基于STM32的個人健康管理系統(tǒng)設(shè)計

蔡俊　王志剛　王麗　王楷

摘 ? ?要：為有效預防疾病、關(guān)注空巢老人身心健康，采用嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)設(shè)計了一款集檢測、理療于一體的個人健康管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由STM32主控模塊、心率/體溫檢測與理療設(shè)備、LabVIEW上位機以及手機端APP四大部分構(gòu)成。人體心率和體溫數(shù)據(jù)被采集并經(jīng)STM32處理分析后，系統(tǒng)執(zhí)行相應控制指令，同時上傳體檢數(shù)據(jù)至上位機。當人體健康狀態(tài)不佳時，智能啟動理療設(shè)備。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實時性好，準確度高，操作簡單安全，適用于老年人群體。

關(guān)鍵詞：STM32;傳感器;無線通信;上位機

中圖分類號：TP274 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2020）02-0051-10

隨著我國人口老齡化的發(fā)展，城鄉(xiāng)空巢老人現(xiàn)象愈發(fā)明顯[1]，在一些家庭中，子女平時忙于工作，疏于照顧年邁老人，老年人群體往往身體狀態(tài)欠佳、行動不便;且多數(shù)老人患有風濕、關(guān)節(jié)炎、脊椎病等，需要配合理療手段才不易反復發(fā)作，但定期外出體檢、理療又很難實現(xiàn)，因此，老年人群體的健康問題備受關(guān)注。近年來，楊裴裴、張自達等分別基于嵌入式技術(shù)設(shè)計了人體健康狀況檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了日常生理參數(shù)的測量和監(jiān)護功能。[2-5]

本文基于STM32嵌入式系統(tǒng)，結(jié)合LabVIEW 軟件和Android技術(shù)，設(shè)計了一套含人機交互界面的個人健康管理系統(tǒng)，可實時檢測人體心率/體溫數(shù)據(jù)，并配備智能控溫的艾灸理療功能，利用傳統(tǒng)醫(yī)學中艾灸療法調(diào)理身體、舒緩壓力。該系統(tǒng)方便操作，安全可靠。

1 ? 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)分為下位機和上位機兩大部分，其中：下位機負責檢測人體心率/體溫、提供艾灸理療服務以及實時上傳體檢數(shù)據(jù)至上位機，它主要由STM32主控模塊、心率脈搏/溫度傳感器以及艾灸理療設(shè)備組成;上位機開發(fā)采用LabVIEW和Android技術(shù)，主要負責顯示體檢數(shù)據(jù)、管理用戶健康狀態(tài)，同時控制理療設(shè)備工作狀態(tài)。系統(tǒng)上/下位機間采用無線串口和藍牙通信，實現(xiàn)協(xié)調(diào)運作，總體框圖如圖1所示。

2 ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ?MCU選擇

下位機STM32主控模塊和艾灸理療設(shè)備分別選用ARM 公司Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6和STM32F103C8T6微處理器芯片，系統(tǒng)時鐘72 MHz，芯片處理速度快、功耗低、串口資源豐富，內(nèi)置兩個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以滿足系統(tǒng)信息采集速度、存儲以及通信需求。

2.2 ?心率/溫度檢測模塊

心率/體溫是人體健康的重要指標。心率檢測采用pulsesensor脈搏傳感器，它體積小、方便攜帶;供電后，傳感器LED燈點亮并發(fā)出一定波長入射光，穿過人體皮膚后反射，從而檢測人體心率。傳感器實物圖如圖2（a）所示。

體溫和艾灸理療設(shè)備溫度檢測均選用DS18B20溫度傳感器，它具有靈敏度高、測量范圍大等優(yōu)勢，理療設(shè)備一般工作在高溫環(huán)境，實物圖如圖2（b）所示。

2.3 ?無線通信模塊

系統(tǒng)中，STM32主控模塊采用無線串口與心率/體溫檢測模塊，理療設(shè)備以及LabVIEW上位機實現(xiàn)通信，無線串口通信具有傳輸距離遠、傳輸穩(wěn)定等特點，其引腳連接如圖3（a）所示。

STM32主控模塊與手機端APP之間采用HC-05藍牙模塊進行通信，該模塊體積小巧、使用靈活，用戶可根據(jù)需要設(shè)置波特率，通信距離可達10 m，其引腳連接如圖3（b）所示。

3 ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ?軟件開發(fā)環(huán)境概述

系統(tǒng)在開發(fā)過程中，運用Keil uVision5軟件環(huán)境編寫下位機代碼，包含STM32主控功能、心率/體溫檢測以及艾灸理療設(shè)備控制程序;程序下載過程分別使用了J-LINK下載器在線下載方式和基于FlyMcu軟件的串口下載方式;采用LabVIEW軟件編寫PC端上位機界面，LabVIEW擁有強大的圖形化編輯語言功能，其可視化界面為開發(fā)帶來了便利[6];手機端APP設(shè)計是在eclipse軟件開發(fā)環(huán)境下完成的，使用Java語言編寫APP程序。系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境如圖4所示。

3.2 ?系統(tǒng)主程序設(shè)計

個人健康管理系統(tǒng)下位機可獨立完成心率/體溫檢測以及理療功能，上位機PC端LabVIEW界面和手機端APP程序，一方面，可實時檢測并顯示人體健康數(shù)據(jù)以及艾灸理療設(shè)備工作情況;另一方面，可控制下位機按需啟動理療設(shè)備。系統(tǒng)主要分為兩大工作模式：心率/體溫檢測模式和艾灸理療手動模式，主要工作流程如圖5所示。

當系統(tǒng)處于心率/體溫檢測模式下，下位機STM32主控模塊可發(fā)送指令啟動心率/體溫數(shù)據(jù)采集功能，并在上位機LabVIEW以及APP客戶端界面完成健康數(shù)據(jù)的實時顯示;同時，當心率或者體溫處于非正常狀態(tài)時，系統(tǒng)自動開啟艾灸理療設(shè)備，可在一定程度上緩解體檢者的不適狀況。

當系統(tǒng)處于艾灸理療手動模式下，下位機STM32主控模塊、艾灸理療設(shè)備、上位機LabVIEW以及手機端APP程序均可發(fā)送指令手動開啟艾灸理療設(shè)備，設(shè)置艾灸盒工作溫度，并在上位機實時顯示理療盒工作狀態(tài)。

3.3 ?心率/體溫檢測

心率/體溫檢測模塊采用pulsesensor脈搏傳感器采集人體心率值，由DS18B20溫度傳感器采集體溫值，并上傳體檢數(shù)據(jù)至上位機軟件，心率/體溫檢測子流程如圖6所示。

3.4 ?通信模塊程序設(shè)計

STM32主控模塊采用無線串口分別實現(xiàn)與心率/體溫檢測、艾灸理療設(shè)備、上位機LabVIEW之間互聯(lián)通信。系統(tǒng)可實現(xiàn)多設(shè)備全雙工串口通信，通信協(xié)議中設(shè)置包頭、數(shù)據(jù)位及包尾，其中：包頭主要用于識別設(shè)備，采用十六進制0xA1、0xA2，0xA1代表艾灸理療設(shè)備，0xA2代表心率/體溫檢測設(shè)備;數(shù)據(jù)位中主要存儲控制指令，不同數(shù)據(jù)代表不同指令，如0x10代表打開設(shè)備、0x11代表關(guān)閉設(shè)備;包尾表示數(shù)據(jù)結(jié)束。幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

串口通信部分核心程序如下：

……

send[0]=0XA2; ?//包頭

send[4]=0X0d; ?//包尾

send[5]=0X0a; ?//包尾

while（1）

{

u8 ?i ;

temperature = DS18B20_Get_Temp （ ）; ?//

獲取溫度值

send[1] = temperature/10; ?//獲取溫度值

整數(shù)部分

send[2] = temperature%10; ?//獲取溫度值

小數(shù)部分

send[3] = Num; ?//將采集的心率值賦值

給send[3]元素

for （ i= 0 ; i<6 ; i++）

{

USART_SendData （ USART1， send [i] ） ;

//按照幀結(jié)構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)包

while （USART_GetFlagStatus （ USART1，

USART_FLAG_TC ）！=SET ）;//等待發(fā)送

結(jié)束

}……

3.5 ? 上位機LabVIEW設(shè)計

LabVIEW采用圖形化編輯語言，其可視化界面為上位機開發(fā)帶來便利，個人健康管理系統(tǒng)前面板包含心率/體溫測量、艾灸理療控制和串口通信界面、系統(tǒng)簡介和使用說明。人機交互界面可方便用戶直觀了解體檢者的健康數(shù)據(jù)，同時可幫助空巢老人手動控制艾灸理療設(shè)備，從而提升用戶體驗。

LabVIEW核心程序框圖如圖7所示，主要包含串口數(shù)據(jù)發(fā)送和解析兩大部分。在程序框圖設(shè)計中：串口通信協(xié)議采用波特率9 600，端口用PC機COM11端口;上位機通過串口VISA讀函數(shù)接收下位機消息，數(shù)據(jù)解析依據(jù)串口通信協(xié)議，通過從數(shù)據(jù)包中查找固定包頭以及字符串分割函數(shù)等的使用，提取有效數(shù)據(jù)位;上位機通過串口VISA寫函數(shù)向下位機發(fā)送控制指令，同樣依據(jù)串口通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送，如A110、A111、A112、A113為控制指令，分別代表關(guān)閉理療設(shè)備、打開理療設(shè)備、開電機和關(guān)電機。

3.6 ?手機端APP設(shè)計

手機端APP設(shè)計[7]是在eclipse軟件開發(fā)環(huán)境下完成的，使用Java語言編寫APP程序，可實現(xiàn)心率/體溫值采集、對理療設(shè)備開/關(guān)、手動調(diào)溫功能、預警和點火功能等。其中：緊急按鍵實現(xiàn)對理療設(shè)備緊急處理，即關(guān)閉總電源;點火是輔助功能，作用為防止理療過程中出現(xiàn)火滅問題。APP軟件基于Android 4.03設(shè)計，大部分安卓智能手機都可下載安裝，大小在333 KB左右，其界面由多種控件組成，如表2所示。

4 ? ?系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析

該系統(tǒng)調(diào)試主要內(nèi)容包含：上位機LabVIEW、APP客戶端功能測試、下位機數(shù)據(jù)采集準確度和理療設(shè)備工作狀態(tài)受控情況，系統(tǒng)整體實物圖如圖8所示。

由圖8可見，理療設(shè)備整體外觀為長方形盒體，頂端由傳感器模塊、控制模塊組成，前端包含顯示屏、功能按鍵（含升溫、降溫及一鍵啟動），內(nèi)部置有點燃艾條孔洞，孔洞上端是散熱裝置。艾灸理療設(shè)備具備自動調(diào)溫功能，相對于傳統(tǒng)艾灸盒而言，其操作簡單、使用安全，功能更加人性化。

4.1 ?LabVIEW上位機測試

在上位機LabVIEW測試過程中，串口號選擇COM11端口，波特率9 600，首先點擊串口通信模塊“連接”按鈕，實現(xiàn)上位機與下位機終端連接;然后點擊體溫計模塊“工作開關(guān)”按鈕，測量體溫并實時顯示;最后點擊心率測量模塊“工作開關(guān)”按鈕，測量心率并實時顯示。在測試中，上位機顯示人體溫度37.5 ℃，心率76次/min，與專業(yè)測量設(shè)備數(shù)據(jù)相符;測試艾灸理療控制界面中各個控制按鍵功能，發(fā)現(xiàn)與理療設(shè)備實際工作狀態(tài)一致。LabVIEW測試效果如圖9所示。

4.2 ?手機端APP測試

APP客戶端主要測試藍牙連接、下位機心率/體溫數(shù)據(jù)接收以及理療設(shè)備按鍵控制等功能。在測試過程中，點擊“打開藍牙”，啟動手機藍牙功能，下拉滾動條，選擇匹配設(shè)備，點擊“連接”后，APP客戶端與下位機建立通信，完成心率/體溫值測試，測試效果如圖10所示，與下位機健康數(shù)據(jù)相符。

4.3 ? 數(shù)據(jù)分析

4.3.1人體心率數(shù)據(jù)分析

人體心率無時不在波動，多次測量可減少測量誤差。本文使用下位機心率檢測模塊以及市場上專業(yè)的心率檢測設(shè)備，針對不同受檢者在不同時間，分別采集了10次心率數(shù)據(jù)，對兩組數(shù)據(jù)進行對比，如表3所示。

如圖11所示為測試數(shù)據(jù)效果圖。圖11（a）直觀反映了該心率檢測模塊和第三方測量數(shù)據(jù)大致相符，相對誤差控制在±4. 3%以內(nèi)，總體來說，測量結(jié)果具有一定的可靠性，值得應用推廣。人體溫度測試方法類似，測試結(jié)果較理想，不再贅述。

4.3.2理療設(shè)備溫度數(shù)據(jù)分析

以下主要完成對控溫時間和控溫精度的測量。在測試過程中，將艾灸理療設(shè)備目標溫度設(shè)定為50 ℃，分別測量不同初始溫度（20～80 ℃）下達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間及溫度誤差。在控制精度方面，理療設(shè)備自動控溫相對誤差可達±0.4%以內(nèi)，測量結(jié)果如表4所示。

如圖11（b）控溫時間結(jié)果顯示，預先設(shè)定溫度值為50 ℃，初始值在20～50 ℃范圍內(nèi)是升溫過程，必須等待艾條燃燒，而艾條燃燒是一個緩慢過程，此過程會花費一定時間;初始溫度越是接近50 ℃用時越少;當初始溫度在50～80 ℃之間時，是降溫過程，因艾條原本處于高溫高熱狀態(tài)，降溫過程所用時間就會較多?？傮w來說，控溫時間尚可，基本能達到用戶需求。

5 ? ?結(jié)論

本文基于嵌入式技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)及無線通信技術(shù)，針對行動不便的空巢老人群體，設(shè)計了一套家用個人健康管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備心率/體溫檢測和艾灸理療等功能。LabVIEW上位機和手機APP中人性化的交互界面設(shè)計，能方便老人觀察體檢數(shù)據(jù)，同時，可智能控制艾灸理療設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：心率/溫度測量結(jié)果準確可靠，艾灸理療功能運行穩(wěn)定，能滿足老年人群體對健康理療的基本需求。當然，該系統(tǒng)尚存在不足之處，其目前僅支持心率/體溫基礎(chǔ)測量，對于人體其他日常健康指標的測量功能還有待進一步完善。

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責任編輯 ? ?盛 ? ?艷

Design of Personal Health Management System Based on STM32

CAI Jun，WANG Zhigang，WANG Li，WANG Kai

（School of Electronic Engineering，Huainan Normal University，Huainan 232000，China）

Abstract： In order to effectively prevent the diseases，and focus on physical and mental health of the empty-nest elderly，a personal health management system with detection and physiotherapy functions is designed by using embedded technology，sensor technology and wireless communication technology. It is mainly composed of STM32 microprocessor module，the equipment with heart rate/body temperature monitoring and physiotherapy functions，upper computer based on LabVIEW and mobile APP. Data of heart rate and body temperature are measured and analyzed by STM32， then it will execute the corresponding instruction， and upload physical examination data to the upper computer. The physiotherapy equipment will be automatically activated when people is in poor health. The system test results show that it has the advantages of good real time performance，high accuracy，simple and safe operation，which is suitable for the elderly.

Key ?words： STM32;sensor;wireless communication;upper computer

收稿日期：2020-01-09

基金項目：2017年安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“智能調(diào)溫艾灸盒”（201710381089）

作者簡介：蔡俊，助教，碩士，主要研究方向為信號處理與無線通信、計算機圖形圖像處理。