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#第三届立创大赛#微型体测仪

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简介：本项目意在设计一种基于云平台的身体参数测试系统，利用脉搏传感器、红外传感器、微弱信号检测电路等实现人体参数的采集，数据通过无线网方式上传云端存储，并提供网页端交互界面，为用户构建一种人体参数管理平台。

开源协议

：

BSD

创建时间：2019-05-29 03:09:20更新时间：2021-09-09 13:09:56

描述

1. 参赛者姓名：Mark

2. 参赛作品的名字：微型体测仪

3. 拟用到的立创商城在售物料：ESP8266、STM32、PL2303、LCD12864、LM1117等

4. 拟用到的非立创商城物料或其它补充：电阻电容等小元件

5. 拟用到的EDA工具软件名称（必填项）：立创EDA / EasyEDA

6. 原文链接：http://club.szlcsc.com/article/details_16043_1.html

7. 原工程链接：https://oshwhub.com/markone/hehe

一、作品简介

随着生活质量的提高和生活节奏的加快，人们愈加需要关注自己的健康状况，本项目意在设计一种基于云平台+APP+设备端的身体参数测试系统，利用脉搏传感器、红外传感器、微弱信号检测电路等实现人体参数的采集，数据通过无线网或其他方式上传云端存储，并提供网页端交互界面，为用户构建一种人体参数管理平台。

二、系统构架图

系统的硬件部分由MCU、心率传感器、温度传感器、电源、蓝牙模块、WiFi模块构成。软件部分包括基于C语言的stm32程序设计、上位机软件设计、服务器端网页及后台程序设计、APP软件设计。硬件架构和软件架构分别如下图所示。

系统工作时，通过心率传感器和温度传感器分别采集心率和体温的原始AD信号，通过相应算法计算得出心率与温度值，通过WiFi上传到云服务器端。云服务器端对传输的数据进行处理、存储、分析，同时也通过对数据的分析进行预警和提示，用户只需登录到相应网页或手机APP即可查看自己或家人的实时与历史数据，另外本系统也提供了定位功能，用户可在地图上查看测量终端所在的位置。

三、硬件部分的描述

设计软件：立创EDA

设计链接：https://lceda.cn/markone/hehe
原理图：

PCB：

1．MCU系统电路

本系统采用STM32103C8T6，其作为主控芯片一方面对传感器数据进行采集，另一方面将数据通过算法进行处理，并转发到云服务器，因此在电路设计时将两个ADC接口接入传感器。对于STM32系统，其必要组成部分还包括了启动模式选择电路、晶振复位电路等，在设计时还我另外加入了指示灯与按键作为备用。STM32系统电路如图4所示。STM32的供电电压以及心率、温度传感器的电压都是3.3V，因此如果采用5V电压供电则还需要进行电压转换，本系统采用了LDO稳压器LM1117将5V转为3.3V。对于电源和开关的部分，系统采用MICO USB接口进行供电和下载程序，该部分电路如图所示。

2.USB转串口电路

利用USB作为系统程序下载接口，需要对其电平进行转换才能与STM32的串口进行通信，本系统采用了CP2102作为转换芯片，CP2102集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件。CP2102与其他USB-UART转接电路的工作原理类似，通过驱动程序将PC的USB口虚拟成COM口以达到扩展的目的。该部分的电路设计图如图所示。

3.WiFi模块

WiFi模块采用了ESP8266模块，当使用该模块时需要设计其外部电路，包括电源电路、复位电路、模式选择电路等部分，设计完成的电路图如图所示。

四、材料清单（BOM列表）：

五、软件部分的描述

1．主芯片程序设计

STM32的程序设计基于RT-Thread行开发。系统初始化之外，在主程序中，完成如下功能：

1）通过内部AD接口对传感器的AD数据进行采集；

2）将数据通过算法进行处理；

3）将处理好的数据打包提供WiFi模块发送给服务器；

4）喂狗。按照以上4点功能进行设计，程序工作流程图如图所示。

2.心率采集算法

心率采集算法的目标是找到瞬间心跳的连续时刻，并测量两者之间的时间间隔（IBI）。通过遵循PPG波形的可预测的形状和模式，我们能够做到这一点。当心脏将血液泵入人体时，每次搏动都会有一个脉冲波（有点像冲击波）沿着所有的动脉传到脉搏传感器附着的毛细血管组织的末端。实际的血液循环比脉搏波传播慢得多。从下图所示的PPG上的T点开始跟踪事件。当脉搏波在传感器下方通过时，信号值迅速上升，然后信号回落到正常点。有时候，双向切口（向下尖峰）比其他更明显，但通常信号在下一个脉冲波冲洗之前稳定到背景噪声。由于波浪是重复的和可预测的，可以选择几乎任何可识别的特征作为参考点，比如峰值，并通过在每个峰值之间的时间计算心率。然而，这可能会从二分的切口中错误地读取，并且对基线噪声可能也是不准确的。理想情况下，想要找到心脏跳动的瞬间时刻需要准确的BPM计算，心率变异性（HRV）研究和脉搏传递时间（PTT）测量。

通过使用定时器中断，我们的节拍查找算法在后台运行，并自动更新变量值。整体的算法流程图如图所示

3.服务器软件与网页设计

服务器端采用阿里云提供的云服务器，其数据传输协议是MQTT协议，测量采集端作为MQTT的设备端，云服务器作为MQTT的服务端，接收的数据存入SQL并通过网页展示，MQTT协议数据传输流程如图所示。

设计完成的主数据界面如下图

4.APP软件设计

移动终端APP第一次打开后进行手动配网，当搜索到指定的WIFI信号时进行连接，随后对TCP端口进行监听，对接受的数据包进行解析，随后将数据显示在屏幕上。设计完成的APP如下图。

5.上位机软件设计

上位机软件基于JAVA进行设计，通过端口接收测量终端传输的数据包，并进行解析，通过图形形象地展示出心率的实时状态，其工作界面如图所示。

6.RT-Thread移植简介

本部分简单介绍了本系统中使用OLED和WIFI模块所涉及的SPI和串口通信在RTT中的使用过程，对函数的调用过程、关键函数的使用、设备驱动的调用分别进行了一些介绍。

6.1 OLED

OLED与芯片的通过SPI协议通信，设备驱动使用流程大致如下：

（1）定义设备对象，调用 rt_spi_bus_attach_device() 挂载设备到SPI总线

此函数用于挂载一个SPI设备到指定的SPI总线，向内核注册SPI设备，并将user_data保存到SPI设备device里。

参数	描述
device	SPI设备句柄
name	SPI设备名称
bus_name	SPI总线名称
user_data	用户数据指针

a. 首先需要定义好SPI设备对象device

b. SPI总线命名原则为spix， SPI设备命名原则为spixy，本项目的spi10 表示挂载在在 spi1设备。

c. SPI总线名称可以在msh shell输入list_device 命令查看，确定SPI设备要挂载的SPI总线。

d. user_data一般为SPI设备的CS引脚指针，进行数据传输时SPI控制器会操作此引脚进行片选。

本项目的底层驱动 drv_ssd1306.c 中 rt_hw_ssd1306_config() 挂载ssd1306设备到SPI总线源码如下：

static int rt_hw_ssd1306_config(void)

{

rt_err_t res;

/* oled use PC8 as CS */

spi_cs.pin = CS_PIN;

rt_pin_mode(spi_cs.pin, PIN_MODE_OUTPUT); /* 设置片选管脚模式为输出 */

res=rt_spi_bus_attach_device(&spi_dev_ssd1306,SPI_SSD1306_DEVICE_NAME, SPI_BUS_NAME,(void*)&spi_cs);

if (res != RT_EOK)

{

OLED_TRACE("rt_spi_bus_attach_device!\r\n");

return res;

}

（2）调用 rt_spi_configure() 配置SPI总线模式。

挂载SPI设备到SPI总线后，为满足不同设备的时钟、数据宽度等要求，通常需要配置SPI模式、频率参数SPI从设备的模式决定主设备的模式，所以SPI主设备的模式必须和从设备一样两者才能正常通讯。

rt_err_t rt_spi_configure(struct rt_spi_device *device, struct rt_spi_configuration *cfg)

参数	描述
device	SPI设备句柄
cfg	SPI传输配置参数指针

此函数会保存cfg指向的模式参数到device里，当device调用数据传输函数时都会使用此配置信息。

挂载SPI设备到SPI总线后必须使用此函数配置SPI设备的传输参数。

本项目底层驱动 drv_ssd1306.c 中 rt_hw_ssd1306_config() 配置SPI传输参数源码如下：

static int rt_hw_ssd1306_config(void)

{

/* config spi */

{

struct rt_spi_configuration cfg;

cfg.data_width = 8;

cfg.mode = RT_SPI_MASTER | RT_SPI_MODE_0 | RT_SPI_MSB;

cfg.max_hz = 20 * 1000 *1000; /* 20M,SPI max 42MHz,ssd1306 4-wire spi */

rt_spi_configure(&spi_dev_ssd1306, &cfg);

}
}

（3）使用 rt_spi_transfer() 等相关数据传输接口传输数据。

SPI设备挂载到SPI总线并配置好相关SPI传输参数后就可以调用RT-Thread提供的一系列SPI设备驱动数据传输函数。

此函数可以传输一连串消息，用户可以很灵活的设置message结构体各参数的数值，从而可以很方便的控制数据传输方式。

（4）通过设备驱动的调用在OLED上显示图像和文字，首先需要确定信息在OLED上的行列起始地址，调用ssd1306_write_cmd() 向SSD1306发送指令，调用 ssd1306_write_data() 向SSD1306发送数据，源代码如下：

void set_column_address(rt_uint8_t start_address, rt_uint8_t end_address)
{
ssd1306_write_cmd(0x15); // Set Column Address

ssd1306_write_data(start_address); // Default => 0x00 (Start Address)

ssd1306_write_data(end_address); // Default => 0x7F (End Address)

}

void set_row_address(rt_uint8_t start_address, rt_uint8_t end_address)

{
ssd1306_write_cmd(0x75); // Set Row Address

ssd1306_write_data(start_address); // Default => 0x00 (Start Address)

ssd1306_write_data(end_address); // Default => 0x7F (End Address)

}

6.2串口

串口用来与WIFI 模块ESP8266进行通信，在串口的使用过程中，主要使用了以下几个函数进行初始化：

static void RCC_Configuration(void);
static void GPIO_Configuration(void);
static void NVIC_Configuration(struct stm32_uart *uart);
void rt_hw_usart_init();

（1）在void rt_hw_usart_init();中对波特率、串口号、字长等进行设置。

实际的路径调用过程如下。

 startup.c main()
 ---> startup.c rtthread_startup()
 ---> board.c   rt_hw_board_init()
 ---> usart.c   rt_hw_usart_init()

（2）为了设备纳入到RTT的IO设备层中，需要为这个设备创建一个名为rt_device的数据结构。该数据结构在rtdef.h中定义。需要一些函数来操作逻辑设备，这些函数在rt-thread/src/device.c文件中提供，它们是：

rt_err_t rt_device_register(rt_device_t dev, const char *name, rt_uint16_t flags)

将rt_device数据结构加入到RTT的设备层中，这个过程称为“注册”。RTT的设备管理层会为这个数据结构创建唯一的device_id。

rt_err_t rt_device_unregister(rt_device_t dev)

与注册相反，自然是注销了，将某个设备从RTT的设备驱动层中移除。

rt_device_t rt_device_find(const char *name)

根据设备的字符串名查找某个设备。

rt_err_t rt_device_init(rt_device_t dev)

通过调用rt_device数据结构中的init函数来初始设备。

rt_err_t rt_device_init_all(void)

初始化RTT设备管理层中的所有已注册的设备

rt_err_t rt_device_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflag)

通过调用rt_device数据结构中的open函数来打开设备。

rt_err_t rt_device_close(rt_device_t dev)

通过调用rt_device数据结构中的close函数来关闭设备。

rt_size_t rt_device_read(rt_device_t dev, rt_off_t pos, void *buffer, rt_size_t size)

通过调用rt_device数据结构中的read函数来从设备上读取数据。

rt_size_t rt_device_write(rt_device_t dev, rt_off_t pos, const void *buffer, rt_size_t size)

通过调用rt_device数据结构中的write函数来向设备写入数据（比如设备是flash，SD卡等，nand or nor flash等等）。

（3）open，read等函数的编写过程如下。

Ⅰ..init函数完成对设备数据结构的初始化工作。 RTT的设备驱动存在大量的预定义宏，它们在rtdef.h中定义。

Ⅱ.open

因为在usart.c中已经初始usart设备，然后init中通过USART_Cmd语句后，串口就会开始工作。因此open函数设置为空即可

close同colse，之间置空即可

Ⅲ.read

static rt_size_t rt_serial_read (rt_device_t dev, rt_off_t pos, void* buffer, rt_size_t size)

pos表示读写的位置，buffer是用于存储读取到数据的缓冲区。size为字节数目。对于USART这种串行的流设备来说，pos没有意义，因此这里的pos没有意义。 rt_device数据结构dev的的 user_data域存放了(struct stm32_serial_device*)型指针。

Ⅳ.write

向串口写入数据，即发送数据。

      /* polling mode */
              if (dev->flag & RT_DEVICE_FLAG_STREAM)
              {
                     /* stream mode */
                     while (size)
                     {
                            if (*ptr == '\n')
                            {
                                   while (!(uart->uart_device->SR & USART_FLAG_TXE));
                                   uart->uart_device->DR = '\r';
              /* interrupt mode Tx, does not support */
              RT_ASSERT(0);
                            }   while (!(uart->uart_device->SR & USART_FLAG_TXE));
                            uart->uart_device->DR = (*ptr & 0x1FF);   ++ptr; --size;
                     }
              }
              else
              {
                     /* write data directly */
                     while (size)
                     {
                            while (!(uart->uart_device->SR & USART_FLAG_TXE));
                            uart->uart_device->DR = (*ptr & 0x1FF);   ++ptr; --size;
                     }
              }

V.注册USART的rt_device结构

rt_err_t rt_hw_serial_register(rt_device_t device, const char* name, rt_uint32_t flag, struct stm32_serial_device *serial)
{
       RT_ASSERT(device != RT_NULL);   if ((flag & RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX) ||
              (flag & RT_DEVICE_FLAG_INT_TX))
       {
              RT_ASSERT(0);
       }   device->type              = RT_Device_Class_Char;
       device->rx_indicate = RT_NULL;
       device->tx_complete = RT_NULL;
       device->init               = rt_serial_init;
       device->open             = rt_serial_open;
       device->close             = rt_serial_close;
       device->read             = rt_serial_read;
       device->write            = rt_serial_write;
       device->control = rt_serial_control;
       device->user_data      = serial;   /* register a character device */
       return rt_device_register(device, name, RT_DEVICE_FLAG_RDWR | flag);
}

六、作品演示

腾讯视频：http://url.cn/5LXX7JF

七、总结

本作品的设计实现了人体体征参数的实时测量、远程查看、云端存储、分析提示等功能，适用于各种场景，可作为家庭医疗助手、个人医护设备等；相比于传统设备成本低廉、易于携带，云端数据存储的功能既方便又快捷，可以进行长期数据监测，并进行健康数据分析。同时系统的兼容性十分强，对于其他智能设备，均可快速接入云服务；对于测量终端，可增加其他体征测量设备作为辅助参考依据。同时系统具有很多改进和升级的空间，如可以增加锂电池及其充放电电路实现自带供电系统，相信在今后的使用中会发现更多的不足，我将继续完善！