基于物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式運動健康監(jiān)護系統(tǒng)

熊金婷 李猛 張鑫梅 高鵬鵬 巫俊材

摘 要針對傳統(tǒng)的健康監(jiān)護設備體積大、不易攜帶等不足，以及智能手環(huán)、智能手表傳輸距離短、不易監(jiān)測等問題，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式運動健康監(jiān)護系統(tǒng)，用于監(jiān)護使用者在進行體育運動時的人體體溫、心率、脈搏等生命指征參數(shù)信息，通過物聯(lián)網(wǎng)技術、ZigBee無線傳感器、藍牙等通信技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€人終端上進行實時監(jiān)測、存儲與分析。

【關鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 穿戴式 監(jiān)護系統(tǒng) ARM處理器

1 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，科技的日益進步，近年來，居民的生活質量不斷提高，居民個人保健意識增強，追求健康體質的目標也日益增長。最近幾年，伴隨著全球性移動通信網(wǎng)絡科技的不斷進步，移動智能終端的普及性與覆蓋率得到了極大發(fā)展，大量的移動應用和服務以此為載體應運而生，這些觸手可及的應用服務正逐漸改變人們的日常生活。

智能健康這一概念的提出，使用戶可以通過移動通信技術，借助身邊的移動智能終端使用移動應用，就可以隨時隨地地查看自己的健康狀態(tài)。隨著信息技術和傳感器技術的不斷發(fā)展，使用數(shù)字化手段進行人體運動相關數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析是人類追求運動信息化發(fā)展的必然趨勢，加快了人體運動健康監(jiān)測工作科學化、現(xiàn)代化的步伐。

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式運動健康監(jiān)護系統(tǒng)，用于實現(xiàn)個人運動鍛煉或者群體運動時的生理健康監(jiān)護，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)主要由穿戴式健康數(shù)據(jù)采集終端、移動智能終端和云平臺組成，通過傳感器采集人體的生理健康參數(shù)并進行數(shù)據(jù)預處理，再通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡或藍牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿又悄芙K端，移動智能終端利用Wi-Fi網(wǎng)絡將生理參數(shù)傳送到云平臺，在云平臺進行數(shù)據(jù)的云中存儲和分析，從而對人體各種生理指標進行實時、遠程監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測、無線數(shù)據(jù)傳輸、歷史數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)趨勢呈現(xiàn)、智能風險預警等功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件設計包括穿戴式數(shù)據(jù)采集終端和移動智能終端兩部分，其系統(tǒng)硬件總體設計如圖2所示。

2.1 穿戴式健康數(shù)據(jù)采集終端的設計

穿戴式健康數(shù)據(jù)采集終端采集用戶的個人生理健康指標，主要采集用戶進行運動時的心率指標以及運動量情況；采用ARM處理器作為終端控制器，配置心率傳感器SON7015以及計步加速度傳感器MMA9555LR1采集生理健康參數(shù)，通過藍牙或者ZigBee無線通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給移動智能終端進行數(shù)據(jù)的匯總處理。

2.2 移動智能終端的設計

移動智能終端主要用于將采集終端采集到的用戶健康參數(shù)進行匯總處理，然后通過移動網(wǎng)、Wi-Fi等通信方式將數(shù)據(jù)上傳給云服務器進行數(shù)據(jù)的分析處理；根據(jù)系統(tǒng)模式的不同，移動智能終端采取不同的硬件方案，分別滿足個人用戶與群體用戶的需求。

2.1 控制模塊

本終端的核心模塊采用嵌入式ARM處理器STM32F103C8T6，其內核為32 位ARM處理器的CortexTM-M3 CPU，其最高工作頻率為72MHz，具有從128K字節(jié)的閃存程序存儲器，還擁有高達20K字節(jié)的SRAM存儲器；該處理器支持2.0-3.6V供電，具有4～16MHz晶振，內嵌8MHz的RC振蕩器和帶校準的40kHz的RC振蕩器。

2.2 心率檢測模塊

心率檢測模塊選用低功耗心率傳感器SON7015，其工作電流只有0.2毫安，比同類傳感器功耗節(jié)省10倍到50倍，能有效實現(xiàn)心率實時監(jiān)控功能。采用光電式容積描記（PPG）的方式獲取人的心率信息并進行輸出，具有雙綠光LED，以發(fā)送電磁波（光波），波長為550nm，電磁波（光波）接收端涂有550nm波長的納米涂層進行濾波，其電路原理圖如圖3所示。

2.3 計步加速度傳感器

計步加速度傳感器采用三軸加速度傳感器MPU6050模塊，其內部整合了三軸陀螺儀以及三軸加速度計，供電電壓為3-5V，具有低壓差穩(wěn)壓功能，通訊方式為標準I2C通信協(xié)議，MPU-6050分別使用三個16位的ADC，用于陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)分析，將模擬量轉為數(shù)字量，并進行輸出。

2.4 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線通信模塊采用DRF1605型ZigBee無線傳輸模塊。DRF1605型ZigBee無線傳輸模塊可以通過UART串口與USART HMI串口觸摸屏相連接，從而實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)信號的功能。DRF1605型ZigBee無線傳輸模塊傳輸信號距離可達到1600米。ZigBee網(wǎng)絡主要有主節(jié)點和從節(jié)點這兩種類型的節(jié)點，每個節(jié)點都可以收發(fā)數(shù)據(jù)，由于此網(wǎng)絡的最大特點是自動路由，因此若是由于信號傳輸距離過遠而不能輸送到信號只需要在中間再增加一個模塊即可提供路由，而且如果某一個路由路徑被破壞，網(wǎng)絡能夠自動尋找新的路徑從而實現(xiàn)通訊。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計按照功能可劃分成信息采集模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、顯示模塊和報警電路模塊四個分模塊，將各個模塊分別進行流程圖設計，其主程序流程圖如圖4所示。

4 結束語

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式運動健康監(jiān)護系統(tǒng)，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、傳感器等技術，用于監(jiān)護運動員訓練、學生體育運動、馬拉松比賽等過程中的人體運動健康狀態(tài)，通過穿戴式健康數(shù)據(jù)采集終端實時采集人員在運動過程中的心率、體溫、血氧等生命體征參數(shù)信息，采用物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端平臺，經過對數(shù)據(jù)的處理、分析，對異常數(shù)據(jù)及時發(fā)出報警，實現(xiàn)對移動人員在運動過程中的健康狀態(tài)監(jiān)測。

基于物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式運動健康監(jiān)護系統(tǒng)的設計開發(fā)對健康生活極其關鍵，它不僅僅是一個監(jiān)護的智能設備，更是一個促進運動，享受健康生活的必需品。

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作者單位

天津職業(yè)技術師范大學 天津市 300222