无线运动传感器节点设计

韩佳芳

摘要：现代社会人们的竞争压力大，很多人身体处于亚健康状态，因此利用可穿戴设备监测自身健康状况成为康养领域的发展趋势。为了设计一种更加智能的检测设备，文章提出无线运动传感器节点设计，通过ADS1292 模拟前端芯片设计心电检测电路，使用DS18B20温度传感器检测人体体表温度，利用ADXL345三轴加速度传感器判断使用者的运动状态，并远程显示动态的人体心电图和人体体表温度等信息。测试表明：该装置功耗低，可穿戴在人体上实现各项监测功能，例如能够实时监护动态心电信号、采集体表温度、测量运动步数和运动距离；使用串口显示屏实现无线传输和指标显示，具有较强的抗干扰能力。

关键词：无线运动传感器；ADS1292芯片；ADXL345传感器

中图分类号：TP3  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0021-03

0 引言

可穿戴设备是近年新兴的智能产品。智能可穿戴产品多与手机客户端结合使用，最常见的有智能手环、智能手表和智能眼镜等。可穿戴设备在技术、用户、产业的推动下快速发展，吸引了越来越多的大众群体［1］。智能手环的设计中运动信息主要通过加速度传感器采集，而目前的加速度传感器所采集到的X轴、Y轴、Z轴数据，其时序特点和目前市面上处理语音识别的信号具有相同的方式，或者说是由语音识别处理的信号发展而来的［2］。SAUNDERS［3］在1953年第一次用加速度传感器辨识人体的运动动作，但技术成熟度不高，加速度传感器无法集成传感器芯片，體积庞大且价格较高，因此没有得到推广使用。三轴加速度传感器集成一个芯片后，采集了大量的人体活动作为研究样本，通过数据计算出身体消耗的卡路里和步数等信息［4］。

智能手环的不断发展促进了低成本、低功耗、多功能无线传感器的发展［5］。这些无线传感器体积越来越小，并且具有感知人体信息、处理数据和短距离通信的能力。基于以往的研究基础，在心电传感器、体表温度传感器和三轴传感器技术成熟的情况下，本文提出了无线运动传感器节点设计。该设计通过STM32单片机对传感器进行组合，监测人体的身体状态，通过无线网络上传运动后的距离和步数，记录运动时人体的心电图、心率变化和体表温度，并且能够穿戴在人体上实现各项指标监测功能。

1 无线运动传感器节点设计方案及配置选择

1.1 设计方案

本设计采用的方案如下：使用STM32单片机为控制核心，通过控制ADS1292心电模块采集使用者的心电数据，通过串口向串口屏发送心电数据并计算心率；使用HMI串口屏上位机软件显示GUI界面，加入控件，通过控制DS18B20温度传感器采集使用者的体表温度；通过ADXL345加速度传感器采集使用者的三轴数据，计算使用者的步数和运动距离；把采集到的数据分别发送到HMI串口屏的控件上，再通过串口将这些数据通过ESP8266WIFI模块发送到PC端；使用QT开发软件设计PC端的GUI界面，通过接收到的数据，在PC端界面显示出使用者的心电图波形、心率、体表温度、三轴数据、步数和运动距离。

1.2 单片机的选择

（1）使用AT89C51单片机作为本设计的控制核心。

（2）使用STM32F103作为本次无线运动传感器的CPU方案。

（3）使用QT开发GUI程序，设计一个能够显示心电波形、心率、运动距离和步距界面的控制台或服务器。QT可以通过C++开发，设计Windows系统和Linux系统的图形界面，通过ESP8266WIFI模块连接PC端的热点，建立通信，上传数据，在GUI界面上显示心电波形、心率、运动距离和步距等数据。

1.3 通信模块的选择

通信模块选择使用ESP8266WIFI无线通信模块，该模块具有功耗低、上传数据快、价格低、开发容易上手等特点，只需使用串口发送AT指令即可支持多设备互相通信。

综合以上选择，使用STM32F103芯片与QT编译后的GUI界面相结合的方式，利用ESP8266WIFI模块作为通信桥梁，实现无线运动传感器节点。

2 无线运动传感器节点电路设计

硬件电路设计方案采取每个功能子模块分开设计，再将这些子模块组合在一起的方式，形成的整体硬件电路设计图如图3所示。

2.1 单片机控制模块电路

STM32F1单片机是控制核心最基本的实验电路，共有3个串口、2个I2C接口、2个SPI接口和7个定时器。使用的引脚有80个快速IO口，可用于设计复杂的电路系统。

2.2 STM32F1核心板的时钟电路和复位电路

要正常运行单片机，就需要设计时钟和复位电路。本设计使用的是STM32F1的单片机，因为STM32F1的复位方式有多种，所以可以选择使用时钟和复位电路。

2.3 ADS1292心电模块电路

ADS1292心电模块由ADS1292R芯片设计，在模块内设计一个电平芯片兼容5V和3.3V的单片机，芯片内部有一个放大电路，增益采集的电压。ADS1292R芯片含有便于携带的心电图，与普通手环相比，只有心率值监测不同，可通过计算得出心率值功能。ADS1292模块使用SPI通信，模块电路中有5V转3.3V电路，加上电平转换芯片，兼容8位单片机和32位单片机。

2.4 ADXL345加速度传感器模块电路

ADXL345加速度传感器模块电路原理是基于ADXL345三轴加速度传感器的分析与计算。可使用I2C和SPI进行中断，中断模式灵活，可以映射到单片机中任何一个中断引脚，通过串行命令选择适合的测量范围，也可以通过串行命令选择合适的带宽；其适合温度为-40 ℃～+85 ℃，抗冲击能力高达10 G。

2.5 HMI串口屏和接口电路

HMI串口屏是一款采用上位机写指令方式、通过触摸控件显示的屏幕，其CPU处理器为STM32，用上位机写指令实现屏幕的显示、中断、定时和触摸。上位机指令编程软件的控件功能强大，只需选定控件，在控件的触发事件写上相对指令，就可以控制该控件。

2.6 电源模块电路

本设计通过电池供电，电源选择疾风锂离子聚合物电池，其电解质溶液是有机溶剂，锂离子聚合物电池具有能量高、体积小而轻薄及安全性高等优点。

2.7 WIFI模块电路

本设计使用的无线传输模为ESP8266WIFI模块，该模块使用串口与其对应的单片机进行通信，模块内含TCP协议，通过使用TCP协议可以进行网络数据发送和数据下载。数据传送是通过单片机的串口发送AT指令控制ESP8266模块的方式实现。

3 无线运动传感器节点软件设计

3.1 ADS1292心电模块程序设计

首先进行初始化处理，将与ADS1292连接的IO口设置为SPI模式，其次设置ADS1292芯片的DRDY引脚为上拉输入，并设置该引脚为中断输入功能和中断功能。驱动程序分为读取72位数据、噪声设置和正常信号采集3个子程序。系统上电后，设置内部噪声模块，读取噪声数据和测试信号，确定芯片正常工作后发出采样指令，读取正常心电信号。需要特别注意的是，在正常采样时要把内部1 mV的测试信号关闭。

3.2 ADXL345加速度传感器的驱动程序设计

ADXL345模块IIC测试程序：首先，初始化ADXL345模块，初始化的方式是将IIC接口通过IIC给器件写指令，读地址的指令是0XA7，写地址的指令是0XA6。其次，使用写寄存器的方式，给器件设定测量范围、采样速率、电源模式和X轴、Y轴、Z軸的偏移量。采用读取10次的X轴、Y轴、Z轴数据值分别取平均值的方式进行数据校准，取X轴、Y轴、Z轴的具体数据，读取6个字节，X轴数据是第一个字节与第二个字节相加；Y轴数据是第三个字节与第四个字节相加；Z轴数据是第五个字节与第六个字节相加。

3.3 无线传感节点与服务器连接

（1）设计DS18B20温度传感器驱动代码，使用单片机读取温度传感器时序，通过算法进行温度转换；使用ADS1292心电模块的驱动程序和ADXL345加速度传感器模块的驱动程序作为底层驱动程序，修改驱动程序的IO为STM32F1核心板上所对应的IO口程序。

（2）将以上测试好的各驱动程序加入RT-Thread操作系统，通过操作系统的任务调度，同时运行驱动程序；通过串口发送数据到HMI串口屏，使用HMI串口屏上位机给HMI串口屏添加控件，最后HMI串口屏显示测试到的数据。

（3）将ESP8266WIFI模块接入STM32F1核心板的串口2，通过向串口发送AT指令测试ESP8266WIFI模块的通信，测试方式是在笔记本电脑开一个热点，使用WSP8266WIFI模块接入笔记本热点发送AT指令。

（4）使用QT编程，设计一个在Windows系统上运行的界面，不间断地实时显示心电波形。

4 无线运动传感器节点设计的调试与验证

4.1 调试步骤

（1）调试ADS1292心电模块：选择使用心电模拟器、发生器信号模拟仪FK550，利用心电信号模拟仪输出正常心电波形信号，通过ADS1292心电模块采集并显示心电波形。

（2）调试温度模块：使用红外体温枪测试人体体表温度，与温度传感器进行对比、校准。

（3）调试ADXL345加速度传感器模块：通过在设定的5 m直线范围内来回走动进行调试，注意按正常走动摆臂的幅度进行三轴数据记录，通过记录设定参数值，用于计算运动步数和距离。

（4）调试上传PC端的数据：测试心电波形是否上传，实时查看界面心电波形和心率的变化，通过握紧或搓手改变手心温度，通过运动摆臂查看三轴的数据和运动信息。

4.2 验证结果

通过改变心电模拟器的旋钮，改变其心率值，则无线运动传感器节点采集到的心率值也会发生相应变化。在实际走路测试中，可通过ADXL345加速度传感器看到三轴数据、步数和步距的变化。上传的PC图形化界面与无线运动传感器节点上的HMI串口屏上显示的数据一样，误差极低。成功上传后的数据，通过做成电池供电的形式，可将节点做成手表形式绑在手臂上，在查看运动距离和步数的同时，也不会影响正常的走路摆臂。

5 结语

本无线运动传感器节点设计使用串口屏显示心电波形数据，通过预存的方式，让心电波形慢慢往后推移，实时显示心率、温度、步数和步距等。本设计通过QT设计出图形化界面，在方案上也可使用开源的蓝牙或其他安卓应用软件。本文设计的PC端图形化界面，成功上传了心电波形的数据，能显示完整的心电波形和其他实时上传数据。本设计存在一些不足，如果ESP8266无线模块与所接入的服务器距离过远（20 m左右），连接就会中断。改进办法是像传统设计运动手环一样通过网络将数据上传到云平台，在云平台对数据进行管理和分析，然后上传到手机或PC端的App界面。此外，对于一些计算的误差，比如温度误差，可以使用更精确的温度传感器降低误差，例如通过专业的医学测温传感器获取更精确的温度值。

6 参考文献

［1］速途研究院.2017年上半年可穿戴设备市场分析报告［J］.互联网天地，2017（8）：21-23.

［2］王洪斌，基于三轴加速度传感的人体行为识别研究［D］.无锡：江南大学，2014.

［3］SAUNDERS J B，INMAN V T，EBERHART H D.The major determinants in normal and pathological gai［J］.Journal of Bone & Joint Surgery-American Volume，1953，35（3）：543-558.

［4］BLAIR S N，BRODNEY S.Effects of physical inactivity and obesity on morbidity and mortality：current evidence and research issues［J］.Med Sci Sports Exerc，1999，31（11 Suppl）：646-62.

［5］GUO S S，CHUMLEA W C.Tracking of body mass index in children in relation to overweight inadulthood［J］.Am J Clin Nutr，1999，70：145-148.