基于Zigbee 的运动健康监测系统的设计

庞庆澳，董国庆，于溢文，赵燕峰，董泮元，倪秉轩，李猛

（天津职业技术师范大学，天津，300222）

0 引言

随着人们健康意识的提高，运动健康受到越来越多的人青睐，运动健康监测也到人们较广泛的关注。人们可以通过医院的各种精密的测试仪器来进行定期的健康状况的检测，但在日常生活中却难以随时使用特定的医疗检测设备。穿戴式能在不依赖于特定的医疗环境及复杂的医疗仪器下实现人体健康监测，有着重要的研究及应用价值。

本文设计的基于Zigbee 的运动健康监测系统采用终端交互及无线数据传输的方式，基于STM32 单片机和Zigbee通 信， 通 过DHT11、LM75B、MPU6050、JFC103、NFC和Zigbee 模块组网的实践以及各种通信技术的调试和配合来实现多参数、多用户终端的生命指征参数的采集、分析和传输，实现数据监测、数据保存、数据异常报警等功能。

1 系统总体设计

系统的设计主要包括穿戴式健康数据采集终端以及智能监测终端两大部分，分别用于体征的采集与传输汇总等功能；系统在使用时为对应不同用户可分为单人模式和群体模式，用于个体用户和群体用户；采集到的生理体征数据通过用户终端传输到平台中心进行数据的分析。系统原理方案框图如图1 所示。

图1 系统原理方案框图

上位机终端设计基于串口数据显示窗口，将多路Zigbee上报数据进行整合，显示在相应的窗口中，同时跟NFC 刷卡模块的配合实现学生的ID 绑定。

上位机的数据接收通过接收模组的TTL 模块接入电脑来实现，集成的NFC识别模块可识别学生的一卡通，通过上位机的编程可读取一卡通的ID，以此来对应实现录入的学生的姓名班级等信息。其中有Zigbee 的接收端，用于接收各路Zigbee 的数据上传。

穿戴式数据采集终端上电后，通过逻辑主控读取传感器工作的返回值完成系统自检，若自检不通过会进行语音报警提示；自检完成后，各传感器将采集的数据汇总后通过Zigbee 无线通信模块发送给上位机。

2 系统硬件设计

系统的硬件接线示意图如图2 所示。

图2 系统的硬件接线示意图

■2.1 控制器模块

基于Zigbee 的运动健康监测系统选用STM32F103 C8T6 单片机作为系统的控制核心，STM32F103C8T6 是一款微控制器单片，该处理器有较高的工作频率，功能强大的定时器外设以及丰富的I/O 外设接口、多种通信接口等，其性能满足了我们的需要，其实物图如图3 所示。

图3 主控开发板实物图

■2.2 传感器模块

传感器模块实现对穿戴者在运动过程中人体生理参数的采集确定人体血氧、体温、心率、血压以及运动步数。主要包括JFC103 心率血压模块、MPU6050 姿态传感器、LM75B 体温传感器、DHT11 环境温湿度传感器，不同类型的传感器通过相对应的数据传输协议与STM32 处理器进行连接，实现数据的整合、处理和发送。

2.2.1 JFC103 生理参数传感器

JFC103 是一款多光谱生理数据测量模块，实物如图4所示。采用观点容积脉搏波描记法，如图5 所示，可准确测量脉搏波形、心率数值、血氧和血管微循环参数等信息。模块结合特有的信号调理技术和算法，直接输出脉搏波形、心率数值、血氧值和血管微循环参数，大大降低了系统复杂程度，且模块灵敏度和信噪比在同类产品中得到大幅提升。在精准医用的同时，还具备超小体积和超低功耗的特性，提升了智能穿戴设备的续航时间和外观设计的灵活性。

图4 JFC103 传感器实物图

图5 光电容积脉搏波描记法

图6 MPU6050 实物图

2.2.2 MPU6050 姿态传感器

MPU-6000（6050）的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000 与±2000°/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g、±8g 与±16g。产品传输可透过最高至400kHz 的I2C。 单片机获得角速度和加速度后通过积分可获得角度和里程，再参考人体运动的具体特征值，进行数据融合后获得较为准确的步数与里程。

2.2.3 LM75B 温度传感器

LM75B 温度传感器包含一个模/数转换器和一个数字过热检测器。主机可通过器件的I2C 接口随时查询LM75B，读取文书数据。当温度超出可编程温度门限值，漏极开路过热报警输出（OS）将吸入电流。OS 输出具有2 中门限（T-OS）和滞回温度（T-HYAST），温度低于滞回门限时解除报警条件。此外3.0V~5.5V 供电电压范围、低电源电流以及稳定的I2C 接口是的LM74 成为该项目获取体温数据的理想选择。

2.2.4 DHT11 温湿度传感器

DHT11 温湿度传感器使用单总线与单片机通信，具有占用资源少，编程实现简单，有较高的可靠性和稳定性的特点，超小的体积和极低的功耗使系统集成变得简易快捷，成为该项目获取环境温湿度的理想选择。

■2.3 人机交互模组

加入人机交互设计，用户可对设备报警阈值进行设定（如体温、心率、血氧、步数），同时将设定值存储于备份寄存器中，保证二次开机后与原设定值一致。当传感器采集到不在阈值范围的异常值时可通过语音播报模块的播报来提示用户。该模组由OLED 显示屏、EC11 编码开关、MY1690-12P 语音播报模块组成。

2.3.1 OLED 显示屏

使用1.3 寸的SSD1306 为主控的OLED 显示屏作为数据查看、参数设置的显示平台。OLED 屏幕具备自发光、不需要光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应快、使用温度范围广的特性，符合本项目的使用要求。

2.3.2 EC11 旋转编码开关

使用EC11 作为人机交互的输入设备。EC11 编码开关可输出两组方波A、B 相，及按压时输出特定电平。通过主控判定输出脉冲数及两相顺序可识别编码开关的转向及变化值，从而对设定值及参数界面进行调整。可靠耐用，满足使用要求。

2.3.3 MY1690-12P 语音播报模块

使用MY1690-12P（如图7）作为人机交互系统的语音输出端，MY1690-12P 是一款小巧的微集成MP3 模块，采用MY1690-SOP16 MP3 主控芯片，支持MP3、WAV 格式双解码。模块最大支持32G TF 卡；也可外接U 盘或USB数据线连接电脑更换SD 卡音频文件。该模块内置3W 功放，可以直接驱动3W 的喇叭，使用更方便。

图7 MY1690 播报模块

■2.4 NFC 识别单元

为满足集体运动监测的要求，使用NFC 识别模块来进行身份信息的识别，即该功能可满足学生体育课使用学生卡录入信息的情况，通过上位机编程将识别的数据进行甄别后通过Zigbee 模组发送给PC 上位机，以实现监控对象的生理参数与身份信息相对应。演示如图8 所示。

图8 NFC 刷卡与绑定

3 系统软件设计

基于Zigbee 的运动健康监测系统的软件设计时在硬件系统的基础上通过软件程序的设计调试，实现运动健康系统的人体生理参数准确提取、多参数信号模式的稳定性。系统设计包括穿戴式终端信息采集系统、人机交互系统和上位机系统三部分内容。

■3.1 穿戴式终端信息采集系统软件设计

穿戴式终端信息采集系统负责终端设备的生理参数及其他运动参数的信息采集，采用C 语言进行程序编写，作为固件烧录于单片机中，该系统采用I2C 通信串口通信，在保证运行可靠性的同时，尽可能地减少空间的占用，并能够以高传输速率支持多个组件。

■3.2 人机交互系统软件设计

人机交互系统分为穿戴式终端信息采集系统交互以及上位机终端交互两种。

(1)穿戴式终端交互系统：设计嵌入到穿戴式终端信息采集系统中，经过对系统优先级的优化调试，充分利用了单片机外部中断功能，使得控制菜单动作响应迅速可靠，减少对信号采集的不良干涉。使得信息采集和交互能独立运行，提高其稳定性。

(2)上位机终端交互系统：当刷入学生一卡通后，学生的班级姓名等信息即可显示在相应窗口中，完成交互；当数据监测过程中存在异常数据，界面的指示灯会进行提示，后台会对异常数据进行存储。

■3.3 上位机系统软件设计

上位机系统主要包括穿戴终端界面、报警数据界面、成员ID 信息显示界面及后台异常数据记录界面等。考虑到组态软件在网络通信及实时性等方面的局限性，采用可视化集成开发工具QT5.11 进行开发。上位机平台组件如图9 示。

图9 上位机平台组件构成

系统开机使用时首先打开上位机的绑定任务栏。将TTL模块的通讯通道调到NFC 模式后刷入学生一卡通，将出现图10 所示，系统读取一卡通ID，自动将绑定所需的信息（班级、姓名等）显示至绑定窗口和任务检测窗口，如图11 所示。

图10 上位机与手环的绑定

图11 上位机平台监控界面

成员信息录入完成后，将接收端TTL 通讯线路切换到Zigbee 模式，将对成员的生理健康信息进行检测，异常数据报警，以及数据存储登录功能。

上位机平台监控界面如图11 示。

4 结束语

本文提出一种可用于学生体育课集群监测的运动健康监测系统，设计基于32 位单片机及Zigbee 组网，综合运用嵌入式相关的传感器数据采集、高效的结构化程序设计、NFC 识别、上位机前端开发等技术来实现多用户终端、多种指征参数的采集、逻辑处理和无线组网传输，以及数据平台监测、异常数据保存报警等功能。