一种嵌入式智能健康运动监测仪的设计

摘 要 提出了一种基于嵌入式智能健康运动监测仪的设计方案。这款监测仪基于健康数字心率传感器、红外传感器、GPS模块、低耗CPU、液晶显示屏和其他外围电路组成。CPU通过I2C总线分别读取APDS_9008接收到的脉搏信号、MLX90615采集的红外辐射信号和GPS模块获得时间、速度、海拔、经纬度数据，将其转换为对应的人体脉搏值、温度值和人所在的位置、时间、速度、海拔并显示在液晶屏上，实验表明，智能健康监测分析仪准确实现了各种数据的准确性、快速测量。

【关键词】脉搏率 红外体温计 GPS导航

目前市场上流行与健康相关的可穿戴式产品繁多，为用户有效提供科学的运动方式和健康诊断，特别是户外拓展，比如登山、滑雪、野外旅游探险等活动，需要对户外运动者的信息定位和状态监测，提供一个随身配带的“健康顾问”。为此，我们开发设计了一种基于嵌入式智能健康运动监测分析仪。

1 系统整体方案

为快捷有效的对户外运动者提供有效的健康状态分析，系统主要采用利用主控CPU STC12EL5624AD，通过I2C总线分别读取APDS_9008接收到的脉搏信号、MLX90615采集的红外辐射信号和GPS模块获得时间、速度、海拔、经纬度数据，将其转换为对应的人体脉搏值、温度值和人所在的位置、时间、速度、海拔并显示在液晶屏上，能够快速有效的实现对户外运动者的信息定位和状态监测等系统功能。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片选择

设计采用基于STC的8位微控制器STC12EL5624AD作为主控芯片。该控制器具有高速可靠、资源丰富、低功耗、宽温度范围等优点，广泛应用于电机控制、医疗保健 、手持设备等场合。STC12EL5624AD具有20K的片内Flash程序存储器、27个通用I/O引脚、8路10位AD转换器、4个通用定时器等外设资源和USART、I2C、SPI等通信接口，能够满足健康运动分析仪的设计要求，该设计中微控制器STC12EL5624AD主要完成判断按键输入、心率传感器、红外传感器、GPS模块信号的采集与处理、驱动液晶屏显示。硬件设计方框图如图1所示。

2.2 传感器部分

2.2.1 心率传感器

该心率传感器主要通过ADC单元来采样传感器输出的脉搏模拟信号，采样率为500Hz，AD精度一般选择10位精度。心率传感器程序的主要设计思路是脉冲传感器根据返回的光强，输出脉搏的电压波形曲线。同时计算相邻两个脉搏波的峰值点的时间差并滤波，得到两次心跳之间的时间（IBI数值），由此就可以算出BPM的数值。

2.2.2 红外传感器

设计中采用数字红外传感器MLX90615ESC-DAA，主要是由红外热电堆传感器、低噪声放大器、16位模数转换器和功能强大的DSP单元等组成，红外热电堆传感器将采集到的红外辐射转化为电信号，并经过低噪声放大器放大后送给模数转换器。模数转换器输出的数字信号经FIR/IIR低通滤波器调理后送入数字信号处理器，数字信号处理器对数字信号运算处理后输出测量结果并保存在MLX90615内部RAM中，可以通过SM-Bus或PWM方式供主控CPU单元读取。

MLX90615具有宽温度范围的高精度、高分辨率、发射率可调节SMBus兼容的数字接口等优点，而作为医用的MLX90615ESC-DAA在36～39℃的人体温度范围内的精确度达到了±0.1℃。MLX90615泛应用于高精度非接触温度测量、 家用温度控制、卫生保健、多重温度区域控制等领域。

2.3 OLED显示部分电路设计

该设计显示部分采用基于SH1106液晶芯片的通用1.3寸OLED字符型液晶屏，它是指显示的内容为8×16 ，即可以显示八行，每行16个字符和数字的液晶模块。液晶显示屏具有功耗低、体积小、内置字符发生器、易匹配处理器、抗震性好、具有较宽的视角、OLED的工作温度范围比较广等优点。该显示屏是5V 以下低电压直流驱动的，也可以用电池点亮，具有高亮度的特点，可达300 流明以上，能够满足基本的户外使用。其系统电路图如图2所示。

2.4 GPS导航模块

系统采用u-blox 6无铅芯片载体（LCC）模块是独立的高性能的GPS定位引擎。该模块是由射频和基带部分这两个功能部件组成。射频前端包括输入匹配元素，看到带通滤波器，u-blox 6 RF-IC（集成放大器），频率源；基带部分包含u-blox 6基带处理器，如RTC水晶和额外的元素可选的闪存的增强的可编程性和灵活性。

2.5 其他外围电路

其他外围电路部分主要包括按键模块、充电模块、电量检测模块等部分。按键主要产生中断信号。其他其他外围电路图如图3所示。

3 系统软件设計

软件设计采用模块化程序设计，主要包括：初始化模块、按键检测模块、心率模块、红外温度检测模块、液晶显示模块和GPS导航模块等，其程序流程如x下：初始化模块主要完成复位、通用I/O中断、定时器、I2C、时钟、AD转换器、液晶等初始化设置。按键检测模块主要是检测按键是否按下，判断是否是启动各个功能，从而触发外部中断并执行各个功能。其系统软件设计流程图如图4 所示。

4 测试总结

系统设计一种嵌入式的智能健康分析监测仪，能够使拥有者对自身的身体状况有一个详细清楚的认识，而不是凭借的模糊判断来了解自身的身体状况。利用健康数字心率传感器，可以准确地测量出使用者的心率。同时这款智能健康监测分析仪还可以获得时间、速度、海拔、经纬度等数据，将其转换为对应的人体脉搏值、温度值和人所在的位置、时间、速度、海拔并显示在液晶屏上。如果使用者的身体不适时，可以运用GPS的导航定位技术，在紧急状况时第一时间发出救援信号，所以这是一款能给用户的健康运动带来最大用处的电子设备。通过系统户外整体测试，该智能健康分析仪工作稳定、可靠，且操作简单、使用便捷，体积小，方便携带，适用性广，具有一定的应用推广价值。

参考文献

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[5]任哲.嵌入式实时操作系统原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2015.

[6]王朝华，陈德艳，黄国宏.基于Android 的智能家居系统的研究与实现[J].计算机技术与发展，2012（06）.

作者简介

孙红军（1980-），男，广东省江门市人。硕士学位。讲师。研究方向为嵌入式产品开发。

罗耀祖（1988-）男，湖南省郴州市人。硕士学位。助教。研究方向为计算机应用技术。

作者单位

江门职业技术学院 广东省江门市 529090endprint