基于STM32的人体体质监测系统设计与实现

杨凯 王润修 倪笑宇 吉高卿

基金项目：2023年度河北省体育科技研究项目；项目名称：基于云计算的国民体质监测系统的研究；项目编号：2023QT15。项目名称：新业态背景下我省电竞产业发展对策研究；项目编号：2023CY13。2019年张家口市科技局科研项目；项目名称：基于大数据的智能交通控制系统；项目编号：1911002B。

作者简介：杨凯（1987— ），男，湖北黄冈人，助教，硕士；研究方向：电子信息。

*通信作者：吉高卿（1987— ），男，河北张家口人，讲师，硕士；研究方向：大数据。

摘要：由于人们生活节奏的加快和生活压力的增大，人体体质健康越来越受到重视。为了使人们更为直观地关注自身的体质健康，文章设计了一款基于STM32单片机的人体体质监测系统。系统以STM32单片机作为主控制模块，通过血氧传感器模块、脉搏心率测量模块、体温测量模块，分别对心率、血氧、体温等人体体质参数进行监测，并通过蓝牙模块实现无线传输功能，将测量的数据传送到手机上。利用该系统，用户既可以在液晶显示屏上查看体质数据，也可以在手机App上了解到自身的体质参数。经实验测试，该系统运行平稳、工作正常，符合设计要求。

关键词：人体体质；STM32；传感模块；血氧

中图分类号：TP31  文献标志码：A

0  引言

目前，我国经济快速发展，但人口老龄化问题化日趋严重［1］。在我国人民生活水平不断提升的同时，生活压力也变得越来越大，由于错误的饮食习惯和较少的运动，导致人们的健康问题与日俱增［2］。在现实生活中，还存在医疗资源匮乏、少部分人支付不起昂贵的医疗费用、就医不及时等一系列问题［3］。

人体体质监测是医疗健康领域的一个新兴研究方向，随着社会对健康生活的重视和人民對疾病预防意识的提高，越来越多的人开始关注自身的体质与潜在健康风险，以上因素推动了体质监测技术的快速发展［4］。人体体质监测系统可以实现关键生理参数的实时采集与数据分析，对个体体质特征及疾病发病风险进行评估，能够有效帮助人们做到早发现、早预防、早治疗［5］。

1  系统硬件设计

本文设计的人体体质监测系统硬件组成，如图1所示。系统主要由主控制器、温度采集模块、心率与血氧采集模块、显示模块、蓝牙模块等构成，不仅可以实现对体温、心率、血氧等数据的实时监测，还可以将数据通过蓝牙模块发送到手机等设备。

本文设计的人体体质监测系统中，主控制器的作用是对系统各个组成模块进行总体控制；温度采集模块的作用是利用温度传感器，对人体体温等数据进行采集；心率和血氧采集模块的作用是利用相关传感器，对人体心率和血氧等体质数据进行采集；蓝牙模块的作用是利用蓝牙芯片，对已经获得的人体体质数据进行发送，使用户在手机端也可以查看自身的体质数据。

1.1  主控制器模块

系统采用STM32F103c8t6作为主控制器，它是ST公司STM32系列32位ARM Cortex-M3内核微控制器的一款产品，属于STM32主流系列入门级产品，芯片采用高性能的ARM内核，内置丰富的外设和接口，拥有软硬件资源丰富的生态系统［6］。

该芯片内置了64 KB闪存、20 KB SRAM以及多个通信接口，如USART、SPI、I2C和CAN等，还有丰富的外围设备，如ADC/DAC、定时器和PWM等。此外，它还支持多种电源模式，包括低功耗、停机、待机和休眠等，适用于多种应用领域，如工业控制、汽车电子、家电控制等［7］。

1.2  温度采集模块

系统选用DS18B20作为温度传感器，DS18B20数字温度传感器由Dallas半导体公司（现Maxim Integrated）开发制造［8］。芯片采用单总线接口，通信方式简单，连接方便，只需要一条数据线即可与微控制器连接实现温度数据的读取。

DS18B20具有以下特点：（1）测量结果精度较高。DS18B20提供的温度测量范围是-10～85 ℃精度为±0.5 ℃。这使得它非常适合需要准确温度测量的应用。（2）芯片采用单线连接。DS18B20传感器使用单一的数据线进行通信，这使得它在布线和连接方面非常方便，只需使用一个引脚就可以进行数据传输和供电。（3）芯片的功耗较低。DS18B20在进行温度测量和通信时消耗的功率非常低，这使得它非常适合用于低功耗和电池供电的应用场景。（4）芯片采用多种封装形式。DS18B20传感器提供了不同的封装选项，包括TO-92、TO-220、SOT-223等，以适应不同的应用需求。

1.3  心率与血氧采集模块

心率与血氧数据的采集模块采用的是MAX30102芯片。该芯片是Maxim Integrated公司推出的一款可穿戴生物传感器。它是一种集成了红外（IR）和可见光（Visible Light）LED发光器、光电传感器和数字信号处理电路的高度集成脉搏氧合仪和心率监测模块。芯片利用反射式光谱测量技术，通过测量光线在皮肤上的反射率和吸收率，来获取血氧饱和度（SpO2）和心率等人体体质数据。该芯片的主要特点和功能：（1）芯片采用双波长测量。MAX30102集成了红外（IR）和可见光（Visible Light）LED发光器，可同时进行双波长的光谱测量。这使得它能够有效地消除来自皮肤颜色和环境光的影响，确保血氧饱和度和心率测量的准确度。（2）芯片具有灵敏的光电传感器。MAX30102内置高灵敏度的光电传感器，能够检测微弱的光信号，并将其转换为电信号进行处理。（3）芯片具有灵活的数据接口。MAX30102通过I2C（Inter-Integrated Circuit）总线接口与主控制器进行通信。它提供了多个配置寄存器，可以调整采样速率、工作模式、阈值设置等参数，以满足不同应用的需求。（4）洗牌具有低功耗模式。AX30102支持多个低功耗模式，可以在不同的功耗和性能需求之间进行权衡，以延长电池寿命。

1.4  显示模块

本文的显示模块采用的是LCD1602芯片。LCD1602是一种基于液晶技术的字符显示模块，性能稳定，使用方便，价格低廉。它由两行，每行16个字符的显示区域组成，每个字符由5×8点阵组成。LCD1602具有广泛的应用领域，包括电子设备、嵌入式系统、工业控制以及教育实验等。通过与控制器的连接，可以向LCD1602发送指令和数据，以控制显示内容、位置和外观等。用户可以在LCD1602上显示自定义的文本、数字、符号和图形，以满足各种应用的需求。

1.5  蓝牙模块

本文通过JDY-30蓝牙模块与手机软件连接，可以将测量得到的数据发送到手机上，人们通过手机便可以清楚地观察到自身体质数据。

JDY-30是一种基于SPP（串口蓝牙传输协议）蓝牙模块，是一种小型且易于使用的无线通信模块，常用于与蓝牙设备进行串口通信。JDY-30模块配置方式简便，用户可以通过发送AT指令来配置模块的参数，如蓝牙名称、波特率等；JDY-30模块可工作在主从模式或仅从模式。主从模式可实现双向数据传输，而仅从模式只能接收数据。另外，JDY-30模块采用低功耗设计，适合于对电源功耗有要求的场景，带有蓝牙连接状态的指示灯，可以方便地了解蓝牙连接状态。

STM32主控模块与手机端App之间采用JDY-30蓝牙模块进行通信。该模块体积小巧、使用灵活，用户可根据需要设置波特率，通信距离可达10 m。该蓝牙芯片非常适合在人体体质监测系统中使用。

2  系统软件设计

本系统的程序设计以模块化为设计原则，将每个模块封装为函数，每个模块完成特定的功能。使用模块化开发，可以将代码耦合度降低，模块化的意义在于最大化的设计重用，以最少的模块、零部件，更快速地满足更多的个性化需求，提高系统程序的可维护性和可测试性。此外，如果需要对程序进行升级优化及功能扩展，可在不影响程序原有功能的情况下，加入相应模块的代码即可实现，提高开发效率和降低开发成本。本系统中，程序设计模块包括以下几种：脉搏波传感模块、蓝牙通信模块、LCD屏幕显示模块、存储模块、时钟及辅助模块等。

系统主程序可以控制单片机系统按预定的操作方式运行。它是单片机系统程序的框架。系统上电后，需对系统进行初始化。初始化程序主要完成對单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。在系统初始化之后，进行按键扫描、液晶显示等工作。系统主流程，如图2所示。

3  测试及结论

在完成系统的硬件设计和软件设计后，可进行人体体质监测系统的工作性能测试。当系统接通电源后，系统便开始正常工作。在监测人体体质时，系统不仅可以通过LED显示屏显示被监测人的体质信息，还可以将数据通过蓝牙发送到手机端。LCD显示屏上显示的信息包括：当前测得的心率（HR）、血氧（SpO2）、体温（HeartRate）。经测试，本文所设计系统  可以稳定、正常的工作。

参考文献

［1］张金榜，吴荣春，何骞，等.可穿戴的生理监测系统设计［J］.微型机与应用，2013（20）：29-31.

［2］管培培，丁宁炜，汤强，等.三维加速度counts估算不同步速能量消耗应用初探［J］.山东体育科技，2018（1）：72-75.

［3］叶宏，彦秉军，高晓飞，等.单片机温度自动控制系统［J］.黑龙江电子技术，2017（3）：25-28.

［4］刘会忠，程煜.Flash存储管理在嵌入式系统中的实现［J］.计算机工程，2010（8）：88-90.

［5］李冰冰，俞帅东，杨象校，等.基于可穿戴的运动强度监测系统［J］.计算机系统应用，2015（5）：32-39.

［6］龙晓庆，陈忠平.基于51单片机的小型分配性冷库温控系统［J］.中国科技信息，2019（8）：89-92.

［7］钱钧，惠王伟，高莹，等.RC滤波电路实验设计与研究［J］.大学物理实验，2017（5）：116-119.

［8］仝兆景，时俊岭，李月，等.基于无线通讯技术脉搏检测仪的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2017（1）：13-16.

（编辑  姚  鑫）

Design and implementation of a human physical fitness monitoring system based on STM32

Yang  Kai1， Wang  Runxiu2， Ni  Xiaoyu2， Ji  Gaoqing2*

（1.Jiangxi Vocational College of Finance and Economics， Jiujiang 332000， China;

2.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：  Due to the acceleration of peoples pace of life and the increase in life pressure， the physical health of the human body is increasingly valued. In order to make people pay more intuitive attention to their physical health， the article designs a human physique monitoring system based on the STM32 microcontroller. The system uses the STM32 microcontroller as the main control module， and monitors human physical parameters such as heart rate， blood oxygen， and body temperature through the blood oxygen sensor module， pulse heart rate measurement module， and body temperature measurement module. The wireless transmission function is achieved through the Bluetooth module， and the measured data is transmitted to the mobile phone. With this system， users can view their physical fitness data on the LCD screen and also learn about their physical fitness parameters on the mobile App. After experimental testing， the system runs smoothly and operates normally， meeting the design requirements.

Key words： human constitution; STM32; sensing module; blood oxygen