基于Arduino和ESP8266網(wǎng)絡遠程心率測量系統(tǒng)

羅金生 王榮海 李岷

摘要：以人體手腕脈搏為研究對象，提出一種嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡遠程心率測量的方案。該方案C/S架構(gòu)?？蛻舳瞬捎玫凸男穆蕚鞲衅鱏ON7015采集心跳數(shù)據(jù)，ESP8266嵌入式芯片負責數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡通信。服務器接收并存儲數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送指令給客戶端，客戶端執(zhí)行相應的操作，如初始化設(shè)備和開始心率數(shù)據(jù)的傳輸。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)傳輸效果好，易于觀察，成本低，適合在健康生活、關(guān)愛老人生命安全中推廣應用。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡；心率；ESP8266；C/S

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0055-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

心率是指正常人安靜狀態(tài)下每分鐘心跳的次數(shù)，一般為60～100次/分，可因年齡、性別或其他生理因素產(chǎn)生個體差異。脈搏心率攜帶有豐富的人體健康狀況的信息。在中醫(yī)四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學中最具特色的一項診斷方法，其歷史悠久。雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的特點，然而也存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)范化；其次無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究。本文提出一種現(xiàn)代化的檢測心率的方法，采用低功耗心率傳感器采集心跳，ESP8266 SOC芯片負責網(wǎng)絡通信和控制，軟件采用Arduino開發(fā)平臺。醫(yī)生可以通過該系統(tǒng)在電腦上遠程觀察分析和存儲病人的心率數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。

1 Arduino開發(fā)平臺

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件和軟件（Arduino IDE）。由一個歐洲開發(fā)團隊于2005年冬季開發(fā)。其成員包括Massimo Banzi、David Cuartielles和Tom Igoe、等。它流行的主要原因是庫函數(shù)與底層硬件整合的天衣無縫，降低了非專業(yè)人士玩電子的難度。致使很多不是學電子的同學可以在Arduino上設(shè)計出PCB繪畫機、WiFi小車等一系列的高級應用。安裝配置好Arduino的IDE開發(fā)環(huán)境，下載STM32驅(qū)動庫函數(shù)和網(wǎng)絡通信等函數(shù)，即可開始編寫、調(diào)試和燒錄心率測量應用程序。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)的核心是通過ESP8266既可以當WIFI傳輸數(shù)據(jù)芯片的同時，也可以當主控芯片來使用，其內(nèi)部有一顆低功耗的STM32處理器。ESP8266可以接受來自服務器的相應指令執(zhí)行相應的操作，進行IO管腳的控制，在此項目便是使用GPIO4來進行心率傳感器脈沖的采集，通過返回的數(shù)據(jù)進行處理，傳到服務器，以此來設(shè)計硬件電路和軟件程序。選取ESP8266為主控芯片，同時負責網(wǎng)絡通信，系統(tǒng)框圖1所示。

2.1 ESP8266及模塊

ESP8266芯片是一款串口轉(zhuǎn)無線模芯片，內(nèi)部自帶固件，用戶操作簡單，無須編寫時序信號等優(yōu)點，原理圖是圖2所示。ESP8266 特性：

支持802.11 b/g/n協(xié)議

內(nèi)置低功耗32位CPU：可以兼作應用處理器

內(nèi)置10 bit高精度ADC

內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧

內(nèi)置TR開關(guān)、balun、LNA、功率放大器和匹配網(wǎng)絡

內(nèi)置PLL、穩(wěn)壓器和電源管理組件

支持天線分集

STBC、1x1 MIMO、2x1 MIMO

A-MPDU、A-MSDU的聚合和0.4 s的保護間隔

WiFi @ 2.4 GHz，支持 WPA/WPA2 安全模式

支持STA/AP/STA+AP工作模式

支持Smart Config功能（包括Android和iOS設(shè)備）

SDIO 2.0、（H） SPI、UART、I2C、I2S、IR Remote Control、PWM、GPIO

深度睡眠保持電流為10 uA，關(guān)斷電流小于5 uA

2 ms之內(nèi)喚醒、連接并傳遞數(shù)據(jù)包

802.11b模式下+20 dBm的輸出功率

待機狀態(tài)消耗功率小于1.0 mW （DTIM3）

工作溫度范圍：-40°C - 125°C

通過 FCC， CE， TELEC， WiFi Alliance 及 SRRC 認證

3 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

3.1 心率模塊的使用

SON7015是一款低功耗的心率傳感器，采用光電式容積描記（PPG）的方式感應人體的心跳信息并加以提取，得到的心率波形送至運動心率算法ICSON3130，在OUT2管腳輸出矩形脈沖，以供ESP8266進行脈沖采集，在采集時要注意LED燈的閃爍，如果閃爍正常便可以進行采集了，閃爍太快或者太慢，一定要調(diào)試好之后再進行采集，以保證采集的數(shù)據(jù)的準確性。心率傳感器模塊如圖3所示。

3.2 服務器的創(chuàng)建

使用SocketTool進行TCP Sever的創(chuàng)建，并監(jiān)聽8080的端口號，以備客戶端進行連接，電腦和ESP8266模塊要連接到同一個局域網(wǎng)，實現(xiàn)服務器對客戶端的數(shù)據(jù)接收以及對客戶端進行控制。服務器創(chuàng)建好以后如圖4所示。

3.3 ESP8266的使用

進行需要連接WIFI以及訪問的服務器的IP的配置，進行串口參數(shù)以及中斷的初始化，并進行網(wǎng)絡的連接。進行服務器指令的接收，再使用GPIO4進行脈沖的采集，并進行數(shù)據(jù)的處理，使測量的心率更加接近標準的值，并把測量到的心率通過網(wǎng)絡上傳到服務器。當ESP8266接收到服務器發(fā)送的指令“a”時，發(fā)送“roger that”，經(jīng)過20秒的測量后，發(fā)送所測量到的心率的數(shù)據(jù)。收到的心跳數(shù)據(jù)如圖5所示。

3.4 程序設(shè)計

1） 網(wǎng)絡參數(shù)配置，串口初始化，中斷初始化。

2） WIFI連接，并檢測是否連接到網(wǎng)絡。

3） 并從網(wǎng)絡中讀取數(shù)據(jù)，并對定時和中斷記錄脈沖時需要用到的變量進行處理。

4） 定時功能，進行一段時間的定時，以便于心率的計算，定時、數(shù)據(jù)處理完成后進行數(shù)據(jù)的上傳，在數(shù)據(jù)上傳的時候，電腦只能接收字符類型的數(shù)據(jù)，所以要用itoa函數(shù)進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，才能在服務器上正確的顯示數(shù)據(jù)。

5） 中斷服務程序，進行脈沖數(shù)量的采集。

4 總結(jié)

本文介紹一種基于Arduino的ESP8266網(wǎng)絡控制心率測量系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的各部分功能設(shè)計方法進行了詳細介紹。通過搭配ESP8266WIFI網(wǎng)絡通信模塊實現(xiàn)服務器對客戶端進行控制，并接收客戶端采集的心率數(shù)據(jù)進行顯示。該項目代碼可移植性較強，設(shè)計成本低，功能可擴展。經(jīng)過試驗證明，系統(tǒng)運行正常，能夠直觀地顯示采集到的心率數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個典型應用，可以在健康生活、關(guān)愛老人生命安全等領(lǐng)域廣泛使用。

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【通聯(lián)編輯：梁書】