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基于STM32的智能监控系统

谢京伟

大连大学创新与创业研究所

大连，中国

摘要：早期医疗，因衰老和慢性病患病率的加速得到了学术界的关注，普通家庭使用的可穿戴智能监控系统具有广阔的市场应用前景。使用stm32f405芯片和北斗导航的便携式系统，它可以收集实时的健康参数，并反馈用户的坐标。mt2511用于血压、心率和心电图采集。抗干扰芯片uc6225（基于北斗导航）作为坐标定位芯片，人体参数由传感器MPU6050读取。所有数据通过CC2540传输给手机。该系统是结合STM32与北斗卫星系统在定位和健康数据采集方面的实际应用。

关键词： uc6225 ；STM32；北斗；

一 引言

目前，中国有近2亿的独生子女家庭，这些家庭的长辈普遍超过60岁。统计数据显示，中国60岁以上的老年人口已达2亿以上，人口老龄化进程加快，年平均增长率超过3%。健康问题造成大量老年人的死亡，引起了公众的关注。为了生存和改善他们的生活，许多独生子女挣扎着离开父母，不再与父母生活在一起，导致大量的老人没有孩子照顾他们。随着人们年龄的增长，各种心血管疾病的发病率逐渐上升，而高血压、心脏病等疾病的发病率也在不断上升。如果及早发现和治疗这些疾病，可以有效地减少并发症和后遗症，改善老年人的身体状况和寿命。跌倒已经成为老年人的头号杀手，这使子女非常担心，想实时知道他们父母的身体状况。随着电子技术的发展，智能穿戴设备的市场需求量越来越大。

我们设计了一套以STM32为主控芯片的健康数据采集设备，同时监测了老年人的身体运动状态。当出现异常情况时，通过北斗定位系统发送位置坐标，并通过蓝牙设备自动连接智能手机，给孩子发送急救信息，大大提高了老年人的生命周期。目前，中国正在大力推进北斗导航和我国具有自主知识产权的定位系统中的应用。基于北斗定位的老年人健康监护系统耗电少，智能化、技术先进、实用、智能化、可穿戴，技术进步快，社会价值大。

二 系统结构

本系统的控制核心单片机是拥有Cortex M4核心的stm32f405rgt6芯片。mt2511心电图（EKG）采集信号、光电体积描记法（PPG）通过MTK的传感器模拟前端芯片mt2511同步信号。这两个信号通过滤波电路发送，主控MCU获得心率、血压、心电图信息，通过算法优化血压等数据；六轴加速度传感器MPU6050随时监控人体的运动，并将实时状态参数传输给主控MCU。单片机计算出人体运动并将其存储在嵌入式闪存，一旦状态异常，会释放报警，并命令北斗导航uc6225芯片得到地理坐标信息。这些信息将通过MCU进行处理，通过蓝牙发送到附近的智能手机，智能手机将自动将当前坐标位置的短信发送到预先设定好的手机上。蓝牙芯片还可以在空闲时间将单片机监控的所有生理数据传输到智能手机上，智能手机记录所有信息，以便进行适当的分析和处理。系统框图如图1所示。

三 系统的硬件设计

1. 信息处理模块

信息处理模块是整个系统的核心，系统采用意法半导体stm32f405rgt6 [ 1 ]作为主控制芯片。stm32f405rgt6基于ARM Cortex-M4内核的的32位处理器，与168mhz主频率和只有128mu;/ MHz的核心功耗。它支持单周期的DSP指令和浮点计算，片上集成192kb的SRA和1MB的RAM。stm32f405rgt6采用意法半导体技术加速器实现Flash零等待状态，并可以动态调整系统的功率消耗。stm32f405rgt6集成了多达十七个16位和32位定时器，12位的DACs，三个12位的逐次逼近模数转换器，和十六个采集通道。模数转换器可以同时进行两次采集。单采样率2.4M每秒，两交错采集速率是7.2M每秒；通信接口包括六个串行端口（USART），三SPI接口，一个SDIO接口，三个I2C总线接口、CAN总线和两个CAN总线。串口的速度是10mbit每秒或更多，和SPI总线速度是40mbit每秒或更多。单片机采用多AHB总线矩阵和多通道DMA控制器支持并行处理的程序和数据的传输，大大提高了数据传输速度；

1. 信息采集模块

模拟前端（AFE）芯片mt2511用于血压、信号采集心率和心电图信息采集模块，由联发科公司专为健身可穿戴设备使用。mt2511可以同时获得发送的心电图（EKG）和生物信号的光电容积描记（PPG）。芯片集成了锁相环，使心电图，PPG的数据实时同步，低功耗。电流小于0.5 mA时，PPG信号或心电图信号是分开收集，和电流小于1.2 mA时，两路信号同时采集。mt2511，随着联发科的心跳间隔技术的自主研发和片内4KB SRAM芯片的整合，优化了各种采集模块的系统整体功耗。mt2511支持SPI和I2C接口的互联。其系统结构如图2所示。

1. 蓝牙传输模块

用于蓝牙传输中的芯片cc2540f128是由德州仪器（TI）设计。cc2540f128是一种低功耗单片机，主要应用于蓝牙4.0便携式传感器网络产品解决方案。它是一个非常低功耗的真正的单片系统，芯片集成微控制器（工业标准增强8051微控制器），主机端和应用程序在一个组件上。cc2540f128包括优良的射频发射机和接收机，以及数字传感器和合适的外围设备，和片上集成128k可编程Flash，准确的射频信号强度指示和AES-128加密模块。cc2540f128允许以一个非常低的成本建立一个强大的主从节点。一个极低功耗睡眠模式和不同的操作模式之间的切换时间短，适用于需要超低功耗的系统。该系统待机功耗90uA～400u A.

1. 北斗定位模块

中国北斗卫星导航系统（BDS），即一个具有中国自主知识产权的全球卫星导航系统作为坐标定位系统。该模块的核心芯片是UNICORE通信的mockbird uc6225，对北斗星通公司，这是一个全球导航卫星系统（GNSS）基带射频的小型化的集成芯片。具有完全自主知识产权的卫星导航定位技术，uc6225芯片可以接收卫星信号的GPS L1和BDS B1频点。集成解决方案所需外围设备少，节省硬件成本，降低成本，体积小，效率高，适用于产品扩展应用成本。这有助于使之形成良好的用户体验。uc6225芯片支持GPS和北斗导航系统联合定位，以及系统的自主定位。该芯片具有灵活的配置，支持64通道信号定位。它具有独特的超高灵敏度的基带设计，定位精度（RMS）长达2.5m CEP，北斗B1跟踪灵敏度- 161d BM，它仍能在山谷和其他复杂的地理环境，保持良好的定位。uc6225集成电源管理芯片，支持单电源输入，集成了SPI接口的片上闪存，而无需外部存储器来存储定位数据。芯片的电源电压为1.8V，连续跟踪功耗大约90m W，以及单系统独立定位数据更新率为1Hz。简单的集成定位解决方案是移动监控，导航，跟踪和其他消费应用的理想选择。

坐标定位模块使用UNICORE通信模块um220-iii NB。该模块是Beidou和GPS双定位模块的综合应用。um220-iii NB采用抗干扰所以C芯片uc6225随着UNICORE通信自主知识产权，具有高集成度等特点，适用于GNSS规模应用等。该模块性价比高，抗干扰能力强，能在复杂环境下实现稳定、精确的定位。输出接口包括一个串行端口和一个PPS输出发送（1秒6条信息），数据格式协议NMEA 0183和单核、1Hz是数据更新率的默认值，这可以通过配置更改。目前的um220-iii Nb接口如图所示。该模块的冷启动定位时间为32s，和热启动定位时间为1s。um220-iii NB模块外围电路图如图3所示。

E.状态信息监视模块

Inven Sense的MPU6050模块作为状态信息监测模块。MPU6050是一个低成本的6轴传感器模块，包括三轴加速度和三轴角速度陀螺仪。它使用三个16位ADCs陀螺仪和加速度计分别测量模拟信号直接转换为数字信号，容易由单片机处理。为了准确测量被测物体的三维角度和三维加速度，可以对传感器的测量范围进行编程。陀螺仪的测量范围在每秒plusmn;250，plusmn;500，plusmn;1000和plusmn;2000度范围内，加速度计的测量范围是在plusmn;2g，plusmn;4g，plusmn;8g和plusmn;16g。芯片自带的数字运动处理器硬件加速引擎，可以直接输出姿态数据后计算。陀螺的工作电流为5m，陀螺仪和待机电流5uA；加速器工作电流350uA，和加速器的待机模式电流20uA. MPU6050芯片集成了1K FIFO来降低系统的功耗。在400kHz的I2C接口或1mhz SPI接口用于与外围设备的通信。接口电路如图4所示。

四 软件系统设计

本系统的软件设计主要是通过高效、准确的stm32f405rgt6读操作，读取立体角和MPU6050模块加速度和um220-iii NB模块的坐标数据，在cc2540f128芯片和智能手机之间控制互连和数据发送。重点是阅读心电图（EKG）生物信号和光电体积描记法（PPG）、软件滤波[ 9 ]，和算法优化得到的血压、心率、心电图等数据。

大量的理论和实验研究表明，血压和脉搏波传导时间（PWTT）之间有一个近似的线性关系。因此，在本文中，我们使用的心电图信号和PPG信号收集mt2511通过两个信号的融合发现点之间的时间差，得到脉搏波传导时间，并配合相应的脉搏和血压值。有心电图信号和PPG信号由两个独立的硬件模块，获得了许多产品，而这两个信号系统是通过一个芯片mt2511同时采集，大大减少了因错误的时间同步问题。

脉搏波传导时间与血压呈线性关系：

sigma;代表个人的血管特征值，T是脉搏波传导时间，D为正常血压下的血管直径，S传输距离，tau;个人血液密度，对血管壁的厚度和重力加速度的乘积，在没有压力的血管杨氏模量，和rho;血管跨壁压。

对一个人来说，当血压变化时，他的血管直径和血管壁厚度的变化是最小的，所以当上述方程得到时，第二项可以近似为常数，因此上述方程可以简化为：

该公式表明，血压的变化是对脉搏波传导时间的厚度和血管的直径变化不大的变化成正比，与血压和脉搏波传导时间PWTT可写成如下：

其中，alpha;和beta;是待定系数，且在短时间内每个个体的值是恒定的。alpha;值约为0.7～0.9，beta;值约为270～300，这是从大量的研究数据中获得的。为了确定待测个体的alpha;值和beta;值，系统采用袖带血压测量装置进行参数标定。它需要大约半分钟测量血压袖带测量装置，许多心电图和脉搏信号将被收集，所以10次测量的平均值作为计算脉搏波传导时间。利用系统自带的按钮将袖带测量装置测得的血压值输入系统，并将修正后的待定系数存储到芯片上的FLASH中，以实现对个人的一次测量校正。

该系统的两个信号由同一芯片采集，利用定时器可以精确测量时差，关键是通过软件算法准确地找到起始点和结束点。在一起的时间存储阵列的心电图信号和脉搏波信号，通过算法得到的心电图信号峰值的时间，时间与脉冲波达到20%的峰值后的峰值，然后两个时间值将一个点之间的差异就是PWTT。为了减少误差，平均取5次。

由stm32f405rgt6设计的采样频率是560hz。由于心电信号频率在0.05Hz及100Hz之间，数据收集时有噪声。一般滤波电路的设计主要是mt2511输出以消除噪声干扰。心电图信号的光电容积描记心电图和PPG信号和产生的时间分别存储在单片机的FLASH中。心电图信号的峰值和峰谷的PPG信号值由相应的软件滤波算法计算。利用差值阈值，提取对应于这些峰的时间，计算这些时间之间的差值，计算脉搏波渡越时间。为了减少这一时间的误差，去掉最大值和最小值，然后求出平均值。最后计算个体血压值。

坐标定位模块um220-iii NB工作之前需要初始化。初始化信息如下所示：

初始化和配置串口，命令是：$CFGPRT，1,057600,3,3

命令设置使用串口1，波特率为57600，数据格式的输入与单核的通信软件的接口协议，并输出NMEA协议。

设置卫星系统配置，命令是：$CFGSYS，h48

设置接收机使用的卫星频率。执行此命令后，接收器将重新设置，并且设置将在重置后生效。这个例子只打开北斗定位系统的频率点。

设置NMEA配置，命令是：$CFGNMEA，h30

这个命令将输出NMEA协议在基础标准3.0上延长的北斗相关声明。

命令集的GLL关闭输出。该命令的第一个参数是消息类，0表示GGA，GLL，GSA，GSV，RMC，VTG，ZDA和GST的消息，1意味着POS机，速度，时间和ACC的消息。第二个参数表示消息id，第三个参数表示最大输出频率，如果设置为0，则消息输出被关闭。

um220-iii Nb可以在数据初始化完成后接收。在单核协议中，输入和输出报表统称为信息。每个消息都是所有ASCII字符的字符串。消息的基本格式是：

$MSGNAME, data1, data2, data3, hellip;[*CC] \r \n

所有的消息以“$”开头，后面是消息名称，然后是不确定的参数或数据。为了提取我们需要的经纬度信息，我们必须正确地解析接收到的命令。在每一个NMEA指令信息“、”。例如，在$BD2GGA,062841.000, 3801.1152, N,11607.0859, E,1,4,2.677,36.243, M, 0, M, *70,的命令，我们需要的纬度是3801.1152，N指北纬度，经度是11607.0859，E表示东经。

人体的加速度信息在人体平均行走或日常生活中的变化是稳定的，当人们跌倒或处于其他意外情况时，加速度信息会发生急剧变化。加速度范围一般不超过plusmn;7 g，所以MPU6050选定范围为plusmn;8 g。跌落时，角度值也会有另外的加速度值，发生明显变化，所以我们也定义在短时间内突发状态在超过60度的角度值的变化。由于

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