重慶工程學(xué)院 鄒春宇 張仁永 陳敬穆

基于STM32L152V8的預(yù)警手環(huán)設(shè)計(jì)

重慶工程學(xué)院 鄒春宇 張仁永 陳敬穆

本設(shè)計(jì)基于STM32L152V8單片機(jī)采用LST1308反射式光電脈搏血氧傳感器與MS5-607-02BA海拔高度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的血氧飽和度監(jiān)測(cè)與預(yù)警，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所在海拔高度、大氣壓力、溫度監(jiān)測(cè)與顯示。當(dāng)使用者處于高海拔地區(qū)，發(fā)生高原反應(yīng)造成血氧飽和度降低時(shí)，手環(huán)發(fā)出報(bào)警和提示，確保者得到警示。

高原反應(yīng)；傳感器；智能穿戴

1 引言

形成高原反應(yīng)的主要原因是由于高度越高，空氣含量越薄，因而空氣壓力越低，此時(shí)人體所處的環(huán)境中所需的氧氣壓力降低，導(dǎo)致身體缺少氧供應(yīng)。高度越高，過渡時(shí)間越短，反應(yīng)越嚴(yán)重。高原反應(yīng)劇烈時(shí)可威脅到人的生命，高反癥狀劇烈之前，人體血氧飽和度就下降到正常值之下，所以往往癥狀劇烈時(shí)搶救時(shí)間緊張。正常人體血氧飽和度為94%-100%。

本設(shè)計(jì)利用LST1308反射式光電脈搏血氧傳感器監(jiān)測(cè)使用者的血氧飽和度，當(dāng)血氧飽和度低于94%時(shí)，手環(huán)發(fā)出振動(dòng)和蜂鳴提示，在人體劇烈反應(yīng)危及生命之前提醒使用者采取措施。同時(shí)有海拔、氣壓與溫度、時(shí)間顯示功能。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可穿戴式設(shè)備，超低功耗，可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，可低溫高海拔地區(qū)使用。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件模塊主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）電源模塊

針對(duì)低功率、可穿戴式設(shè)備的功能要求，系統(tǒng)采用大容量可充電的鋰電池，良好的放電特性為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的運(yùn)行保障。電源模塊同時(shí)具有充電量計(jì)算電路，實(shí)時(shí)監(jiān)控鋰電池電源容量，當(dāng)系統(tǒng)電源不足時(shí)，利用外部中斷與單片機(jī)形成通信，并由LCD顯示低電壓報(bào)警。同時(shí)設(shè)計(jì)也有USB接口，也可以連接PC機(jī)，無(wú)需外接電源。

（2）STM32L152V8單片機(jī)模塊

STM32L152V8單片機(jī)采用創(chuàng)新的工藝平臺(tái)，不同的工作電壓模式，造就了低功耗的優(yōu)勢(shì)，可以滿足使用者長(zhǎng)時(shí)間穿戴運(yùn)行。具有自帶的RTC模塊，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間。同時(shí)用戶閃存達(dá)128KB，可以存儲(chǔ)軟件代碼。其SPI接口連接SD卡存儲(chǔ)，存儲(chǔ)人體血氧數(shù)據(jù)和周圍環(huán)境數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)時(shí)間。該單片機(jī)還集成USB2.0接口，支持系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。由于內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。由此可見，采用STM32L152V8單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的微處理器，是滿足需求和幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的。

（3）LST1308傳感器模塊

LST1308反射式光電血氧傳感器把紅外光和紅光兩個(gè)LED和環(huán)境監(jiān)測(cè)IC集成在一個(gè)封裝，測(cè)量時(shí)不用夾住部位，只需要貼上皮膚表面就可以精確測(cè)量。由于血液中血紅蛋白和氧合血紅蛋白對(duì)紅外光和紅光的吸收比率不同，所以通過測(cè)量反射光的吸收光譜就可以完成血氧檢測(cè)。同時(shí)LST1308的發(fā)光波長(zhǎng)完全符合脈搏血氧儀要求的波長(zhǎng)范圍，所以測(cè)量精度很高。由于光源的發(fā)射和接收裝置的光傳輸?shù)染嚯x對(duì)稱，接收透射光時(shí)，這種方法可以更好地反映心率時(shí)間節(jié)奏，但不能準(zhǔn)確測(cè)量血容量的變化；而對(duì)于發(fā)射源和環(huán)境監(jiān)測(cè)，反射型氧脈沖傳感器LST1308與IC位于同一側(cè)的位置，接收漫射光后，信號(hào)可以準(zhǔn)確的測(cè)量血容量的變化。

（4）MS5607-02BA傳感器模塊

MS5607-02BA是一款優(yōu)秀的24位數(shù)字壓力傳感器，其垂直高度分辨率甚至達(dá)到20cm。此傳感器的壓力范圍為10～1300mbar，分辨率為8位時(shí)，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)分辨率高達(dá)0.6ms；分辨率為24位轉(zhuǎn)換速度為8.3ms。電流消耗每秒轉(zhuǎn)換為0.9uA（8位）至12.5uA（24位），分辨率將與轉(zhuǎn)換時(shí)的最佳應(yīng)用電源性能相匹配。傳感器的尺寸是5×3×1mm非常適合嵌入式智能設(shè)備，并且同時(shí)還提供精確的溫度測(cè)量。傳感器是功耗非常低的壓力傳感器模塊。同時(shí)在此模塊還配備有24位低功耗A/D轉(zhuǎn)換器。

（5）人機(jī)交互模塊

本設(shè)計(jì)搭載按鍵與LCD顯示屏，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。完成系統(tǒng)復(fù)位、系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定、血氧飽和度實(shí)時(shí)顯示、海拔高度實(shí)時(shí)顯示、環(huán)境溫度實(shí)時(shí)顯示、低電壓報(bào)警、低血氧報(bào)警振動(dòng)蜂鳴等功能。同時(shí)，由于本設(shè)計(jì)搭載有USB2.0接口，支持USB2.0協(xié)議，除了用于鋰電池充電，還可用于PC讀取復(fù)制SD卡儲(chǔ)存模塊的數(shù)據(jù)文件，便于上位機(jī)分析數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件流程如圖2所示，系統(tǒng)開啟后將自動(dòng)更新系統(tǒng)時(shí)間，完成中斷計(jì)數(shù)Count++,完成系統(tǒng)判斷后進(jìn)行LST1308反射式光電血氧傳感器與MS5607-02BA海拔高度傳感器的數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法的計(jì)算，得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)單位的血氧飽和度與海拔高度值等，然后按固定的格式存儲(chǔ)到字符串string，再完成一個(gè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入儲(chǔ)存的功能。其結(jié)果便可使得具體數(shù)值顯示到LCD顯示屏。同時(shí)由于設(shè)定有血氧飽和度上限，血氧濃度值低于94%會(huì)發(fā)出振動(dòng)和蜂鳴提示用戶。從而達(dá)到提醒作用，在高反癥狀危及生命之前讓使用者得到采取措施的提示。

4 功能與意義

隨著大眾消費(fèi)水平提高，越來越多的人有條件旅游，而西藏等高原地區(qū)也越來越得到游客的青睞。但是西藏等高原旅游景區(qū)卻存在有高原反應(yīng)這一隱藏的危險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)就是在用戶感覺到身體不適之前，及時(shí)預(yù)警，使得用戶提前采取吸氧等緩解措施。當(dāng)用戶吸氧也不能維持正常血氧飽和度時(shí)，就該更為謹(jǐn)慎的選擇是否繼續(xù)提高海拔高度等問題。對(duì)減少高原地區(qū)游客和工作者因?yàn)椴恢郎眢w極限和情況而使自己陷入危難的情況，提出警示作用，提高高原地區(qū)游客和工作者的享受體驗(yàn)。

[1]黃慶愿,高鈺琪,劉福玉,牟信兵,周其全,蔣春華,翟羽.急性高原反應(yīng)相關(guān)因素的多元線性回歸分析[A].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(12).

[2]方啟超.血氧飽和度檢測(cè)技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué),2013.

[3]龔渝順.穿戴式抗運(yùn)動(dòng)干擾血氧飽和度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].第三軍醫(yī)大學(xué),2012.

[4]楊澤,王擊,劉亮.基于MS5607B的移動(dòng)氣壓高度計(jì)的設(shè)計(jì)[A].傳感器世界,2011.

[5]戴仲巖.反射式脈搏血氧動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中南大學(xué),2012.

鄒春宇（1996—），男，重慶長(zhǎng)壽人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于重慶工程學(xué)院，研究方向：信息處理技術(shù)。

2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201512608094）；2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201612608095）。

張仁永（1988—），男，山東日照人，碩士，講師，研究方向：交通安全與智能控制。