基于物联网的穿戴式运动健康监护系统

作者：熊金婷 李猛 张鑫梅 高鹏鹏 巫俊材

来源：《电子技术与软件工程》2018年第04期

        摘 要针对传统的健康监护设备体积大、不易携带等不足，以及智能手环、智能手表传输距离短、不易监测等问题，本文提出一种基于物联网的穿戴式运动健康监护系统，用于监护使用者在进行体育运动时的人体体温、心率、脉搏等生命指征参数信息，通过物联网技术、ZigBee无线传感器、蓝牙等通信技术将数据传输到个人终端上进行实时监测、存储与分析。

        【关键词】物联网 穿戴式 监护系统 ARM处理器

        1 引言

        随着社会的不断发展，科技的日益进步，近年来，居民的生活质量不断提高，居民个人保健意识增强，追求健康体质的目标也日益增长。最近几年，伴随着全球性移动通信网络科技的不断进步，移动智能终端的普及性与覆盖率得到了极大发展，大量的移动应用和服务以此为载体应运而生，这些触手可及的应用服务正逐渐改变人们的日常生活。

        智能健康这一概念的提出，使用户可以通过移动通信技术，借助身边的移动智能终端使用移动应用，就可以随时随地地查看自己的健康状态。随着信息技术和传感器技术的不断发展，使用数字化手段进行人体运动相关数据的采集、存储和分析是人类追求运动信息化发展的必然趋势，加快了人体运动健康监测工作科学化、现代化的步伐。

        本文以物联网技术为基础，设计了一种基于物联网的穿戴式运动健康监护系统，用于实现个人运动锻炼或者群体运动时的生理健康监护，系统原理框图如图1所示。

        系统主要由穿戴式健康数据采集终端、移动智能终端和云平台组成，通过传感器采集人体的生理健康参数并进行数据预处理，再通过ZigBee无线传输网络或蓝牙将数据传输到移动智能终端，移动智能终端利用Wi-Fi网络将生理参数传送到云平台，在云平台进行数据的云中存储和分析，从而对人体各种生理指标进行实时、远程监测，实现数据检测、无线数据传输、历史数据保存、数据趋势呈现、智能风险预警等功能。

        2 系统硬件设计

        本系统的硬件设计包括穿戴式数据采集终端和移动智能终端两部分，其系统硬件总体设计如图2所示。

        2.1 穿戴式健康数据采集终端的设计

        穿戴式健康数据采集终端采集用户的个人生理健康指标，主要采集用户进行运动时的心率指标以及运动量情况；采用ARM处理器作为终端控制器，配置心率传感器SON7015以及计步加速度传感器MMA9555LR1采集生理健康参数，通过蓝牙或者ZigBee无线通信模块将采集到的数据传输给移动智能终端进行数据的汇总处理。

        2.2 移动智能终端的设计

        移动智能终端主要用于将采集终端采集到的用户健康参数进行汇总处理，然后通过移动网、Wi-Fi等通信方式将数据上传给云服务器进行数据的分析处理；根据系统模式的不同，移动智能终端采取不同的硬件方案，分别满足个人用户与群体用户的需求。

        2.1 控制模块

        本终端的核心模块采用嵌入式ARM处理器STM32F103C8T6，其内核为32 位ARM处理器的CortexTM-M3 CPU，其最高工作频率为72MHz，具有从128K字节的闪存程序存储器，还拥有高达20K字节的SRAM存储器；该处理器支持2.0-3.6V供电，具有4～16MHz晶振，内嵌8MHz的RC振荡器和带校准的40kHz的RC振荡器。

        2.2 心率检测模块

        心率检测模块选用低功耗心率传感器SON7015，其工作电流只有0.2毫安，比同类传感器功耗节省10倍到50倍，能有效实现心率实时监控功能。采用光电式容积描记（PPG）的方式获取人的心率信息并进行输出，具有双绿光LED，以发送电磁波（光波），波长为550nm，电磁波（光波）接收端涂有550nm波长的纳米涂层进行滤波，其电路原理图如图3所示。

        2.3 计步加速度传感器

        计步加速度传感器采用三轴加速度传感器MPU6050模块，其内部整合了三轴陀螺仪以及三轴加速度计，供电电压为3-5V，具有低压差稳压功能，通讯方式为标准I2C通信协议，MPU-6050分别使用三个16位的ADC，用于陀螺仪和加速度计的数据分析，将模拟量转为数字量，并进行输出。

        2.4 ZigBee无线通信模块

        ZigBee无线通信模块采用DRF1605型ZigBee无线传输模块。DRF1605型ZigBee无线传输模块可以通过UART串口与USART HMI串口触摸屏相连接，从而实现传输数据信号的功能。DRF1605型ZigBee无线传输模块传输信号距离可达到1600米。ZigBee网络主要有主节点和从节点这两种类型的节点，每个节点都可以收发数据，由于此网络的最大特点是自动路由，因此若是由于信号传输距离过远而不能输送到信号只需要在中间再增加一个模块即可提供路由，而且如果某一个路由路径被破坏，网络能够自动寻找新的路径从而实现通讯。

        3 系统软件设计

        系统软件设计按照功能可划分成信息采集模块、无线数据传输模块、显示模块和报警电路模块四个分模块，将各个模块分别进行流程图设计，其主程序流程图如图4所示。

        4 结束语

        本文提出一种基于物联网的穿戴式运动健康监护系统，综合运用物联网、嵌入式、传感器等技术，用于监护运动员训练、学生体育运动、马拉松比赛等过程中的人体运动健康状态，通过穿戴式健康数据采集终端实时采集人员在运动过程中的心率、体温、血氧等生命体征参数信息，采用物联网通信网络技术将数据传输到监控终端平台，经过对数据的处理、分析，对异常数据及时发出报警，实现对移动人员在运动过程中的健康状态监测。

        基于物联网的穿戴式运动健康监护系统的设计开发对健康生活极其关键，它不仅仅是一个监护的智能设备，更是一个促进运动，享受健康生活的必需品。

        参考文献

        [1]苏生辉等.基于ARM平台和ZigBee技术的远程医疗监护系统[J].工业控制计算机，2010，23（04）：30-31，33.

        [2]郭世富等，基于ZigBee无线传感器网络的脉搏信号测试系统[J].计算机应用研究，2007：258-260.

        [3]石道生等.基于Zigbee技术的远程医疗监护系统设计与实现[J].武汉理工大学学报，2008，30（03）：394-397.

        [4]明轩，徐玉炎，张瑞等.基于ZigBee的穿戴式医疗监护系统节点的设计与实现[J].电子设计工程，2014，22（11）：80-84.

        [5]李勇正，高飞，吴效明.基于ZigBee的穿戴式多生理参数WPAN[J].微计算机信息，2008，24（8-2）：10-12.

        作者单位

        天津职业技术师范大学 天津市 300222