高萬明， 周 飛， 李 崢

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000)

0 引 言

近年來，各大高校對(duì)體育活動(dòng)以及體測(cè)更加重視[1-2]。然而根據(jù)學(xué)生身體狀況的差距，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，突發(fā)事件層出不窮。人體在經(jīng)過劇烈運(yùn)動(dòng)后，體內(nèi)氧氣消耗過多會(huì)略有下降，心率會(huì)加快，因此通過血氧、心率來實(shí)時(shí)觀察學(xué)生身體狀況，能有效地預(yù)防意外事件的發(fā)生。本文設(shè)計(jì)的是一種基于STM32的學(xué)生體測(cè)智能檢測(cè)系統(tǒng)?？纱┐髟趯W(xué)生身上來檢測(cè)實(shí)時(shí)的心率[3]和血氧飽和度[4]變化，通過OLED將數(shù)據(jù)顯示供學(xué)生本人觀看；再經(jīng)LORA無線傳輸技術(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)至應(yīng)用端，使人力監(jiān)測(cè)更加高效。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)選用STM32作為檢測(cè)端和應(yīng)用端主控芯片，完成學(xué)生體測(cè)時(shí)心率和血氧的數(shù)據(jù)處理、控制檢測(cè)和顯示。按照功能的不同可以將系統(tǒng)分為檢測(cè)端和應(yīng)用端。系統(tǒng)整體框圖及LORA網(wǎng)關(guān)拓?fù)鋄5]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，LORA網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)采用多對(duì)一的通訊方式，通過對(duì)不同節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。

檢測(cè)端設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)是便攜式穿戴式的，選用STM32核心板作為主控，連接校園卡識(shí)別模塊、心率血氧模塊MAX30101、0.96寸OLED液晶顯示屏和LORA無線通信模塊，組合成檢測(cè)端。校園卡識(shí)別模塊在學(xué)生刷校園卡識(shí)別身份[6]，心率血氧模塊完成對(duì)學(xué)生的數(shù)據(jù)檢測(cè)，OLED液晶顯示屏對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，LORA無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用端。

應(yīng)用端設(shè)計(jì)：應(yīng)用端的選用STM32作為主控，并連接LORA無線模塊和七寸串口顯示屏。LORA無線模塊接收各個(gè)檢測(cè)端發(fā)來的學(xué)生的身份信息和血氧、心率數(shù)據(jù)，在串口屏顯示，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡內(nèi)，便于后期調(diào)用和結(jié)果分析。系統(tǒng)整體框圖及LORA網(wǎng)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖及LORA網(wǎng)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊是整個(gè)體測(cè)系統(tǒng)的核心，選用STM32[7]，與51系列和12系列單片機(jī)相比，其運(yùn)算能力和處理能力更加強(qiáng)大，最高工作頻率72MHz、11個(gè)定時(shí)器、13個(gè)通信接口。STM32單片機(jī)主要負(fù)責(zé)檢測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示，協(xié)調(diào)每個(gè)模塊的正常工作。

2.2 血氧心率模塊

選用MAX30101[8]模塊，電路原理圖如圖2所示。將MAX30101發(fā)光的一面固定在手指上。就能檢測(cè)血氧飽和度及心率。

圖2 MAX30101硬件原理圖

MAX30101通過氧合血紅蛋白(HbO2)對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光吸收程度不同的原理，分析紅外光與紅光的吸收程度的比值，可以得到血氧的飽和水平。其中，血氧飽和度方程如公式(1)，

(1)

經(jīng)過擬合曲線擬合可得到公式(2)，

SpO2=-45.060*R*R+ 30.354 *R+94.845

(2)

MAX30101檢測(cè)心率采用的是電容積脈搏波描記法。LED光射向人體，通過反射的光照得到電信號(hào)。光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，由于動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化，得到交流AC信號(hào)，以此來計(jì)算心率。其檢測(cè)過程信號(hào)轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

圖3 心率檢測(cè)過程信號(hào)轉(zhuǎn)換流程圖

2.3 LORA無線模塊

針對(duì)本設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景，選用LORA[10]實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。LORA在無線通信[11]方面所具有傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，與ZigBee、藍(lán)牙傳輸技術(shù)相比，LORA更適合長(zhǎng)距離通信，抗干擾性強(qiáng)。而且它的功耗較低。本設(shè)計(jì)采用了LORA星型拓?fù)浼軜?gòu)[12]，共有一個(gè)LORA主機(jī)模塊和多個(gè)LORA從機(jī)模塊，并對(duì)其通信信道[13]、分頻因子等進(jìn)行設(shè)置。LORA電路原理圖如圖4所示。

圖4 LORA模塊硬件原理圖

2.4 校園卡識(shí)別模塊

針對(duì)本系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)多名學(xué)生的體測(cè)數(shù)據(jù)，添加校園卡識(shí)別模塊RC522。學(xué)生在體測(cè)之前刷校園卡確認(rèn)身份，可以使身份和體測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。RC522電路原理圖如圖5所示。

圖5 RC522電路原理圖

2.5 顯示模塊

在本系統(tǒng)中，使用的顯示模塊主要有兩種。OLED顯示屏用于檢測(cè)端，與檢測(cè)設(shè)備一起佩戴在學(xué)生手腕上供學(xué)生自己觀看。7寸液晶串口屏用于應(yīng)用端，顯示體測(cè)的多個(gè)學(xué)生的信息和體測(cè)數(shù)據(jù)，并可以顯示之前的體測(cè)記錄數(shù)據(jù)，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)超出正常范圍，則進(jìn)行智能報(bào)警，避免危險(xiǎn)。

2.5.1 OLED顯示模塊

OLED[14]顯示屏引腳原理圖如圖6所示。在本設(shè)計(jì)中主要顯示學(xué)生進(jìn)行體測(cè)時(shí)的心率和血氧飽和度，讓學(xué)生清楚自己的身體狀態(tài)。

2.5.2 七寸液晶顯示屏模塊

七寸液晶串口屏[15]作為應(yīng)用端顯示模塊，顯示的面積大、內(nèi)容多，并可以進(jìn)行觸摸操作。通過串口與主控芯片進(jìn)行通信。在本設(shè)計(jì)中，主要用來顯示學(xué)生的信息以及各自的血氧、心率數(shù)據(jù)。并可以通過觸摸來切換顯示正在體測(cè)的數(shù)據(jù)與之前已經(jīng)體測(cè)過的記錄。

圖6 OLED模塊電路原理圖

圖7 從機(jī)流程圖

圖8 主機(jī)流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

從機(jī)開始工作之后先進(jìn)行初始化，接著學(xué)生刷校園卡識(shí)別身份，通過LORA發(fā)送身份數(shù)據(jù)至上位機(jī)，確認(rèn)學(xué)生身份。學(xué)生開始運(yùn)動(dòng)之后，從機(jī)會(huì)將學(xué)生的心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，并接收上位機(jī)返回的指令。收到指令安全則繼續(xù)體測(cè)，數(shù)據(jù)危險(xiǎn)則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒學(xué)生停止體測(cè)。從機(jī)流程圖如圖7所示。

圖9 設(shè)備穿戴圖

圖10 OLED顯示屏顯示圖

圖11 液晶屏顯示圖

3.2 主機(jī)程序設(shè)計(jì)

主機(jī)開始工作之后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。然后接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，確認(rèn)學(xué)生身份。當(dāng)接收到下位機(jī)發(fā)來的學(xué)生體測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，在顯示屏上顯示學(xué)生的身份和體測(cè)信息。并以學(xué)生之前體測(cè)的數(shù)據(jù)為參考，數(shù)據(jù)正常則向從機(jī)發(fā)送安全信號(hào)，數(shù)據(jù)危險(xiǎn)則向從機(jī)發(fā)送危險(xiǎn)信號(hào)，提醒對(duì)應(yīng)從機(jī)的學(xué)生停止體測(cè)，并且主機(jī)報(bào)警。主機(jī)流程圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

設(shè)備供電采用3.7V2000mA的鋰電池，可以保證在體測(cè)期間正常的工作需要。設(shè)備穿戴如圖9所示。由于設(shè)備體積小、操作簡(jiǎn)單，在不影響學(xué)生正常運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又具有一定的穩(wěn)定性、時(shí)效性。開始檢測(cè)后，學(xué)生本人可以隨時(shí)觀察到自己的體征信息。從機(jī)OLED顯示界面如圖10所示。

體測(cè)教師及學(xué)校醫(yī)護(hù)人員通過應(yīng)用端的顯示屏，觀察各位學(xué)生的心率和血氧數(shù)據(jù)，對(duì)比正在體測(cè)的數(shù)據(jù)和學(xué)生以前體測(cè)的數(shù)據(jù)，可以提前預(yù)知危險(xiǎn)，預(yù)防事故。顯示界面如圖11所示。

經(jīng)過多次測(cè)試，各個(gè)功能都能完整實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確測(cè)量學(xué)生的血氧、心率等數(shù)據(jù)，與醫(yī)學(xué)設(shè)備檢測(cè)的絕對(duì)誤差<2%。無線傳輸速度快，檢測(cè)端和應(yīng)用端的數(shù)據(jù)能及時(shí)同步。下表為兩年來學(xué)生的心率、血氧飽和度記錄情況。

表1 學(xué)生體測(cè)情況記錄表

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的學(xué)生體測(cè)智能檢測(cè)系統(tǒng)在學(xué)生劇烈運(yùn)動(dòng)后可能出現(xiàn)的意外情況監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了相應(yīng)的創(chuàng)新。首先，本設(shè)計(jì)易便攜、成本低，可廣泛應(yīng)用于高校學(xué)生體測(cè)。其次，采用LORA無線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以同時(shí)滿足至少20名學(xué)生的體測(cè)工作，數(shù)據(jù)能及時(shí)更新。最后，通過本設(shè)計(jì)使學(xué)生在體測(cè)時(shí)血氧、心率的變化具有可視性，老師或醫(yī)生可以準(zhǔn)確地掌握每個(gè)學(xué)生實(shí)時(shí)的身體狀況。本文設(shè)計(jì)的學(xué)生體測(cè)智能檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架簡(jiǎn)單、部署方便、成本低，在高校對(duì)于學(xué)生身體素質(zhì)越來越重視的今天，能給用戶帶來更多科學(xué)化、智能化的體驗(yàn)。