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(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安710021)

0 引言

場地自行車比賽是一項高速運動，實時獲取運動員在比賽中的生理參數(shù)可以很好的反映比賽狀態(tài)，在運動員生理參數(shù)監(jiān)測方面，國內(nèi)外做了很多相關(guān)的研究，監(jiān)測方法主要包括生物醫(yī)學(xué)方法和傳感器監(jiān)測方法[1]。生物醫(yī)學(xué)方法是訓(xùn)練后采集血清來檢測數(shù)據(jù)，這種方法沒有實時性，不適合比賽中使用。傳感器監(jiān)測方法一般采用傳感器+存儲器的形式來實現(xiàn)，這種設(shè)備體積小，易佩戴，但是不具備網(wǎng)絡(luò)功能，實時性達不到比賽實際需求。

近些年來，可穿戴監(jiān)控設(shè)備大量問世，如小米手環(huán)、蘋果運動手表等[2]。這類設(shè)備小巧輕盈，待機時間長，同時具備藍(lán)牙通信功能，可以把數(shù)據(jù)無線傳輸至智能手機端。但是這些可穿戴設(shè)備測量數(shù)據(jù)并不精確，實時性也達不到比賽要求，一般只適合普通大眾使用。

基于以上情況，設(shè)計了一套無線實時監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了GY-MCU90615紅外溫度傳感器和AD8232心電傳感器來作為體溫和心電的采集前端，以STM32微處理器為核心，通過Zigbee實時將數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW上位機界面，供教練員查看。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)整體架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集、無線通信和上位機，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1。數(shù)據(jù)采集部分用于采集心電和體溫數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝成幀來傳輸。無線通信部分由終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器組成，兩塊Zigbee模塊組網(wǎng)，實現(xiàn)了透明傳輸功能。上位機部分負(fù)責(zé)實時顯示接收的心電和體溫數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 硬件選型與設(shè)計

2.1 終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點由微控制單元、電源模塊、Zigbee透明傳輸模塊、心電采集模塊、體溫采集模塊等組成，終端節(jié)點架構(gòu)圖如圖2。

圖2 終端節(jié)點架構(gòu)

處理器通過串口(UART)與紅外溫度傳感器通信，通過ADC轉(zhuǎn)換器對心電信號進行轉(zhuǎn)換。Zigbee透明傳輸模塊通過串口與處理器進行交互，實時發(fā)送采集的數(shù)據(jù)到上位機。

2.2 微處理器

微處理器采用意法半導(dǎo)體公司的32位微控制器STM32F103C8T6，該微處理器具有48 k SRAM、256 k FLASH、2個16位基本定時器、4個16位通用定時器、2個16位高級定時器、2個DMA控制器、3個SPI、2個ⅡC、5個UART、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、51個通用IO口等外設(shè)資源[3]。而且STM32F103C8T6資料非常豐富，功耗很低，目前廣泛應(yīng)用于PDA、醫(yī)療器械、機器人以及工業(yè)設(shè)備等場合。設(shè)計的場地自行車運動員生理參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)對實時性和準(zhǔn)確性要求較高，因此STM32F103C8T6適合自行車比賽這種高速運動環(huán)境下的研究。

2.3 電源模塊

由于本系統(tǒng)中微控制單元、心電傳感器、溫度傳感器和Zigbee模塊的工作電壓均是3.3 V，因此，需要為各個模塊提供3.3 V的電源。本系統(tǒng)使用4.2 V電池供電，通過RT8009線性穩(wěn)壓器[4]轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，RT8009的原理圖如圖3。

圖3 RT8009原理

2.4 心電采集模塊

心電采集模塊主要通過在人體皮膚表面放置若干電極片來獲取數(shù)據(jù)，由于前端設(shè)備是在比賽中佩戴在運動員身體上的，因此需要PCB面積小，不能影響運動員發(fā)揮，同時，要求精度高、濾波性能強?；谝陨闲枨螅碾姴杉K選用亞德諾半導(dǎo)體公司的AD8232心電傳感器。AD8232主要用于ECG(心電信號)監(jiān)測，也可以測量其他生物電數(shù)據(jù)，AD8232內(nèi)部集成了有源濾波器、右腿驅(qū)動放大器、以及高精度的儀表放大器等單元；具備低功耗待機、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測，ECG快速恢復(fù)等功能[5]。AD8232實物圖如圖4。

圖4 AD8232實物

本系統(tǒng)用單導(dǎo)聯(lián)的方式來采集心電數(shù)據(jù)，在人體心臟附近放置2個電極，由于在采集參數(shù)的過程中存在基線漂移，肌電干擾和工頻干擾等噪聲，因此，系統(tǒng)使用了右腿驅(qū)動放大器來驅(qū)動第3個電極，改善系統(tǒng)的抗噪性能。

2.5 體溫測量模塊

由于場地自行車比賽是一項高速運動，運動員的穿戴裝備應(yīng)盡量小巧，設(shè)備在正常工作的同時不能對運動員造成任何不適感。因此，本系統(tǒng)采用非接觸式的紅外溫度傳感器GY-MCU90615。GY-MCU90615價格低廉，工作電壓在3～5 V之間，體積小，功耗低，精度高，而且數(shù)據(jù)采集速度快，非常適合本系統(tǒng)的需求。其工作原理，是通過MCU讀取紅外溫度數(shù)據(jù)，通過串口(TTL電平)通信方式輸出。有連續(xù)輸出與詢問輸出兩種方式，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境，可與所有的單片機及PC連接[6]。

GY-MCU90615的實現(xiàn)原理是基于紅外輻射測溫[7]，其輻射能量與溫度的關(guān)系滿足Stefan-Boltzmann輻射定律：

E=εδT4

δ是常數(shù)；ε是輻射率，因此，在物體的輻射功率已知的條件下，可以通過輻射定律公式算出被測目標(biāo)物體的溫度。GY-MCU90615的可以輸出被測目標(biāo)溫度To和傳感器自身溫度Ta，計算公式如下：

2.6 Zigbee透傳模塊

相對于藍(lán)牙、紅外、超寬帶技術(shù)(UWB)等，Zigbee模塊因具有價格低、功耗小、自組網(wǎng)、速率快等特點而得到廣泛應(yīng)用。目前市場上最廣泛使用的Zigbee模塊大都采用TI公司的CC2530芯片。該芯片以改良型的、具有流水線結(jié)構(gòu)的8051架構(gòu)為內(nèi)核，自帶16 k或32 k Flash ROM、2 k靜態(tài)RAM、12位ADC等模擬、數(shù)字外設(shè)，并嵌入基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4G無線收發(fā)硬件[8]。本系統(tǒng)選用深聯(lián)創(chuàng)新公司的DL-20 Zigbee透傳模塊。該模塊適應(yīng)3～5.5 V的電壓，支持全雙工通信，可以雙向同時收發(fā)，支持P2P模式、Broadcast模式，P2P模式傳輸帶有確認(rèn)，可以確保數(shù)據(jù)丟失率為0，支持不間斷發(fā)送，不限制包的長度，最快傳輸速率可以達到3 300 b/s，最遠(yuǎn)可以傳輸250 m。

本系統(tǒng)采用Zigbee透傳模塊傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送方為運動員身上佩戴的終端節(jié)點，接收方為連接在PC上的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)解析后，通過串口發(fā)送到上位機，整個數(shù)據(jù)的傳輸過程對收發(fā)雙方都是透明的，Zigbee透傳流程如圖5。

圖5 Zigbee透傳流程

3 下位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)下位機軟件要完成體溫和心電數(shù)據(jù)的采集，軟件主要包含2個部分: 主程序和定時器中斷子程序。系統(tǒng)會為體溫數(shù)據(jù)和心電數(shù)據(jù)開辟緩存區(qū)，系統(tǒng)初始化以后，主程序開始在一個循環(huán)中檢測緩存區(qū)中是否出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)，緩存區(qū)一旦出現(xiàn)新數(shù)據(jù)，就會立刻通過Zigbee透明傳輸模塊進行發(fā)送，發(fā)送完成后清空數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待新數(shù)據(jù)的接收。主程序的流程圖如圖6。

圖6 主程序流程

定時器中斷子程序用于心電數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)的采集頻率為500 Hz，即每隔2 ms進一次定時器中斷，采集A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存入心電緩存區(qū)，流程如圖7。

圖7 中斷子程序流程

4 上位機軟件設(shè)計

上位機界面采用美國國家儀器公司的LabVIEW2012軟件編寫。LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G語言，集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，可以大大減少在程序編寫上的工作量[9]。

LabVIEW程序分為前面板和后面板程序，后面板程序主要利用LabVIEW的VISA serial函數(shù)模塊對串口數(shù)據(jù)進行讀寫操作，前面板負(fù)責(zé)實時展示采集上來的數(shù)據(jù)，上位機界面如圖8。

圖8 上位機界面

5 實驗結(jié)果

5.1 心電采集實驗結(jié)果

AD8232內(nèi)部集成了高通和低通濾波器，可以在含有噪聲干擾的狀況下采集微弱的心電信號，圖9為AD8232采集到的原始心電波形，此波形過濾掉了大部分的肌電干擾和50 Hz工頻干擾，但是仍存在一些由呼吸引起的基線漂移和其它噪聲。為了方便用戶的使用，需要在上位機對信號進行軟件濾波[10]，濾波后的波形如圖10，該波形較平滑，基本過濾了基線漂移和其它噪聲的干擾。

圖9 原始心電波形

圖10 濾波后的波形

5.2 體溫采集實驗結(jié)果

體溫數(shù)據(jù)并不是生物電信號，不存在肌電干擾、基線漂移等噪聲的影響，測量相對心電信號更容易，但本系統(tǒng)對體溫數(shù)據(jù)的精度要求很高，因此在實驗過程中，通過和測溫精度較高的基于熱電偶測溫原理的數(shù)字溫度計比較來檢驗GY-MCU90615的精度，實驗在同等條件下測得5組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 測溫結(jié)果 ℃

從結(jié)果可以看出，GY-MCU90615測出的體溫數(shù)據(jù)與數(shù)字溫度計比較接近，而且GY-MCU90615采集體溫的速度能達到毫秒級別，可以很好地滿足本系統(tǒng)的需求。

6 結(jié)束語

設(shè)計的場地自行車運動員生理參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)，改進了傳統(tǒng)的傳感器+存儲器的監(jiān)測方法，加入了網(wǎng)絡(luò)通信功能，可以實時地將采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機進行顯示，方便用戶實時獲取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)實時性高、測量準(zhǔn)確，而且易穿戴，不僅可以用于專業(yè)的競技體育領(lǐng)域，而且還可以推廣至普通大眾中，適用于醫(yī)院、敬老院等各種場景，有著很好的應(yīng)用前景和寬廣的市場空間。

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