便携式健康监测设备的设计

2021-02-28北方工业大学信息学院陈展翮陈亮宇赵涵迪

电子世界 2021年21期

北方工业大学信息学院陈展翮陈亮宇赵涵迪

本文给出了基于ADS1292R、LMT70、STM32F103RCT6单片机、计步传感器、HC-05蓝牙模块的便携式健康监测设备的设计方案。系统通过ADS1292R采集心电信号并计算出瞬时心率，通过LMT70采集温度数据，通过计步传感器采集步数信息并计算出距离数据。同时，手机端可显示使用者心电波形、心率、温度和运动数据。

随着我国民众生活质量的日益提高，许多人开始注重自身的身体健康情况。为了适应人们对于监测身体健康的需求，本文设计了一种基于蓝牙无线传输的便携式健康监测设备，系统以STM32F103RCT6单片机为主控芯片，具有心电测量模块（ADS1292R）、温度测量模块（LMT70）以及步数测量模块（PER662），能够稳定采集和记录佩戴者的心电信息、体温和实时的运动情况，并通过蓝牙模块(HC-05)将测得数据实时传送到手机APP以便人们知晓自己目前的身体状态，满足了人们的需求。本文所给出设计方案图如图1所示。

图1 系统总体设计方案图

1 总体方案设计

该便携式健康监测设备主要实现了采集心电数据并计算心率、体表温度测量、步数和距离记录以及通过蓝牙数据传输到手机端显示等功能，心电信号采集使用TI公司设计的ADS1292R模拟前端芯片；心率由采集的心电信号处理之后通过算法计算获得；体温检测使用TI公司LMT70温度传感器；单片机选用意法半导体STM32F103RCT6；信号采集端与手机端的数据传输使用蓝牙模块实现，信号采集端使用HC-05蓝牙模块，手机端使用手机自带的蓝牙模块；手机端使用APP Inventor搭建安卓应用，心电信号的绘制使用APP Inventor提供的画布模块实现。

1.1 处理器模块

在本次设计中所采用的处理器为意法半导体设计的基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103RCT6单片机，其为32位处理器，工作频率最高可达72MHZ。相较于MSP430、AVR和Ardnino等单片机芯片，STM32系列芯片具有更高的处理速度、更多的输入输出接口和更多的内部资源，十分符合本次设备的设计需求。

1.2 心电测量模块

ADS1292R是TI公司专门用于心电信号和呼吸信号测量的模拟前端芯片，拥有32个引脚，在本次设计中我们只使用其心电信号采集功能。其广泛应用于医疗仪器中，例如作为动态心电图(Holter)中的心电信号采集芯片。该模块具有2个可编程增益放大器（PGA）和2个24位模数转换器（ADC），使得其获取的心电信号较为准确，作为本次心电信号采集的芯片较为合适。

1.3 步数测量模块

PER662是一个3D计步功能IC模块。其使用标准I2C接口输出，模块使用了一个较高性能的计步器主控芯片和一个灵敏度高的重力传感器，同时使用了高精度的计步算法，使其在任何方向都可以准确计步。该模块具有体积小、功耗低等特点，符合本次设备设计的需要。当模块检测到有走步动作时，模块产生一个外部中断信号给单片机，同时步数累加，距离数据等于0.6累计步数。

1.4 温度测量模块

LMT70是TI公司开发的一款超小型、高精度、低功耗CMOS精密模拟温度传感器，它适合于精度要求高、要求功耗小的测温场景。LMT70的温度误差仅为±0.1°C，可以感知到人体表面微小的温度变化，适合作为本次温度采集模块所采用的芯片。

1.5 蓝牙通信模块

HC-05蓝牙模块是一种主从一体的蓝牙串口模块，简单来说，就是在蓝牙连接成功之后可以不用理会蓝牙通信内部的协议，只需将其视为一个通用串口即可。这大大降低了硬件开发难度，直接将STM32上所提供的串口转化为了无线蓝牙串口，与本次设备的开发起到了关键的作用。

1.6 手机端APP开发

App Inventor是Google公司开发的一款在线并且开放的Android编程工具，通过类似于搭积木的编程方式来完成App开发，其中内置了蓝牙服务器、计时器等本次软件开发所必需的组件。相较于Android Studio等Android开发工具，使用APP Inventor不需要配置复杂的系统环境并且更易于上手，与本次对于软件开发的要求十分契合。