人体健康状态监测系统设计

肖福娟 初晓艺 李炜

摘  要：针对身体健康的监测，心率和體温是非常重要的两个指标，可以根据监测的数据提前预知人体的健康状况，能大大降低人们发病的风险。该文设计了一款以STM32F103C8T6为核心，以MAX30102为心率检测模块，以DS18B20为温度检测模块的人体健康状态监测系统，包括心率和温度的数据检测、OLED显示屏和手机上的显示、阈值上下限设置等功能。最终经过实物测试，该系统适用性强、可靠性高，具有极大的推广价值。

关键词：人体健康  状态监测  心率  体温

中图分类号：TH77;TP274               文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（b）-0033-03

Abstract： For the monitoring of physical health， heart rate and body temperature are two very important indicators. The health of the human body can be predicted in advance based on the monitored data， which can greatly reduce the risk of people getting sick. This article designs a human health monitoring system with STM32F103C8T6 as the core， MAX30102 as the heart rate detection module， and DS18B20 as the temperature detection module， including heart rate and temperature data detection， OLED display and mobile phone display， threshold value Functions such as lower limit setting. Finally， after physical testing， the system has strong applicability， high reliability， and great promotion value.

Key Words： Human health; Condition monitoring; Heart rate; Body temperature

老龄化的加快以及很多慢性病的愈来愈年轻化，导致人们的身体普遍处于一种亚健康状态，对人体健康的监测成为亟待解决的问题。一般而言，人体健康参数有心率、血压、血氧饱和度等，不同生理信号可以反映出身体不同方面的变化[1-2]。其中，心率和体温更是非常重要的两个身体健康指标[3]。

该文设计了一款新型人体健康状态监测系统，以单片机为核心，可以采集实时的心率和体温这两个指标的数据。同时为了防止人们不清楚是否设备检测到自己的心率信息，当检测到心率数据时，在手机和显示屏上会有相关文字的通知;当心率和温度超过或低于一定安全范围时，会有紧急报警功能。此外，该系统可以通过手机进行心率和体温数据的查看。

1  方案设计与器件选型

1.1 总体设计方案

该系统通过使用心率和温度传感器来测量人们的心率和体温信息，这些信息可以显示在显示屏上，也可以通过手机App查看。当上述信息超过或低于设定的阈值时，蜂鸣器会发生报警。系统整体的组成框图见图1。

1.2 关键器件选型

1.2.1 控制器选型

在该系统中，选择了stm32系列单片机stm32f103c8t6作为控制器。其是ST公司基于ARM内核设计的微控制器，专为高性能、低功耗、低成本，性能优越[4-5]。

1.2.2 心率监测器件选型

该系统需要监测心率信息，选择了高性价比、低功耗的MAX30102芯片。其工作温度-40 ℃+85 ℃，微细5.6 mm×3.3 mm×1.55 mm的14引脚封装，主要用在可穿戴设备以及健美辅助设备[6]。

1.2.3 温度监测器件选型

该系统选用了DS18B20，其是常用的数字温度传感器，模块体积小，其测温范围在-55 ℃～+125 ℃，其输出的是数字信号，具有体积小、抗干扰能力强、精度高的特点[7]。

1.2.4 数据通信器件选型

该文选择了Wi-Fi通信的方式进行监测终端和手机的信号传输。Wi-Fi通信最大优点就是传输速度较高，可以达到11 Mbps;在覆盖范围方面，Wi-Fi的有效距离可达约100 m，随着Wi-Fi技术的发展，覆盖范围也正在不断增加[8]。选用的ESP8266模块是乐鑫公司研发设计的一款物联网专用芯片，是面向物联网应用的高性价比、高度集成的Wi-Fi MCU[9]。

2  硬件设计

2.1 显示模块电路设计

该文选用的是0.96寸OLED液晶屏模块，分辨率为128×64。显示电路见图2（a）。

2.2 心率监测模块电路设计

MAX30102的SCL和SDA引脚分别与单片机的PB3和PB4相连，见图2（b）。

2.3 温度监测模块电路设计

DS18B20温度采集模块共有3个引脚，分别为VCC、DQ、GND，其中DQ是数字信号输入/输出端，与单片机系统的PB14相连，见图2（c）。

2.4 通信模块电路设计

ESP8266-01S模块中，VCC为供电引脚，与单片机系统的3.3V端口相连，TX和RX引脚分别与单片机的PB11和PB10相连、GND接地，见图2（d）。

3  程序设计

3.1 主程序设计

该系统主要完成设备数据检测、手机查看数据、OLED显示、按键部分的软件设计，从而实现检测心率以及体温、异常报警、手机查看数据、更改阈值、报警等功能。

3.2 健康数据监测程序设计

首先单片机发出指令由传感器对心率信号或体温信号进行转换并读取数据，若获取到心率或体温数据，判断是否超出安全范围，不超出安全范围时正常显示，否则进行报警并重新获取心率或体温数据，或者没有获取心率或心率数据时也会重新读取数据。

4  系统分析与调试

4.1 心率与体温监测

进行系统对心率和温度监测的测试，当心率数据监测时，见图3（a）所示。当监测体温数据时，见图3（b）所示。

4.2 手机端查看信息

在手机上，机智云平台上可以查看心率以及温度数据的测试，见图3（c）。

5  结语

该文设计了以STM32F103C8T6为核心、以MAX30102为心率检测模块、以DS18B20为温度检测模块的人体健康状态监测系统，可以采集人体实时的心率和体温这两项数据，同时在手机和显示屏上会有相关文字的通知。当心率和温度超过或低于一定安全范围时，会有紧急报警功能。并且该系统可以通过手机查看相关心率和温度数据。通过系统测试可以验证该系统适用性强，具有很高的推广价值。

参考文献

[1] 戴世诚.基于心音信号的血压评估系统的设计与实现[D].南京邮电大学，2020.

[2 Eapen Z J， Turakhia M P， McConnell M V， et al. Defining a Mobile Health Roadmap for Cardiovascular Health and Disease[J]. Journal of the American Heart Association，2016，5（7）：e003119.

[3] 陈光毅.人体健康指标实时监测系统[D].哈尔滨理工大学，2017.

[4] 胡进德.单片机STM32F103C8T6的红外遥控器解码系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（10）：78-81，85.

[5] 田昌，邓文涛，赵娟.基于STM32的四旋翼无人机设计[J].科技创新导报，2019，16（30）：61，63.

[6] 张晓荷，苏新彦，姚金杰.基于北斗的船員健康监测系统设计[J].国外电子测量技术，2018，37（12）：129-133.

[7] 杜健宁，王梦娇，孟祥雨，等.基于WeMosD1物联网开发板的奶瓶温度监测装置设计[J].中国医学装备，2020，17（11）：5-7.

[8] 符策高.基于WiFi传输的呼吸机数据采集系统设计[J].微型电脑应用，2020，36（12）：140-141，148.

[9] 张琥石，林伟龙，杨发柱，等.基于ESP8266WiFi模块的物联网体温监测系统[J].物联网技术，2020，10（12）：32-35.