摘 要 提出了一種基于嵌入式智能健康運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。這款監(jiān)測(cè)儀基于健康數(shù)字心率傳感器、紅外傳感器、GPS模塊、低耗CPU、液晶顯示屏和其他外圍電路組成。CPU通過I2C總線分別讀取APDS_9008接收到的脈搏信號(hào)、MLX90615采集的紅外輻射信號(hào)和GPS模塊獲得時(shí)間、速度、海拔、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的人體脈搏值、溫度值和人所在的位置、時(shí)間、速度、海拔并顯示在液晶屏上，實(shí)驗(yàn)表明，智能健康監(jiān)測(cè)分析儀準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、快速測(cè)量。

【關(guān)鍵詞】脈搏率 紅外體溫計(jì) GPS導(dǎo)航

目前市場(chǎng)上流行與健康相關(guān)的可穿戴式產(chǎn)品繁多，為用戶有效提供科學(xué)的運(yùn)動(dòng)方式和健康診斷，特別是戶外拓展，比如登山、滑雪、野外旅游探險(xiǎn)等活動(dòng)，需要對(duì)戶外運(yùn)動(dòng)者的信息定位和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提供一個(gè)隨身配帶的“健康顧問”。為此，我們開發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式智能健康運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)分析儀。

1 系統(tǒng)整體方案

為快捷有效的對(duì)戶外運(yùn)動(dòng)者提供有效的健康狀態(tài)分析，系統(tǒng)主要采用利用主控CPU STC12EL5624AD，通過I2C總線分別讀取APDS_9008接收到的脈搏信號(hào)、MLX90615采集的紅外輻射信號(hào)和GPS模塊獲得時(shí)間、速度、海拔、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的人體脈搏值、溫度值和人所在的位置、時(shí)間、速度、海拔并顯示在液晶屏上，能夠快速有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外運(yùn)動(dòng)者的信息定位和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選擇

設(shè)計(jì)采用基于STC的8位微控制器STC12EL5624AD作為主控芯片。該控制器具有高速可靠、資源豐富、低功耗、寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、醫(yī)療保健 、手持設(shè)備等場(chǎng)合。STC12EL5624AD具有20K的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、27個(gè)通用I/O引腳、8路10位AD轉(zhuǎn)換器、4個(gè)通用定時(shí)器等外設(shè)資源和USART、I2C、SPI等通信接口，能夠滿足健康運(yùn)動(dòng)分析儀的設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)中微控制器STC12EL5624AD主要完成判斷按鍵輸入、心率傳感器、紅外傳感器、GPS模塊信號(hào)的采集與處理、驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示。硬件設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。

2.2 傳感器部分

2.2.1 心率傳感器

該心率傳感器主要通過ADC單元來采樣傳感器輸出的脈搏模擬信號(hào)，采樣率為500Hz，AD精度一般選擇10位精度。心率傳感器程序的主要設(shè)計(jì)思路是脈沖傳感器根據(jù)返回的光強(qiáng)，輸出脈搏的電壓波形曲線。同時(shí)計(jì)算相鄰兩個(gè)脈搏波的峰值點(diǎn)的時(shí)間差并濾波，得到兩次心跳之間的時(shí)間（IBI數(shù)值），由此就可以算出BPM的數(shù)值。

2.2.2 紅外傳感器

設(shè)計(jì)中采用數(shù)字紅外傳感器MLX90615ESC-DAA，主要是由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和功能強(qiáng)大的DSP單元等組成，紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并經(jīng)過低噪聲放大器放大后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)FIR/IIR低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理后輸出測(cè)量結(jié)果并保存在MLX90615內(nèi)部RAM中，可以通過SM-Bus或PWM方式供主控CPU單元讀取。

MLX90615具有寬溫度范圍的高精度、高分辨率、發(fā)射率可調(diào)節(jié)SMBus兼容的數(shù)字接口等優(yōu)點(diǎn)，而作為醫(yī)用的MLX90615ESC-DAA在36～39℃的人體溫度范圍內(nèi)的精確度達(dá)到了±0.1℃。MLX90615泛應(yīng)用于高精度非接觸溫度測(cè)量、 家用溫度控制、衛(wèi)生保健、多重溫度區(qū)域控制等領(lǐng)域。

2.3 OLED顯示部分電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)顯示部分采用基于SH1106液晶芯片的通用1.3寸OLED字符型液晶屏，它是指顯示的內(nèi)容為8×16 ，即可以顯示八行，每行16個(gè)字符和數(shù)字的液晶模塊。液晶顯示屏具有功耗低、體積小、內(nèi)置字符發(fā)生器、易匹配處理器、抗震性好、具有較寬的視角、OLED的工作溫度范圍比較廣等優(yōu)點(diǎn)。該顯示屏是5V 以下低電壓直流驅(qū)動(dòng)的，也可以用電池點(diǎn)亮，具有高亮度的特點(diǎn)，可達(dá)300 流明以上，能夠滿足基本的戶外使用。其系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

2.4 GPS導(dǎo)航模塊

系統(tǒng)采用u-blox 6無鉛芯片載體（LCC）模塊是獨(dú)立的高性能的GPS定位引擎。該模塊是由射頻和基帶部分這兩個(gè)功能部件組成。射頻前端包括輸入匹配元素，看到帶通濾波器，u-blox 6 RF-IC（集成放大器），頻率源；基帶部分包含u-blox 6基帶處理器，如RTC水晶和額外的元素可選的閃存的增強(qiáng)的可編程性和靈活性。

2.5 其他外圍電路

其他外圍電路部分主要包括按鍵模塊、充電模塊、電量檢測(cè)模塊等部分。按鍵主要產(chǎn)生中斷信號(hào)。其他其他外圍電路圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包括：初始化模塊、按鍵檢測(cè)模塊、心率模塊、紅外溫度檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊和GPS導(dǎo)航模塊等，其程序流程如x下：初始化模塊主要完成復(fù)位、通用I/O中斷、定時(shí)器、I2C、時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器、液晶等初始化設(shè)置。按鍵檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)按鍵是否按下，判斷是否是啟動(dòng)各個(gè)功能，從而觸發(fā)外部中斷并執(zhí)行各個(gè)功能。其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

4 測(cè)試總結(jié)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種嵌入式的智能健康分析監(jiān)測(cè)儀，能夠使擁有者對(duì)自身的身體狀況有一個(gè)詳細(xì)清楚的認(rèn)識(shí)，而不是憑借的模糊判斷來了解自身的身體狀況。利用健康數(shù)字心率傳感器，可以準(zhǔn)確地測(cè)量出使用者的心率。同時(shí)這款智能健康監(jiān)測(cè)分析儀還可以獲得時(shí)間、速度、海拔、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的人體脈搏值、溫度值和人所在的位置、時(shí)間、速度、海拔并顯示在液晶屏上。如果使用者的身體不適時(shí)，可以運(yùn)用GPS的導(dǎo)航定位技術(shù)，在緊急狀況時(shí)第一時(shí)間發(fā)出救援信號(hào)，所以這是一款能給用戶的健康運(yùn)動(dòng)帶來最大用處的電子設(shè)備。通過系統(tǒng)戶外整體測(cè)試，該智能健康分析儀工作穩(wěn)定、可靠，且操作簡單、使用便捷，體積小，方便攜帶，適用性廣，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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作者簡介

孫紅軍（1980-），男，廣東省江門市人。碩士學(xué)位。講師。研究方向?yàn)榍度胧疆a(chǎn)品開發(fā)。

羅耀祖（1988-）男，湖南省郴州市人。碩士學(xué)位。助教。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

作者單位

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省江門市 529090endprint