毛 銳,洪遠(yuǎn)泉,李康明,鄭萬意韶關(guān)學(xué)院電子系,廣東韶關(guān) 512005
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基于STM32可穿戴實(shí)時監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計
毛銳,洪遠(yuǎn)泉,李康明,鄭萬意
韶關(guān)學(xué)院電子系,廣東韶關(guān)512005
摘要圍繞可穿戴思路,從健康監(jiān)測、實(shí)時防護(hù)角度出發(fā),提出了可穿戴實(shí)時監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方案。以STM32處理器為控制核心,主要包含智能手表和防護(hù)頭盔2個模塊。實(shí)現(xiàn)了多功能手表、計步、體參測量、跌倒檢測報警等功能。
關(guān)鍵詞嵌入式處理器;可穿戴設(shè)備;體參監(jiān)測;跌倒檢測
隨著社會的發(fā)展和電子技術(shù)進(jìn)步,可穿戴設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛。將電子產(chǎn)品嵌入到衣服、帽子、鞋、手表等物體上,形成智能穿戴設(shè)備,對方便我們生活、提高生活質(zhì)量很有幫助,受到越來越多人的喜愛[1]。本文介紹了一款功能強(qiáng)大的可穿戴實(shí)時監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計,具有體參測量、多用手表、一鍵定位報警、運(yùn)動數(shù)據(jù)采集、身體危險監(jiān)測與報警等功能,適合戶外運(yùn)動、戶外作業(yè)等各類人群的應(yīng)用。
如圖1所示,系統(tǒng)主要由微型智能手表和可嵌入帽子2個模塊組成。2個模塊都以STM32微處理器為核心,既可相互配合工作,也可獨(dú)立運(yùn)行。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1微型智能手表模塊設(shè)計
微型智能手表模塊主要由微處理器、脈率測量模塊、計步模塊、觸摸屏、無線傳輸模塊等組成。在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手表功能的基礎(chǔ)上,還可監(jiān)測脈搏體參數(shù)據(jù),并根據(jù)人體運(yùn)動時手勢的變化,進(jìn)行走動步數(shù)監(jiān)測。
脈率測量電路如圖2所示。將紅外傳感器嵌入手表底部,檢測由于心臟周期性收縮和擴(kuò)張產(chǎn)生的搏動心電信號,經(jīng)過放大、濾波、整形后,送到單片機(jī)進(jìn)行處理,得出脈率數(shù)據(jù)[2-4]。
圖2 脈率測量電路圖
1.2可嵌入式帽子模塊設(shè)計
帽子模塊主要由體溫監(jiān)測模塊、人體姿態(tài)檢測模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊等組成。采用三維角度傳感器MPU6050模塊檢測人體姿態(tài)信號,作為老人、戶外作業(yè)人群等使用群體摔倒時的判斷依據(jù),實(shí)現(xiàn)摔倒意外監(jiān)測功能。采用單片機(jī)控制GPS模塊,完成地理位置信息,實(shí)現(xiàn)戶外定位、導(dǎo)航等功能。系統(tǒng)設(shè)計最大特色是一體設(shè)計,采用無線供電貼片,取消所有外置接口。這種設(shè)計能夠大大加強(qiáng)可穿戴設(shè)備的防水防潮防塵能力,顯著提高設(shè)備的穩(wěn)定性與使用壽命。
2.1智能手表模塊軟件設(shè)計
手表模塊軟件部分主要負(fù)責(zé)多用手表的功能實(shí)現(xiàn)、脈率測量、計步測量和帽子端無線數(shù)據(jù)傳輸。主程序流程如圖3所示。采用前后臺結(jié)構(gòu)的模塊化編程。主程序完成各個功能模塊的初始化、通端控制。手表、脈率測量、計步等功能,一旦啟動,都有相應(yīng)的中斷程序負(fù)責(zé)監(jiān)控處理,各個功能模塊完成數(shù)據(jù)采集處理后,按照指定的格式,將數(shù)據(jù)放在顯示緩沖區(qū)。主程序循環(huán)對顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行屏幕刷新。脈率測量程序利用STM32內(nèi)置高級計數(shù)器來實(shí)現(xiàn),通過計算預(yù)置系統(tǒng)時間內(nèi)脈搏脈沖引起的計數(shù)器計數(shù)值來獲得脈率信息,并進(jìn)行數(shù)字濾波,消除工頻干擾。體參數(shù)據(jù)由2.4G無線傳輸模塊,從帽子端接收到數(shù)據(jù),手表端會進(jìn)行數(shù)據(jù)正確性判斷、整理,然后儲存在外部儲存器中,最后刷新屏幕進(jìn)行顯示。
圖3 手表端主流程圖
2.2可嵌入式帽子端軟件設(shè)計
帽子端的軟件部分主要負(fù)責(zé)人體姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集、跌倒判斷以及報警處理等,流程圖如圖4所示。采用定時中斷,獲取MPU6050姿態(tài)數(shù)據(jù),如果姿態(tài)數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi),則進(jìn)行卡爾曼數(shù)字濾波,減少數(shù)據(jù)干擾。濾波后如果判斷為跌倒姿態(tài),則計數(shù)器Count加1,連續(xù)T次為跌倒?fàn)顟B(tài),則啟動報警,并發(fā)送定位信息。調(diào)整參數(shù)T的大小,可以控制跌倒報警的靈敏度,
避免正?;顒?,如跑步、彎腰拾取物體等動作產(chǎn)生的誤報警[5-6]。
圖4 帽子端程序流程圖
本設(shè)計開發(fā)了基于STM32處理器為控制核心的可穿戴實(shí)時監(jiān)測防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過嵌入在頭盔或者帽子中的模塊實(shí)時監(jiān)測人體體參數(shù)據(jù)顯示在手表模塊上。當(dāng)檢測到用戶摔倒、體溫過高、脈率失常等異常情況時,能自動進(jìn)行短信或語音報警并提供用戶所處的地理位置信息。體參信息可長時間記錄并能通過電腦軟件進(jìn)行健康狀況分析,在線獲取健身運(yùn)動建議。系統(tǒng)經(jīng)過測試,實(shí)現(xiàn)了跌倒報警、脈率測量、地理位置發(fā)送、健康狀況分析等功能,可在可穿戴式手表、帽子產(chǎn)品中推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1]封順天.可穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].信息通信技術(shù),2014(3):52-57.
[2]樓然苗,李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].2版.北京:北京航天大學(xué)出版社,2012.
[3]趙祥,周建斌,周靖,等.基于Cortex-M3處理器的紅外脈搏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界,2015(6):75-78.
[4]張家盛,張加嶺,等.可穿戴式心率檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2015(2):107-108.
[5]劉莉,鄭冬云,劉曉軍.基于MPU6050的老年人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國醫(yī)療器械雜志,2015(5):327-330.
[6]曲鳳娟.可穿戴式跌倒檢測與預(yù)警系統(tǒng)研究[J].科技視界,2015(1).
中圖分類號TP933
文獻(xiàn)標(biāo)識碼A
文章編號1674-6708(2016)165-0143-01
作者簡介:毛銳,學(xué)生,韶關(guān)學(xué)院電子系。洪遠(yuǎn)泉,韶關(guān)學(xué)院電子系。李康明,學(xué)生,韶關(guān)學(xué)院電子系。鄭萬意,學(xué)生,韶關(guān)學(xué)院電子系。