遼寧大學(xué) 韓鵬飛 曹 政 都 瑞

本文采用TI單片機(jī)MSP-EXP430F5529LP為控制核心，通過通信用單片機(jī)WEMOS D1，與開源服務(wù)器Blynk相連接，實(shí)現(xiàn)無線傳輸與云端控制的物聯(lián)網(wǎng)功能。同時(shí)，通過心電信息模塊、運(yùn)動(dòng)信息模塊、溫度信息模塊來組成整體系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對信息處理穩(wěn)定且精確，通過無線傳輸可以實(shí)現(xiàn)所得數(shù)據(jù)在上位機(jī)的顯示，同時(shí)表現(xiàn)出Blynk平臺(tái)作為開源項(xiàng)目，便于自建服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞與保存的優(yōu)勢。

運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)（Motion Sensor node）作為智能手環(huán)接受外界信息的重要部件，隨著智能手環(huán)的普及，越來越受到外界關(guān)注。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，只能將內(nèi)部傳感器收到的外界信息進(jìn)行處理直接顯示在屏幕上，同時(shí)系統(tǒng)維護(hù)也不夠便捷，導(dǎo)致結(jié)果只具有瞬時(shí)性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，怎樣確保得到的數(shù)據(jù)在可以被保存下來的基礎(chǔ)上保證數(shù)據(jù)的精度，已成為急需解決的一個(gè)問題。本文將設(shè)計(jì)的一個(gè)可實(shí)現(xiàn)無線上傳和數(shù)據(jù)保存功能，并且可以顯示人體體溫、運(yùn)動(dòng)距離與步數(shù)、心電信息及對應(yīng)心電圖的無線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)心電測量、溫度測量與運(yùn)動(dòng)信息測量，以及將這些信息無線傳輸至上位機(jī)并保存的功能。系統(tǒng)主要采用主控單片機(jī)MSPEXP430F5529LP、無線傳輸機(jī)WEMOS D1、以及各個(gè)傳感器模塊組成。圖1所示為系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用專用溫度傳感器LMT70傳遞溫度信息，心電信息專用數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS1292處理心電信息，陀螺儀mpu6050傳遞運(yùn)動(dòng)信息。采用鋰電池作為電源的主要供給，其與傳統(tǒng)的USB供電方式相比，最大的好處是給予了系統(tǒng)可移動(dòng)性，從而解決了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下無法穩(wěn)定工作的問題。在電池與元器件之間接入穩(wěn)壓芯片，將鋰電池提供的大電壓，轉(zhuǎn)化成5V與3.3V的電壓供給給元器件使用。系統(tǒng)采用顯示屏ssd1306作為顯示部件，實(shí)時(shí)顯示所測得的心率、步數(shù)、距離、溫度與心電圖。

2 無線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 心電模塊

心電信息由醫(yī)用電極與導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行接收與傳輸，其中導(dǎo)聯(lián)焊接的穩(wěn)定與否，直接影響了外界噪聲對有用信息干擾的大小。該部分僅需采用3根導(dǎo)聯(lián)線，分別接左腰下側(cè)、左胸上側(cè)、右胸上側(cè)。通過這三根導(dǎo)聯(lián)線便可得到穩(wěn)定可靠的心電信息。心電信息經(jīng)電極收集后，由導(dǎo)聯(lián)傳輸給專用心電模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ads1292進(jìn)行處理。

2.2 溫度模塊

溫度信息的接收由專用的溫度傳感器LMT70負(fù)責(zé)，其+10.0mV/℃增益足以保證原始數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與精確性。溫度信息專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ads1115可以將從LMT70處得到的心電模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這個(gè)電壓測量的范圍包含人體體溫理論上轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓的最大值和最小值。

2.3 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)信息由陀螺儀MPU6050進(jìn)行接收傳輸，MPU6050在通過程序設(shè)定初始位置之后，由其自身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度，經(jīng)過本身處理，產(chǎn)生一系列的數(shù)字電信號(hào)傳給MSP-EXP430F5529LP，從而經(jīng)由算法處理，可得到精確的運(yùn)動(dòng)步數(shù)與運(yùn)動(dòng)距離信息。

2.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊由arduino系列的WEMOS D1單片機(jī)進(jìn)行處理。WEMOS D1包含esp8266無線通信模塊，相較于單獨(dú)的esp8266模塊具有引腳全，接線少，燒錄程序時(shí)可直接連線而不用于借助于其他模塊的優(yōu)點(diǎn)，

因此選擇D1作為無線收發(fā)機(jī)。加入W25QXX作為存儲(chǔ)芯片，可將接收到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，保證舊信息的可查性。將熱點(diǎn)與esp8266模塊進(jìn)行連接，從而在虛擬服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)信息的無線上傳與保存。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體框架

本次設(shè)計(jì)采用Energia進(jìn)行編程，使用比較完善的庫，以MSPEXP430F5529LP作為主要的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理芯片。由于此次心電數(shù)據(jù)模塊ADS1292自帶時(shí)鐘，提供采樣頻率不同的工作模式，這里只需讀取ADS1292的特定引腳就可以判斷是否要采集數(shù)據(jù)，基于這一特點(diǎn)，程序中沒有采用中斷，而是利用這一特點(diǎn)，選取125HZ的采樣頻率，在每次采樣的8ms間隔內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理的信息的反饋。

關(guān)于信息的顯示，這里采用了兩個(gè)渠道，一個(gè)是通過主控單片機(jī)MSP-EXP430F5529LP連接的SSD1306顯示屏直接顯示，另一個(gè)是通過將數(shù)據(jù)加密后通過串口發(fā)送到無線傳輸機(jī)WEMOS D1，WEMOS D1將解密后的數(shù)據(jù)通過其上的WIFI模塊發(fā)送到上位機(jī)。

圖3所示是MSP-EXP430F5529LP的程序流程圖。

圖3 MSP-EXP430F5529LP的程序流程圖

3.2 算法設(shè)計(jì)

3.2.1 心率計(jì)算方法

將心電信息模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1292采集回來的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波之后存儲(chǔ)在十六位的數(shù)組中，數(shù)組的長度起碼能夠包括兩個(gè)完整的心跳周期，由于采樣頻率是125HZ，所以暫把數(shù)組長度設(shè)置為300。根據(jù)QRS波的特點(diǎn)，R波峰值較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它波，找到最大最小值，將最大值減最小值為間隔，進(jìn)而把比最大值小十分之一間隔的值作為閾值，找到R波波峰上升一側(cè)的閾值點(diǎn)，相鄰的兩個(gè)閾值點(diǎn)x1、x2之間的時(shí)間間隔即為周期，心率的計(jì)算公式為：

3.2.2 步數(shù)算法

運(yùn)動(dòng)信息是與心率信息一同采集并存儲(chǔ)在較大的數(shù)組中，當(dāng)數(shù)組采集完成后，先用卡爾曼濾波算法將陀螺儀MPU6050采集的加速度信息進(jìn)行去噪聲處理，然后把x,y,z三軸方向上的加速度進(jìn)行合成，即r=(x^2+y^2+z^2)^2，合成數(shù)據(jù)的曲線應(yīng)該是一條平滑的曲線。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)測量的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生峰值，通過檢測曲線的大峰值個(gè)數(shù)，來確定行走的步數(shù)，這時(shí)要多檢測幾組峰值點(diǎn)兩邊的數(shù)據(jù)，避免將小擾動(dòng)誤判為走動(dòng)。根據(jù)查閱資料和實(shí)際測量，一步大約行走0.5m，行走距離即為步數(shù)×0.65。

3.2.3 溫度算法

用溫度傳感器和測溫槍（代表準(zhǔn)確的實(shí)際溫度）分別測二十個(gè)人的手心溫度，將穩(wěn)定后的度數(shù)記錄下來，得到二十組，四十個(gè)數(shù)據(jù)。溫度傳感器的值作為x（自變量），測溫槍的值作為y（因變量）在MATLAB的擬合曲線工具箱中擬合一條二次曲線，再經(jīng)過調(diào)試得到由傳感器讀數(shù)到準(zhǔn)確的實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換公式：

3.3 無線傳感模塊

WEMOS D1的核心芯片是esp8266。使用Arduino作為開發(fā)環(huán)境，blynk作為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。Arduino其中包含WEMOS D1這塊板子作為設(shè)備接入blynk的例程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改編聯(lián)結(jié)至手機(jī)提供的熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)向物聯(lián)網(wǎng)云端發(fā)送接受到的數(shù)據(jù)信息。終端采用物聯(lián)網(wǎng)軟件Blynk從云端進(jìn)行接收數(shù)據(jù)并顯示。

4 系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)現(xiàn)

測試方案：

實(shí)驗(yàn)在固定設(shè)置的手機(jī)熱點(diǎn)的條件下進(jìn)行（無線模塊所必須）。測試者佩戴好整套裝置，用右手攥住溫度傳感器LMT70的測溫部分來傳遞手掌溫度，將系統(tǒng)整體置于小臂處，在一個(gè)周長為30m的固定圓形線路上運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)對心率、體表溫度、步數(shù)及步距測量的實(shí)時(shí)測量，在無線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)顯示測量結(jié)果和動(dòng)態(tài)心電圖。同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳，在上位機(jī)ipad端的blynk服務(wù)器界面顯示測量結(jié)果和動(dòng)態(tài)心電圖。完整的Blynk項(xiàng)目界面圖如圖4所示。

圖4 Blynk項(xiàng)目界面圖

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)使用通信用單片機(jī)WEMOS D1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在主控單片機(jī)與上位機(jī)間的無線傳輸，使用溫度傳感器LMT70測量溫度信息，使用心電專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1292處理心電信息，使用陀螺儀MPU6050處理步數(shù)信息，進(jìn)而由步數(shù)信息通過公式運(yùn)算測得距離信息。該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測量結(jié)果精確，測量速度較快，并可實(shí)時(shí)現(xiàn)實(shí)。測試時(shí)的顯示屏界面如圖5所示。

圖5 測試時(shí)的顯示屏界面