无线运动传感器节点设计

罗乐 杜海军

（成都工业学院电子工程学院 四川省成都市 611730）

1 前言

随着物质生活的日渐丰富，人们对自身健康的关注度也越来越高。智能手环等健康监测仪器，能够记录人们日常生活中的锻炼、睡眠和膳食等情况，并将监测数据与手机、平板等同步，并通过数据监测身体健康状态，也可以运用这些数据指导健康生活。如何将实时采集的心电信号、体表温度、运动信息等，运用无线传送技术，建立传感器节点，在医疗保健方面具有非常良好的应用前景[1]。

2 系统总体方案设计

系统采用模块化设计,包括心电信号采集模块、体表温度采集模块、运动信息采集模块、中央处理器、显示电路等模块。中央处理器控制各信号的采集、传输、显示等，系统框图如图1 所示[2]。

3 系统硬件设计

3.1 心电检测电路设计

图1：系统框图

图2：心电检测电路

图3：温度测量电路

心电检测选用ADS1292 模块，ADS1292 是多通道、同步采样的24 位ADC 转换器,此转换器具有内置的可编程增益放大器、内部参考、和一个板载振荡器。心电检测电路如图2 所示[3]。

3.2 体表温度测量电路设计

选用LMT70 是作为温度传感器，因其输出量为模拟信号，通过控制器的AD 通道完成对温度的采样，电路如图3 所示[4]。

3.3 运动信息测量电路

如图4 所示，运动信息采集电路选用MPU6050 模块，此模块可以检测物体（如四轴、平衡小车） x、y、z 轴的倾角，从而得到物体姿态状况，通过姿态融合处理后，计算运动距离及步数等参数[5]。

3.4 无线传送电路

无线通信选用主从一体的蓝牙串口模块HC-05，具有双向（全双工）无线功能，方便CPU 将数据上传移动设备，达到实时显示目的，控制器与该模块的连接电路如图5 所示。

4 系统主函数

系统软件设计主要包括心率测量模块、体表温度测量模块、运动信息测量模块、以及微处理器模块、液晶显示模块、无线通信模块。系统主函数软件流程如图6 所示。

4.1 心率测量函数

通过心电信号模拟器得到模拟校准函数：

图4：运动信息测量电路

图5：HC-05 与CPU 连接图

表1：标准血压计与实做电路多次测量结果对比表

表2：标准温度计与实做电路多次测量结果对比表

表3：步数与距离测量结果对比表

设得到的动态图上下峰值点为max 和min，两值之间的差值为h，其上一点数据为a，为将数据压缩到能显示值在0-240 的LCD液晶显示器上，需要将数据进行压缩压缩大小为：

每一个波峰采集一个样点，则两波峰间的间隔为：b=x(n)-x(n-1)。将采集到的所有间隔长度相加，除以时间间隔长度L，即可得到心跳次数x，即：

将得到的x 值代入校准函数式（1）中就可以得到心率值y。程序流程图如图7 所示。

4.2 体表温度测量函数

在10℃之内时，LMT70 输出模拟电压VTAO与实际温度TM的一阶关系表达式最为准确；且温度与输出电压呈负相关。

当VTAO>945.5mv，TM<30℃时：TM=-0.193×VTAO+212.009；

当945.5mv>VTAO>892.0mv，30 ℃

图6：系统主函数流程图

图7：心率测量函数流程图

图8：体表温度测量函数流程图

图9：运动信息测量函数流程图

当VTAO<892.0mv，TM>40℃时：TM=-0.191× VTAO+210.215；

由于此公式是由LMT70 手册的标准模拟电压确定的，所以要对LMT70 实际输出的模拟电压进行校准，通过每0.1℃温度变化测出十组LMT70 实际输出的模拟电压，对其取平均值，绘制实际输出模拟电压值VX与标准模拟输出电压VY的关系，对曲线进行拟合，得到输出模拟电压的校准公式[6]：

VY=0.9938×VX+4.0629(t<30℃)

VY=1.0018×VX-3.5942(30℃

VY=0.9993×VX-1.4685(t>40℃)

程序流程图如图8 所示。

4.3 运动信息测量函数

通过力的合成将MPU 读取的x,y,z 三轴方向上的加速度进行合成，即由于在行走过程中每走一步a 的值将出现一次明显的变化，故将a的变化在一条时间轴上表示出来，并取一阈值a'，用以判断是否行走，当a 的值大于a'且大于a'的时间大于500ms 时，认为是行走了一步[7]。通过查阅资料和实验判断，在正常情况下，人每行走一步的距离大约是0.65m，故距离L=步数×0.65[8]。运动信息函数流程图如图9 所示。

5 系统测试

5.1 心电测量

首先用标准的电子血压计测量使用者的心率，然后用心电检测电路进行测量，以作对比。测量时通过对多人测量，同一测试者做多次测量的方式得到数据并进行分析[9]。多人次测量数据如表1 所示。

由表1 中可以看出，与标准血压计测得数据对比，最大误差小于3.4%，达到了本次设计要求。

5.2 体表温度测量（单位：℃）

用实做电路与标准温度计放置于同一测试点，通过进行多次或者对多人测量，测量数据如表2 所示。

从表2 中可以看出，最大误差为0.4°C，在35 ～38°C 范围内，正负误差不超过0.1°C，达到本次设计要求。

5.3 运动步数和运动距离测量（步数单位：步，距离单位：米）

测试者手持测试仪器，在五米长的直线上以不同的速度，不同的步长来回运动，从而判断测试仪器所测步数，测试者运动路程与实际运动步数，实际运动路程之间的误差。

由表3 可以看出，测量步数时，分别测量了5 步道50 步的范围，最大误差不超过6.6%；测量距离时，分别测量了5 米到50 米的范围，最大误差不超过5%，达到本次设计要求。

6 结语

本系统采用ADS1292 模块测量心率，采用LMT70 模块测量温度，采用MPU6050 模块测量运动步数及距离，实现对运动信息的实时检测与显示。利用蓝牙串口模块HC-05 实现移动端数据在线监测。系统结构简单，实时显示，系统精度及稳定性较好。