无线运动传感器节点设计.pdf

0引言可穿戴设备是近年新兴的智能产品。智能可穿戴产品多与手机客户端结合使用，最常见的有智能手环、智能手表和智能眼镜等。可穿戴设备在技术、用户、产业的推动下快速发展，吸引了越来越多的大众群体1。智能手环的设计中运动信息主要通过加速度传感器采集，而目前的加速度传感器所采集到的X轴、Y轴、Z轴数据，其时序特点和目前市面上处理语音识别的信号具有相同的方式，或者说是由语音识别处理的信号发展而来的2。SAUNDERS3在1953年第一次用加速度传感器辨识人体的运动动作，但技术成熟度不高，加速度传感器无法集成传感器芯片，体积庞大且价格较高，因此没有得到推广使用。三轴加速度传感器集成一个芯片后，采集了大量的人体活动作为研究样本，通过数据计算出身体消耗的卡路里和步数等信息4。智能手环的不断发展促进了低成本、低功耗、多功能无线传感器的发展5。这些无线传感器体积越来越小，并且具有感知人体信息、处理数据和短距离通信的能力。基于以往的研究基础，在心电传感器、体表温度传感器和三轴传感器技术成熟的情况下，本文提出了无线运动传感器节点设计。该设计通过STM32单片机对传感器进行组合，监测人体的身体状态，通过无线网络上传运动后的距离和步数，记录运动时人体的心电图、心率变化和体表温度，并且能够穿戴在人体上实现各项指标监测功能。1无线运动传感器节点设计方案及配置选择1.1设计方案本设计采用的方案如下：使用STM32单片机为控制核心，通过控制ADS1292心电模块采集使用者的心电数据，通过串口向串口屏发送心电数据并计算心率；使用HMI串口屏上位机软件显示GUI界面，加入控件，通过控制DS18B20温度传感器采集使用者的体表温度；通过ADXL345加速度传感器采集使用者的三轴数据，计算使用者的步数和运动距离；把采集到的数据分别发送到HMI串口屏的控件上，再通过串口将这些数据通过ESP8266WIFI模块发送到PC端；使用QT开发软件设计PC端的GUI界面，通过接收到的数据，在PC端界面显示出使用者的心电图波形、心率、体表温度、三轴数据、步数和运动距离。1.2单片机的选择（1）使用 AT89C51 单片机作为本设计的控制核心。（2）使用STM32F103作为本次无线运动传感器的CPU方案。（3）使用 QT开发 GUI程序，设计一个能够显示*2023年度河南省高等学校重点科研项目“三全育人 视域下高职院校智慧思政平台的建设与应用研究”（3B520048）；2023年度郑州财税金融职业学院校级课题“新工科背景下基于CDIO的物联网专业复合型人才培养研究以郑州财税金融职业学院为例”（ZCY202301）。【作者简介】韩佳芳，女，河南郑州人，硕士，任职于郑州财税金融职业学院，助教，研究方向：物联网应用技术、人工智能、计算机应用技术。【引用本文】韩佳芳.无线运动传感器节点设计 J.企业科技与发展，2023（6）：21-23.无线运动传感器节点设计*韩佳芳（郑州财税金融职业学院，河南 郑州 450048）摘要：现代社会人们的竞争压力大，很多人身体处于亚健康状态，因此利用可穿戴设备监测自身健康状况成为康养领域的发展趋势。为了设计一种更加智能的检测设备，文章提出无线运动传感器节点设计，通过ADS1292 模拟前端芯片设计心电检测电路，使用DS18B20温度传感器检测人体体表温度，利用ADXL345三轴加速度传感器判断使用者的运动状态，并远程显示动态的人体心电图和人体体表温度等信息。测试表明：该装置功耗低，可穿戴在人体上实现各项监测功能，例如能够实时监护动态心电信号、采集体表温度、测量运动步数和运动距离；使用串口显示屏实现无线传输和指标显示，具有较强的抗干扰能力。关键词：无线运动传感器；ADS1292芯片；ADXL345传感器中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1674-0688（2023）06-0021-03企业科技创新韩佳芳.无线运动传感器节点设计21心电波形、心率、运动距离和步距界面的控制台或服务器。QT 可以通过 C+开发，设计 Windows 系统和Linux系统的图形界面，通过ESP8266WIFI模块连接PC端的热点，建立通信，上传数据，在GUI界面上显示心电波形、心率、运动距离和步距等数据。1.3通信模块的选择通信模块选择使用 ESP8266WIFI 无线通信模块，该模块具有功耗低、上传数据快、价格低、开发容易上手等特点，只需使用串口发送AT指令即可支持多设备互相通信。综合以上选择，使用STM32F103芯片与QT编译后的 GUI界面相结合的方式，利用 ESP8266WIFI模块作为通信桥梁，实现无线运动传感器节点。2无线运动传感器节点电路设计硬件电路设计方案采取每个功能子模块分开设计，再将这些子模块组合在一起的方式，形成的整体硬件电路设计图如图3所示。WIFI图1电路设计2.1单片机控制模块电路STM32F1 单片机是控制核心最基本的实验电路，共有3个串口、2个I2C接口、2个SPI接口和7个定时器。使用的引脚有80个快速IO口，可用于设计复杂的电路系统。2.2STM32F1核心板的时钟电路和复位电路要正常运行单片机，就需要设计时钟和复位电路。本 设 计 使 用 的 是 STM32F1 的 单 片 机，因 为STM32F1的复位方式有多种，所以可以选择使用时钟和复位电路。2.3ADS1292心电模块电路ADS1292心电模块由ADS1292R芯片设计，在模块内设计一个电平芯片兼容5V和3.3V的单片机，芯片内部有一个放大电路，增益采集的电压。ADS1292R芯片含有便于携带的心电图，与普通手环相比，只有心率值监测不同，可通过计算得出心率值功能。ADS1292模块使用SPI通信，模块电路中有5V转3.3V电路，加上电平转换芯片，兼容8位单片机和32位单片机。2.4ADXL345加速度传感器模块电路ADXL345 加速度传感器模块电路原理是基于ADXL345三轴加速度传感器的分析与计算。可使用I2C和SPI进行中断，中断模式灵活，可以映射到单片机中任何一个中断引脚，通过串行命令选择适合的测量范围，也可以通过串行命令选择合适的带宽；其适合温度为-40+85，抗冲击能力高达10 G。2.5HMI串口屏和接口电路HMI串口屏是一款采用上位机写指令方式、通过触摸控件显示的屏幕，其CPU处理器为STM32，用上位机写指令实现屏幕的显示、中断、定时和触摸。上位机指令编程软件的控件功能强大，只需选定控件，在控件的触发事件写上相对指令，就可以控制该控件。2.6电源模块电路本设计通过电池供电，电源选择疾风锂离子聚合物电池，其电解质溶液是有机溶剂，锂离子聚合物电池具有能量高、体积小而轻薄及安全性高等优点。2.7WIFI模块电路本设计使用的无线传输模为 ESP8266WIFI 模块，该模块使用串口与其对应的单片机进行通信，模块内含TCP协议，通过使用TCP协议可以进行网络数据发送和数据下载。数据传送是通过单片机的串口发送AT指令控制ESP8266模块的方式实现。3无线运动传感器节点软件设计3.1ADS1292心电模块程序设计首先进行初始化处理，将与ADS1292连接的IO口设置为SPI模式，其次设置ADS1292芯片的DRDY引脚为上拉输入，并设置该引脚为中断输入功能和中断功能。驱动程序分为读取72位数据、噪声设置和正常信号采集3个子程序。系统上电后，设置内部噪声模块，读取噪声数据和测试信号，确定芯片正常工作后发出采样指令，读取正常心电信号。需要特别注意的是，在正常采样时要把内部1 mV的测试信号关闭。3.2ADXL345加速度传感器的驱动程序设计ADXL345 模 块 IIC 测 试 程 序：首 先，初 始 化ADXL345模块，初始化的方式是将IIC接口通过IIC企业科技与发展，2023年，第6期，总第500期22给器件写指令，读地址的指令是0XA7，写地址的指令是0XA6。其次，使用写寄存器的方式，给器件设定测量范围、采样速率、电源模式和X轴、Y轴、Z轴的偏移量。采用读取10次的X轴、Y轴、Z轴数据值分别取平均值的方式进行数据校准，取X轴、Y轴、Z轴的具体数据，读取6个字节，X轴数据是第一个字节与第二个字节相加；Y轴数据是第三个字节与第四个字节相加；Z轴数据是第五个字节与第六个字节相加。3.3无线传感节点与服务器连接（1）设计DS18B20温度传感器驱动代码，使用单片机读取温度传感器时序，通过算法进行温度转换；使用 ADS1292 心电模块的驱动程序和 ADXL345 加速度传感器模块的驱动程序作为底层驱动程序，修改驱动程序的IO为STM32F1核心板上所对应的IO口程序。（2）将以上测试好的各驱动程序加入RT-Thread操作系统，通过操作系统的任务调度，同时运行驱动程序；通过串口发送数据到HMI串口屏，使用HMI串口屏上位机给HMI串口屏添加控件，最后HMI串口屏显示测试到的数据。（3）将 ESP8266WIFI 模块接入 STM32F1 核心板的串口 2，通过向串口发送 AT 指令测试 ESP8266WIFI模块的通信，测试方式是在笔记本电脑开一个热点，使用WSP8266WIFI模块接入笔记本热点发送AT指令。（4）使用QT编程，设计一个在Windows系统上运行的界面，不间断地实时显示心电波形。4无线运动传感器节点设计的调试与验证4.1调试步骤（1）调试ADS1292心电模块：选择使用心电模拟器、发生器信号模拟仪FK550，利用心电信号模拟仪输出正常心电波形信号，通过ADS1292心电模块采集并显示心电波形。（2）调试温度模块：使用红外体温枪测试人体体表温度，与温度传感器进行对比、校准。（3）调试ADXL345加速度传感器模块：通过在设定的5 m直线范围内来回走动进行调试，注意按正常走动摆臂的幅度进行三轴数据记录，通过记录设定参数值，用于计算运动步数和距离。（4）调试上传 PC端的数据：测试心电波形是否上传，实时查看界面心电波形和心率的变化，通过握紧或搓手改变手心温度，通过运动摆臂查看三轴的数据和运动信息。4.2验证结果通过改变心电模拟器的旋钮，改变其心率值，则无线运动传感器节点采集到的心率值也会发生相应变化。在实际走路测试中，可通过ADXL345加速度传感器看到三轴数据、步数和步距的变化。上传的PC图形化界面与无线运动传感器节点上的HMI串口屏上显示的数据一样，误差极低。成功上传后的数据，通过做成电池供电的形式，可将节点做成手表形式绑在手臂上，在查看运动距离和步数的同时，也不会影响正常的走路摆臂。5结语本无线运动传感器节点设计使用串口屏显示心电波形数据，通过预存的方式，让心电波形慢慢往后推移，实时显示心率、温度、步数和步距等。本设计通过QT设计出图形化界面，在方案上也可使用开源的蓝牙或其他安卓应用软件。本文设计的PC端图形化界面，成功上传了心电波形的数据，能显示完整的心电波形和其他实时上传数据。本设计存在一些不足，如果ESP8266无线模块与所接入的服务器距离过远（20 m左右），连接就会中断。改进办法是像传统设计运动手环一样通过网络将数据上传到云平台，在云平台对数据进行管理和分析，然后上传到手机或PC端的App界面。此外，对于一些计算的误差，比如温度误差，可以使用更精确的温度传感器降低误差，例如通过专业的医学测温传感器获取更精确的温度值。6参考文献1 速途研究院.2017年上半年可穿戴设备市场分析报告 J.互联网天地，2017（8）：21-23.2 王洪斌，基于三轴加速度传感的人体行为识别研究 D.无锡：江南大学，2014.3 SAUNDERS J B，INMAN V T，EBERHART H D.The major determinants in normal and pathological gai J.Journal of Bone&Joint Surgery-American Volume，1953，35（3）：543-558.4BLAIR S N，BRODNEY S.Effects of physical inactivityand obesity on morbidity and mortality：current evidenceand research issuesJ.Med Sci Sports Exerc，1999，31（11 Suppl）：646-62.5 GUO S S，CHUMLEA W C.Tracking of body mass indexin children in relation to overweight inadulthoodJ.AmJ Clin Nutr，1999，70：145-148.韩佳芳.无线运动传感器节点设计23