测量模块

由于场地自行车比赛是一项高速运动，运动员的穿戴装备应尽量小巧，设备在正常工作的同时不能对运动员造成任何不适感。因此，本系统采用非接触式的红外温度传感器GY-MCU90615。GY-MCU90615价格低廉，工作电压在3～5 V之间，体积小，功耗低，精度高，而且数据采集速度快，非常适合本系统的需求。其工作原理，是通过MCU读取红外温度数据，通过串口(TTL电平)通信方式输出。有连续输出与询问输出两种方式，可适应不同的工作环境，可与所有的单片机及PC连接[6]。

GY-MCU90615的实现原理是基于红外辐射测温[7]，其辐射能量与温度的关系满足Stefan-Boltzmann辐射定律：

E=εδT4

δ是常数；ε是辐射率，因此，在物体的辐射功率已知的条件下，可以通过辐射定律公式算出被测目标物体的温度。GY-MCU90615的可以输出被测目标温度To和传感器自身温度Ta，计算公式如下：

2.6 Zigbee透传模块

相对于蓝牙、红外、超宽带技术(UWB)等，Zigbee模块因具有价格低、功耗小、自组网、速率快等特点而得到广泛应用。目前市场上最广泛使用的Zigbee模块大都采用TI公司的CC2530芯片。该芯片以改良型的、具有流水线结构的8051架构为内核，自带16 k或32 k Flash ROM、2 k静态RAM、12位ADC等模拟、数字外设，并嵌入基于IEEE 802.15.4标准的2.4G无线收发硬件[8]。本系统选用深联创新公司的DL-20 Zigbee透传模块。该模块适应3～5.5 V的电压，支持全双工通信，可以双向同时收发，支持P2P模式、Broadcast模式，P2P模式传输带有确认，可以确保数据丢失率为0，支持不间断发送，不限制包的长度，最快传输速率可以达到3 300 b/s，最远可以传输250 m。

本系统采用Zigbee透传模块传输数据，发送方为运动员身上佩戴的终端节点，接收方为连接在PC上的协调器，协调器将终端节点发来的数据解析后，通过串口发送到上位机，整个数据的传输过程对收发双方都是透明的，Zigbee透传流程如图5。

图5 Zigbee透传流程

3 下位机软件设计

本系统下位机软件要完成体温和心电数据的采集，软件主要包含2个部分: 主程序和定时器中断子程序。系统会为体温数据和心电数据开辟缓存区，系统初始化以后，主程序开始在一个循环中检测缓存区中是否出现新的数据，缓存区一旦出现新数据，就会立刻通过Zigbee透明传输模块进行发送，发送完成后清空数据缓存区，等待新数据的接收。主程序的流程图如图6。

图6 主程序流程

定时器中断子程序用于心电数据的采集，系统的采集频率为500 Hz，即每隔2 ms进一次定时器中断，采集A/D转换数据，然后将数据存入心电缓存区，流程如图7。

图7 中断子程序流程

4 上位机软件设计

上位机界面采用美国国家仪器公司的LabVIEW2012软件编写。LabVIEW使用的是图形化编辑语言G语言，集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，可以大大减少在程序编写上的工作量[9]。

LabVIEW程序分为前面板和后面板程序，后面板程序主要利用LabVIEW的VISA serial函数模块对串口数据进行读写操作，前面板负责实时展示采集上来的数据，上位机界面如图8。

图8 上位机界面

5 实验结果

5.1 心电采集实验结果

AD8232内部集成了高通和低通滤波器，可以在含有噪声干扰的状况下采集微弱的心电信号，图9为AD8232采集到的原始心电波形，此波形过滤掉了大部分的肌电干扰和50 Hz工频干扰，但是仍存在一些由呼吸引起的基线漂移和其它噪声。为了方便用户的使用，需要在上位机对信号进行软件滤波[10]，滤波后的波形如图10，该波形较平滑，基本过滤了基线漂移和其它噪声的干扰。

图9 原始心电波形

图10 滤波后的波形

5.2 体温采集实验结果

体温数据并不是生物电信号，不存在肌电干扰、基线漂移等噪声的影响，测量相对心电信号更容易，但本系统对体温数据的精度要求很高，因此在实验过程中，通过和测温精度较高的基于热电偶测温原理的数字温度计比较来检验GY-MCU90615的精度，实验在同等条件下测得5组数据，结果如表1所示。

表1 测温结果 ℃

从结果可以看出，GY-MCU90615测出的体温数据与数字温度计比较接近，而且GY-MCU90615采集体温的速度能达到毫秒级别，可以很好地满足本系统的需求。

6 结束语

设计的场地自行车运动员生理参数实时监测系统，改进了传统的传感器+存储器的监测方法，加入了网络通信功能，可以实时地将采集的数据上传至上位机进行显示，方便用户实时获取数据。本系统实时性高、测量准确，而且易穿戴，不仅可以用于专业的竞技体育领域，而且还可以推广至普通大众中，适用于医院、敬老院等各种场景，有着很好的应用前景和宽广的市场空间。

[1] 林英禄. 运动数据的实时监测与健康评价模型的研究[D].上海：华东师范大学,2015.

[2] 封顺天. 可穿戴设备发展现状及趋势[J]. 信息通信技术,2014,8(03):52-57.

[3] 魏计林,吴海洋,邱选兵. 基于MLX90615的红外耳温计设计[J]. 光机电信息,2011,28(06):35-38.

[4] RT8009 Datasheet[Z].China: Taiwan,2007.

[5] MENG S. Design and implementation of long-Term Single-Lead ECG Monitor[A]. Scientific Research Publishing.Proceedings of 2015 Spring World Congress on Engineering and Technology(SCET) [C]∥Scientific Research Publishing:,2015:6.

[6] MLX90615 Datasheet[Z].America: Melexis,2013.

[7] 张弓,李玉石. 红外辐射测温原理及使用[J]. 品牌与标准化,2010(24):38-39.

[8] 蔡植善,陈木生. 多传感器数据融合的火灾探测报警系统设计[J]. 泉州师范学院学报,2015,33(02):72-77.

[9] 王显军. LabVIEW对串口采样测量数据的处理[J]. 电子测量技术,2014,37(03):107-111.

[10] 崔丽.MATLAB小波分析30个案例分析[M].北京:北京航空航天大学出版社,2016.