基于STM32的便携式多功能医用检测仪
刘甜歌 吴振磊 吴娟
摘要：现在的科技迅猛发展，迫使人们的生活节奏也随之加快，加之生活环境受污染，让人们也不得不走出自己所熟悉的舒适圈，促使人类的健康状态也在不断的下滑。现在，大部分的身体健康监测设备都体积笨重，且检测的精度不高，因此一款具备高精度、小体积、便携带的生理监护仪有着很大的社会价值和意义。本文所设计的便携式多功能医用检测仪是以高性能的STM32单片机为控制核心，具有血氧心率等检测功能，可实现对生理参数远程监控。该检测仪能对人体的生理参数中的体温、血氧、心率参数进行精准的测量，能设置各参数的触发值，且检测的参数能显示在液晶屏上，并通过WiFi ESP8266无线模块。同时，可将检测到的参数传输到移动端手机APP上，在下位机和手机APP上发出警报，提醒用户注意当前的身体状况。
关键词：STM32;体温检测;血氧心率检测;手机APP
中图分类号：TP216
1 引言
随着社会发展，我国国民生活消费水平日渐提升，身体健康问题已成当前国民主要问题。因此有一款具备高精度、小体积、便携带的多功能检测仪来检测身体生理参数指标，对了解人体身心健康有非常重要的作用。
使用者可以通过按键，或者通过手机WiFi 及APP对体温、血氧、心率等生理参数的控制值进行本地设置和远程无线设置。当检测到体温、血氧、心率中任意一项出现异常时，将利用蜂鸣器作为报警器件发出警报声，从而达到提醒的效果同时也会把报警信号发送到手机APP上。
2 系统的设计内容
血氧心率检测系统是一种基于单片机控制人体生理參数的远程检测系统，该系统是在传统的监护仪基础上进行改进的，对传统监护仪中存在的低自动化、低精度、不具备远程监控等缺点进行了完善。为实现对人体生理参数的测量，将利用温度传感器、血氧心率传感器对人体生理参数中的体温、血氧、心率进行实时的测量，检测的体温、心率、血氧信息将通过显示屏给予显示，同时也能通过无线通信技术，将检测的信息显示在移动端手机APP上。
人体生理参数检测系统的设计主要以嵌入式处理器STM32为控制器，控制和协调各模块间的运行，利用温度传感器DS18B20检测人体体温，利用血氧心率传感器MAX30102检测人体血氧参数和心理参数，通过OLED屏幕显示检测到的参数信息。利用无线通信WiFi模块ESP8266实现检测端与移动监控端手机之间信息的传输。当检测到体温、血氧或心率参数出现异常时，通过蜂鸣器和手机APP来发出异常报警，从而提醒使用者进行及时的预防和处理。根据控制要求，该小车主要由控制模块、通信模块、显示模块、电机模块、传感模块和软件APP等组成，其整体电路结构框图如图1所示。
3 系统模块设计
3.1 控制模块
STM32F103C8T6处理器的运行处理能力快，运行频率为72MHz。且拥有周期乘法、硬件除法的存在，因此跑指令功能特别强。同时核心板上自带有复位功能，可进行上电、断电复位功能。有电压检测器，该检测器可以通过软件编写程序来控制。有内嵌RC振荡器，其中调好的有8MHz，而标准的有40KHz。还具备RTC振荡器为32KHz，该振荡器具有校准功能。有模数转换器，为两个12位高速模数转换器。其中具有快速控制功能的IO口37个，且所有的IO口，具有映射功能，能映射到16个外部中断。有串口通信功能，共有三组，方便多组串口通信之间的控制使用。现已被应用到各种自动化的控制系统中。
在STM32F103C8T6核心板设计时，为了应对不同供电电源，加入一个稳压电路，从而稳定外部输入的电源。为了使电路中输出的电压纹波，得以消除，提高信号的稳定，会设计一个滤波电路，主要起到抑制、防止干扰效果。
3.2 体温检测模块
本设计中使用数字型温度传感器DS18B20来实现体温的检测，该温度传感器有着体积小、高抗性、高精度等优点。温度传感器DS18B20使用简单，与外部的处理器通过单总线来完成检测信息的通信。精度高是指测量的温度误差小温差不到0.5℃。分辨率高是指传感器自带12位分辨率，且测量的最高分辨率可达0.0625℃，分辨率可根据需求来相应的上调或者下调。
DS18B20在工作时，传感器中的低温系数晶振和高温系数晶振，这两者所产生的晶体震荡频率，都会因受到外部的不同温度变化而产生相应的影响，如将低温系数晶振表示为Y1，而高温系数晶振表示Y2，当DS18B20受到外面温度的影响时，Y1就会受到影响，但该影响相对较小，而Y2也会受到影响，但Y2的影响会发生很大。Y1所产生的脉冲信号将输入到计数器1中，而Y2所产生的脉冲信号将输入到计数器2中。如将计数器1表示为C1，计数器2表示为C2，DS18B20在开始之前就会在C1和温度寄存器中设置一个温度基数，这个基数值是一个和-55℃温度值相匹配的值。在DS18B20工作时，C1每次接受到Y1所产生的脉冲信号后，C1就会做出相应的反应，即自动对当前的基数进行减操作（自动减1），直到将设置的基数值为0℃，而这时的温度寄存器将自动进行加操作（自动加1），与此同时C1也将自动循环进行重载基数的操作，该循环操作一直到C2数值为0℃为止，温度寄存器中的数值将不再进行加1操作，而下一个时钟周期后，将读出寄存器中的数值，此时读出的数值便是当前所测量的物体温度值。
3.3 心率血氧检测模块
MAX30102传感器测量的精度高，采用IIC输出，功耗非常低，且能利用软件来控制模块的关断。
MAX30102血氧心率传感器是利用光电容积法来完成血氧浓度和心率的测量，MAX30102传感器工作时，会发出一道红外检测光源，当人将手指，或者手腕放到传感器上，红外光就会透入到人体血管，会给当前脉搏内的充血容积产生变化。
3.4显示模块
本设计使用OLED 屏显示相关生理参数信息，OLED 是一种液晶屏中特殊的有机电机关显示屏，虽然OLED 屏幕不大，但是该屏幕的可视角度却较大，OLED 屏有多指令控制，不但能通过指令来操控OLED 屏的对比度、以及亮度，同时还能操控开关升压电路。OLED 屏幕功能丰富，同样提供汉字、图案以及字符等显示功能，使用简单，操作方便。0.96寸OLED12864显示屏提供SPI和IIC两种图形方式，是一款128x64 的高分辨率显示模块，内置字库芯片，该字库芯片为GT20L16S1Y，在显示的时候可以直接调用编码来显示出所需的中文在屏幕上。
3.5 报警模块
当检测到人体生理参数异常时，将利用蜂鸣器来实现异常报警提醒。蜂鸣器是一种通电后能发出声音的电声器件，一般用于防盗和报警提醒等电子产品中。
蜂鸣器报警电路包含有一个蜂鸣器和三极管驱动，该三极管可以说是蜂鸣器的一个开关，通过打开三极管来给蜂鸣器的两个控制端口施压，或者给出有个方波，就可以驱动蜂鸣器发出响声。而三极管的触发是通过高低电平来完成的，当给三极管一个高电平，就会驱动蜂鸣器发出响声，而不需要蜂鸣器发出响声时，直接给三极管一个低电平就可。
3.6WiFi无线通信模块
本文使用WiFi模块中的ESP8266来完成信息的无线传输，ESP8266是一款串口通信WiFi模块，操作简单，可与外部处理器进行直接连接，并只需利用串口通信协议就能完成模块与处理器之间数据信息的传输。
ESP8266模块工作在2.412-2.484GHz频率范围，其传输的速率最大可以达到54Mbps/每秒。提供三种功能模式，模式的相关参数和信息可配置，分别为Station、AP、AP+Station模式。
Station模式，ESP8266模块可用作一个接收器，也就是该模式下利用路由器来联通模块与互联网，模块主要用来接收终端设备发出的相关指令信息，如手机终端发出的指令信息，从而实现设备的远程无线控制目的。
AP模式，ESP8266模块可用作一个基站，用来联通各客户端，如实现手机与模块本身之间的联通，相比Station模式，AP模式是一种内网之间的通信传输，如通过WiFi热点，达到无线网络上网的目的。
AP+Station模式，ESP8266模块能同时具备Station和AP工作特性，该模式下可用作接收器，接收指令信息实现互联网远程控制，也可用作基站，实现WiFi设备与WiFi设备之间信息的无线传输。
本设计的wifi模块由于需要使用外网因此，使用的是Station模式。WiFi模块ESP8266为3.3伏电源供电，并利用串口通信来实现与处理器之间的信息传输，因此将模块ESP8266的串口通信引脚TXD和RXD分别连接到处理器的控制IO口PA10和PA9。远程端使用WiFi APP来完成监控，本次使用的WiFi APP也叫“MQTT控制端”。“MQTT控制端”使用java语言在Android Studio软件中開发设计而成。
4 软件设计
人体生理参数远程检测将使用Keil5软件来编写C语言控制代码，运行时先系统初始化，然后扫描按键，判断按键有无按下或者WiFi模块ESP8266设置指令，根据按下的不同按键或者WiFi模块ESP8266指令设置各参数的报警值，完成设置后，从温度传感器、心率血氧传感器中分别获取体温、心率、血氧值并显示在OLED 屏，并启动串口通过WiFi模块ESP8266模块发送检测参数给手机APP，并接着将获取的生理参数进行比较，如果发现检测的参数中任意一项出现异常（温度超出设置范围或者心率超出设置范围或者血氧浓度超出设置范围），处理器将控制蜂鸣器发出报警响声，同时发送参数异常指令给WiFi模块ESP8266APP，并重新检测。
5结束语
针对预防人体健康问题存在的潜伏期病发症的危险检测，本文提出一种人体生理参数远程检测系统，用来对人体生理参数进行精准的测量。在本文中主要是对系统的方案设计和实物的制作过程进行了阐述，并对测试系统的硬件模块设计和软件实现方案进行了介绍。
利用嵌入式STM32单片机为控制核心，通过传感器来实时的采集人体当前的体温、心率、血氧参数，并利用液晶屏来显示采集的体温、心率、血氧信息，利用wifi模块ESP8266无线模块，将检测参数传输到手机APP上，同时也可以通过wifi模块ESP8266无线模块接收手机APP发出的指令。当检测体温、心率、血氧中的任意参数异常时，将发出报警提醒。本设计有着便携带、高精度、远程检测、性能稳定等特点。
参考文献
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作者简介：
刘甜歌（1999-），女，江苏徐州人，苏州经贸职业技术学院电子信息工程专业
吴振磊（1981-），男，江苏苏州人，硕士，讲师，研究方向：电子信息工程技术。
吴娟（2000-），女，贵州黔西南州人，苏州经贸职业技术学院应用电子技术专业
通讯作者：
吴振磊（1981-），男，江苏苏州人，硕士，讲师，研究方向：电子信息工程技术。
项目名称：
江苏省创新训练项目：《便携式多功能医用检测仪》
项目编号：202012685002Y。
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