無線運動傳感器節(jié)點設計

羅樂 杜海軍

（成都工業(yè)學院電子工程學院 四川省成都市 611730）

1 前言

隨著物質生活的日漸豐富，人們對自身健康的關注度也越來越高。智能手環(huán)等健康監(jiān)測儀器，能夠記錄人們日常生活中的鍛煉、睡眠和膳食等情況，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與手機、平板等同步，并通過數(shù)據(jù)監(jiān)測身體健康狀態(tài)，也可以運用這些數(shù)據(jù)指導健康生活。如何將實時采集的心電信號、體表溫度、運動信息等，運用無線傳送技術，建立傳感器節(jié)點，在醫(yī)療保健方面具有非常良好的應用前景[1]。

2 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)采用模塊化設計,包括心電信號采集模塊、體表溫度采集模塊、運動信息采集模塊、中央處理器、顯示電路等模塊。中央處理器控制各信號的采集、傳輸、顯示等，系統(tǒng)框圖如圖1 所示[2]。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 心電檢測電路設計

圖1：系統(tǒng)框圖

圖2：心電檢測電路

圖3：溫度測量電路

心電檢測選用ADS1292 模塊，ADS1292 是多通道、同步采樣的24 位ADC 轉換器,此轉換器具有內置的可編程增益放大器、內部參考、和一個板載振蕩器。心電檢測電路如圖2 所示[3]。

3.2 體表溫度測量電路設計

選用LMT70 是作為溫度傳感器，因其輸出量為模擬信號，通過控制器的AD 通道完成對溫度的采樣，電路如圖3 所示[4]。

3.3 運動信息測量電路

如圖4 所示，運動信息采集電路選用MPU6050 模塊，此模塊可以檢測物體（如四軸、平衡小車） x、y、z 軸的傾角，從而得到物體姿態(tài)狀況，通過姿態(tài)融合處理后，計算運動距離及步數(shù)等參數(shù)[5]。

3.4 無線傳送電路

無線通信選用主從一體的藍牙串口模塊HC-05，具有雙向（全雙工）無線功能，方便CPU 將數(shù)據(jù)上傳移動設備，達到實時顯示目的，控制器與該模塊的連接電路如圖5 所示。

4 系統(tǒng)主函數(shù)

系統(tǒng)軟件設計主要包括心率測量模塊、體表溫度測量模塊、運動信息測量模塊、以及微處理器模塊、液晶顯示模塊、無線通信模塊。系統(tǒng)主函數(shù)軟件流程如圖6 所示。

4.1 心率測量函數(shù)

通過心電信號模擬器得到模擬校準函數(shù)：

圖4：運動信息測量電路

圖5：HC-05 與CPU 連接圖

表1：標準血壓計與實做電路多次測量結果對比表

表2：標準溫度計與實做電路多次測量結果對比表

表3：步數(shù)與距離測量結果對比表

設得到的動態(tài)圖上下峰值點為max 和min，兩值之間的差值為h，其上一點數(shù)據(jù)為a，為將數(shù)據(jù)壓縮到能顯示值在0-240 的LCD液晶顯示器上，需要將數(shù)據(jù)進行壓縮壓縮大小為：

每一個波峰采集一個樣點，則兩波峰間的間隔為：b=x(n)-x(n-1)。將采集到的所有間隔長度相加，除以時間間隔長度L，即可得到心跳次數(shù)x，即：

將得到的x 值代入校準函數(shù)式（1）中就可以得到心率值y。程序流程圖如圖7 所示。

4.2 體表溫度測量函數(shù)

在10℃之內時，LMT70 輸出模擬電壓VTAO與實際溫度TM的一階關系表達式最為準確；且溫度與輸出電壓呈負相關。

當VTAO>945.5mv，TM<30℃時：TM=-0.193×VTAO+212.009；

當945.5mv>VTAO>892.0mv，30 ℃

圖6：系統(tǒng)主函數(shù)流程圖

圖7：心率測量函數(shù)流程圖

圖8：體表溫度測量函數(shù)流程圖

圖9：運動信息測量函數(shù)流程圖

當VTAO<892.0mv，TM>40℃時：TM=-0.191× VTAO+210.215；

由于此公式是由LMT70 手冊的標準模擬電壓確定的，所以要對LMT70 實際輸出的模擬電壓進行校準，通過每0.1℃溫度變化測出十組LMT70 實際輸出的模擬電壓，對其取平均值，繪制實際輸出模擬電壓值VX與標準模擬輸出電壓VY的關系，對曲線進行擬合，得到輸出模擬電壓的校準公式[6]：

VY=0.9938×VX+4.0629(t<30℃)

VY=1.0018×VX-3.5942(30℃

VY=0.9993×VX-1.4685(t>40℃)

程序流程圖如圖8 所示。

4.3 運動信息測量函數(shù)

通過力的合成將MPU 讀取的x,y,z 三軸方向上的加速度進行合成，即由于在行走過程中每走一步a 的值將出現(xiàn)一次明顯的變化，故將a的變化在一條時間軸上表示出來，并取一閾值a'，用以判斷是否行走，當a 的值大于a'且大于a'的時間大于500ms 時，認為是行走了一步[7]。通過查閱資料和實驗判斷，在正常情況下，人每行走一步的距離大約是0.65m，故距離L=步數(shù)×0.65[8]。運動信息函數(shù)流程圖如圖9 所示。

5 系統(tǒng)測試

5.1 心電測量

首先用標準的電子血壓計測量使用者的心率，然后用心電檢測電路進行測量，以作對比。測量時通過對多人測量，同一測試者做多次測量的方式得到數(shù)據(jù)并進行分析[9]。多人次測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

由表1 中可以看出，與標準血壓計測得數(shù)據(jù)對比，最大誤差小于3.4%，達到了本次設計要求。

5.2 體表溫度測量（單位：℃）

用實做電路與標準溫度計放置于同一測試點，通過進行多次或者對多人測量，測量數(shù)據(jù)如表2 所示。

從表2 中可以看出，最大誤差為0.4°C，在35 ～38°C 范圍內，正負誤差不超過0.1°C，達到本次設計要求。

5.3 運動步數(shù)和運動距離測量（步數(shù)單位：步，距離單位：米）

測試者手持測試儀器，在五米長的直線上以不同的速度，不同的步長來回運動，從而判斷測試儀器所測步數(shù)，測試者運動路程與實際運動步數(shù)，實際運動路程之間的誤差。

由表3 可以看出，測量步數(shù)時，分別測量了5 步道50 步的范圍，最大誤差不超過6.6%；測量距離時，分別測量了5 米到50 米的范圍，最大誤差不超過5%，達到本次設計要求。

6 結語

本系統(tǒng)采用ADS1292 模塊測量心率，采用LMT70 模塊測量溫度，采用MPU6050 模塊測量運動步數(shù)及距離，實現(xiàn)對運動信息的實時檢測與顯示。利用藍牙串口模塊HC-05 實現(xiàn)移動端數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。系統(tǒng)結構簡單，實時顯示，系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性較好。