基于STM32的可穿戴式无线体域网信息监测系统设计与实现

胡玫， 王永喜

(兰州工业学院 电子信息工程学院，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

随着生活水平的逐步提高，人们对健康的关注程度也日益增加。由于受到医疗资源紧张和分布不均匀等现实情况的制约，传统的疾病诊疗模式已不能满足人们对医疗的需求，能实现实时监护、早期预防的全新医疗技术越来越受到重视[1]。

Van Dam等学者于2001年提出了无线体域网(wireless body area betwork，WBAN)的概念，它是无线传感网的一个重要分支[2-4]。由于该技术可采集、传输和存储人体生命体征信息，同时具有无线传感网的自组织、自适应、以数据为中心、体积小和成本低等特点，使得无线体域网迅速成为国内外医疗监测系统中解决实时监护及早期预防问题的主流技术[5-8]。

本文设计一款可穿戴式的无线体域网信息监测系统，它融合低功耗嵌入式处理器、无线体域网和蓝牙技术，实现人体体温、心率、血压生理参数的实时采集、数据存储、无线传输和监测功能[9-13]。

1 系统结构

考虑到无线体域网应用于远程医疗监护设备的便携性、低功耗、无线通信和无创安全等基本要求，设计如图1所示的系统。系统由无线传感网络、中央监测模块和手机(终端)组成。生命体征感知节点采集人体体温、心率和血压生理参数，并进行预处理和存储，然后以无线通信的方式到达协调器节点，再利用嵌入式处理器STM32将数据通过蓝牙模块发送到手机APP显示。

图1 系统框图

2 功能模块设计

2.1 生命体征感知和协调器节点设计

2.1.1 处理器模块

使用CC2530芯片作为生命体征感知和协调器节点的处理器。该芯片是德州仪器研发的新一代ZigBee片上系统解决方案，建立在IEEE 802.15.4标准协议之上，集成了RF收发器、增强8051内核和Flash存储器等资源。它的最小系统所需外围电路包括晶振电路、射频天线电路和复位电路，如图2所示。

X1取值为32 MHz，它与负载电容C17和C18共同组成高频振荡器，为CC2530的主时钟提供振荡源。X2取值为32.768 kHz，它与负载电容C19和C20共同组成低频振荡器，为系统需要的时间精度提供一个稳定的时钟校准信号。

通过由C9～C15、L2～L4构成的巴伦匹配电路，SMA单极性天线将单端信号变为差分信号，然后将数据通过CC2530芯片的RF_P和RF_N引脚进行通信。

复位电路主要是在需要重启系统时使用:当RST复位键按下时，芯片RESET_N经R24电阻接3.3 V，获得10 kΩ电阻上所分得的电压，形成高电平，进入“复位状态”；当RST复位键断开时，芯片RESET_N接地，电流降为0，电阻上的电压也将为0，RST降为低电平，开始正常工作。

2.1.2 体温测量模块

采用IR红外非接触式温度计模块GY-MCU90615测量人体温度。该模块由数字式红外传感器芯片MLX90615、嵌入式微处理器STM8S003P6组成。

MLX90615是由Melexis公司生产的高精度数字式测温芯片，测温范围为-40～115 ℃。可通过SMBus总线修改E2PROM中的控制字，减小测温范围，提高测量精度。MLX90615主要由红外热电堆传感器、低噪声放大器、16位模/数转换器和DSP单元等组成。

STM8S003P6是意法半导体针对工业应用和消费电子开发的8位微控制器，具有高达20 MIPS的CPU性能和2.95～5.50 V的电压范围，包含丰富的外设：10位模数转换器，16位定时器可用于马达控制，捕获/比较和PWM功能，CAN2.0B接口，U(S)ART接口，I2C端口以及SPI端口等。

红外热电堆传感器将采集到的红外辐射信号转化为电信号，并经过低噪声放大器放大后送入模/数转换器，输出的数字信号经低通滤波器滤波、数字信号处理器处理后，保存在MLX90615的内部RAM中，通过SMBus方式由STM8S003P6微控制器读取后，利用串口发送到体温感知节点的CC2530，如图3所示。

图3 GY-MCU90615与CC2530连接电路图

2.1.3 心率、血压测量模块

心率、血压测量模块MKB0705由YKB1712心率血压传感器、HRB6708心率芯片、SFB9710算法MCU和JZ11711血压校准芯片组成。

心率波传感器YKB1712采用光电式容积心率波描记(PPG)的方式感知并采集人体的心率和血压信息，经过HRB6708心率芯片、SFB9710算法芯片后，利用串口输出信号到感知节点的CC2530，如图4所示。当血液流过微血管时，血液容积在心脏搏动下出现脉动性变化，反映出心搏功能和血液流动等诸多心血管的重要信息。

图4 心率、血压测量模块MKB0705框图

光电容积心率波描记法通常利用光电器件发射、接收光信号并转换为电信号，进行血压等参数监测。该方法摆脱传统血压测量中袖带的束缚，非常适合应用于可穿戴式设备对人体血压和心率等的连续监测。

2.2 中央监测模块

STM32F103是ST公司研发的32位ARM微控制器，主频最高可以达到72 MHz，外设资源丰富且各具特色，包括ADC、通用定时器、I2C总线接口、SPI接口和CAN总线接口等，非常适合作为可穿戴设备中的主处理器。它的最小系统包括复位、晶振和JTAG接口等单元电路，如图5所示。

图5 中央监测模块电路图

协调器节点的P0_2、P0_3引脚与主处理器的PA2～PA3引脚连接，通过串口将体温、血压和心率生理参数送入主处理器。

显示器采用1.3英寸(1英寸=2.54 cm)的OLED屏幕，其驱动芯片为SSH1106，内部RAM为123×64，使用I2C接口进行数据的读写，SCL时钟、SDA数据引脚分别与主处理器的PB6～PB7引脚连接。

HC-05蓝牙串口模块工作频段为2.4 GHz，采用全双工无线通信模式，引脚RX、TX与主处理器的PB10～PB11连接。与手机的蓝牙模块匹配后，通过手机串口测试APP即可显示实时采集的数据。

使用6个按键设置血压、心率和体温参数阈值的上、下限，分别与主处理器IO口的PA8～PA13引脚连接。

2.3 电源模块

3.7 V的可充电锂电池经过升压模块输出5 V的电压为体温测量模块、OLED和蓝牙模块供电。5 V电压经过AMS1117-3.3后降压为3.3 V为生命体征感知节点、协调器节点、心率、血压测量模块和STM32F103最小系统供电，如图6所示。

图6 电源模块电路图

3 软件设计

系统初始化，无线传感网组网成功后，生命体征感知节点采集体温、心率和血压数据，发送至协调器节点，再由中央监测模块通过蓝牙模块在手机APP上显示体温、心率和血压信息，如图7所示。

图7 系统流程图

4 测试分析

由于耳膜(鼓膜)温度最接近人体真实体温，因此采用耳带式进行体温测量。将心率、血压感知模块置于手腕处，体域网组网成功后，利用手机APP发送控制命令，即可显示采集的数据，如图8～图11所示。

经测试表明，设计的无线可穿戴体域网信息监测系统能够采集、存储和传输人体生理参数。系统运行稳定，性能指标满足要求。产生误差的主要原因是生命体征数据以无线方式传输，同时测试对象偶尔不规则的姿势和身体的快速移动都会对测试结果产生较大的影响。表1所示的测试结果为连续监测下生命体征数据的平均值。

表1 测试结果

5 结束语

设计一款可穿戴式无线体域网信息监测系统。系统具有实时采集、存储、传输和监测人体生命体征信息的功能。试验结果表明，系统运行稳定，性能指标达到要求，可实现实时监护、早期预防疾病的功能。