陳 誠(chéng)，張仁均，李 琪

（火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025）

目前，人體體征信號(hào)監(jiān)控需要穿戴人體體征信號(hào)監(jiān)控的儀器設(shè)備，使用電極或傳感器直接接觸人體?，F(xiàn)階段，普遍采用的測(cè)量心率的方法是，使用電極或傳感器直接接觸人體，但這會(huì)對(duì)人體造成一定的約束，給受試者造成一定的心理負(fù)擔(dān)[1]。例如，在評(píng)測(cè)教學(xué)質(zhì)量時(shí)，測(cè)量學(xué)生上課時(shí)的體征信號(hào)，可以對(duì)教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。這時(shí)，不能讓參與評(píng)測(cè)者知道自己參與評(píng)估，否則會(huì)因?yàn)樾睦硪蛩囟绊懺u(píng)價(jià)結(jié)果。因此，要想監(jiān)控人體體征信號(hào)，可以將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)嵌于其他物品內(nèi)，例如椅子、沙發(fā)、床等物品，這樣使用起來(lái)十分方便，而且不易被發(fā)現(xiàn)，從而在不影響人們正?；顒?dòng)的情況下監(jiān)控到需要的體征信號(hào)。該系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、無(wú)線模塊通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)上位機(jī)管理，將不同的設(shè)備連接在一起，構(gòu)成一個(gè)人體體征信號(hào)監(jiān)控模塊網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立供電，通過(guò)PVDF壓電傳感器和稱重傳感器獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到人體體征信號(hào)，然后通過(guò)WIFI無(wú)線通信將信息傳送至電腦客戶端。

1 系統(tǒng)原理和總體設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)控原理

1.1.1 （PVDF）壓電薄膜傳感器測(cè)量心率

PVDF壓電薄膜即聚偏氟乙烯壓電薄膜，是一種新型的高分子聚合物型傳感材料。PVDF壓電薄膜具有高的壓電常數(shù)，且具有質(zhì)量輕、柔性好、加工性能好、頻率響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)[2]。PVDF壓電薄膜的輸出電壓與其所受外力呈線性關(guān)系，而且輸出電壓與被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變同樣呈線性關(guān)系[3]，如圖1所示。正常人的脈象信號(hào)在低頻頻率范圍內(nèi)，且大多數(shù)能量集中在0～2 Hz左右。心臟跳動(dòng)對(duì)人體產(chǎn)生的微弱震動(dòng)信號(hào)即體震信號(hào)，通過(guò)（PVDF）壓電薄膜傳感器將這種震動(dòng)測(cè)量出來(lái)，就可以達(dá)到測(cè)量心率的目的。振動(dòng)可以在緊密接觸的物體之間傳播，因此，將傳感器嵌于物體內(nèi)也可以測(cè)量出體震信號(hào)，從而得到心率。壓電薄膜傳感器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路，由于心率的頻率比較低，使用單片機(jī)自帶的A/D采集模塊即可滿足采集要求。

圖1 PVDF在靜力作用下的響應(yīng)

1.1.2 稱重傳感器測(cè)量活動(dòng)狀態(tài)

在正?；顒?dòng)狀態(tài)下，在一段時(shí)間內(nèi)，會(huì)因?yàn)橐恍﹦?dòng)作而導(dǎo)致身體某一部分具有加速度，測(cè)得的示重與睡眠狀態(tài)靜止時(shí)所測(cè)示重不一致，據(jù)此可以判斷人體是處于活動(dòng)狀態(tài)或者睡眠狀態(tài)。測(cè)試者的體重是65 kg，將傳感器嵌于椅子內(nèi)部，用于測(cè)量被測(cè)者正?；顒?dòng)時(shí)的幾種行為。被測(cè)者首先靜坐于搭載有該套系統(tǒng)的椅子上，禁止做多余動(dòng)作，結(jié)果顯示在54 kg左右測(cè)量結(jié)果上下有稍許波動(dòng)。然后進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓被測(cè)者坐在椅子上看書、寫字或做一些其他的活動(dòng)，然后對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖2所示。利用這個(gè)原理可以檢測(cè)被測(cè)者的睡眠狀態(tài)。當(dāng)被測(cè)者睡眠時(shí)，幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，體重示數(shù)會(huì)基本保持不變，也會(huì)得到與靜坐相似的情況。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分包括單片機(jī)控制模塊、稱重傳感器模塊、壓電薄膜傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線傳輸模塊，軟件部分是電腦客戶端。

該系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送和客戶端人機(jī)交互等功能。系統(tǒng)框圖詳見圖3.利用人睡覺(jué)狀態(tài)下的稱重示數(shù)與正?；顒?dòng)狀態(tài)下的稱重示數(shù)之間的區(qū)別來(lái)區(qū)分人體睡眠情況，并對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

圖2 測(cè)量結(jié)果

圖3 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊

STC12C5A60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的高性能、低功耗的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。該模塊有多達(dá)60 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，1 280字節(jié)RAM，40個(gè)通用I/O 口，4個(gè)16位定時(shí)器，并且支持通用全雙工異步串行口（UART），外部中斷等[4]。STC12C5A60S2系列單片機(jī)采購(gòu)價(jià)格與普通單片機(jī)價(jià)格近乎相同，性價(jià)比非常高。STC12C5A60S2單片機(jī)的P0.0、P1.5端口用于與高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711管腳PD_SCK、DOUT連接，接收經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)P3.0、P3.1端口與ESP8266芯片的UTXD、URXD相連，驅(qū)動(dòng)WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。P1.0與壓電薄膜傳感器的調(diào)理電路輸出相連，對(duì)輸出進(jìn)行A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2.2 壓電薄膜傳感器電路

壓電薄膜傳感器通過(guò)前置放大器完成信號(hào)提取，運(yùn)放A0設(shè)計(jì)為負(fù)反饋模式，并在負(fù)反饋回路中加入電容，抑制噪聲進(jìn)入下一級(jí)電路；第二級(jí)放大電路A1設(shè)計(jì)為低通濾波加放大模式，進(jìn)一步放大信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可測(cè)性，隨后輸出給單片機(jī)采集測(cè)量。壓電薄膜傳感器調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 壓電薄膜傳感器調(diào)理電路

2.3 稱重傳感器

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

HX711采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，它是一款高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]。壓力傳感器檢測(cè)質(zhì)量以后會(huì)輸出一個(gè)模擬量，但是，單片機(jī)無(wú)法直接讀取，所以，要經(jīng)過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。在不超過(guò)量程的范圍內(nèi)，傳感器輸出的模擬值的大小與壓力大小成正比，因此，可以用單片機(jī)計(jì)算來(lái)獲取來(lái)自傳感器的壓力值。HX711芯片電路原理如圖5所示，其主要通過(guò)long ReadAD（void）這個(gè)函數(shù)讀取稱重傳感器信息。

2.5 無(wú)線傳輸模塊

ESP8266是樂(lè)鑫公司生產(chǎn)的低功耗WIFI芯片，內(nèi)置32位CPU，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行[8]。ESP8266系列芯片擁有超高的集成度、超低的功耗，成本低、體積小，非常適用于無(wú)線控制領(lǐng)域。ESP8266支持3種模式，即串口無(wú)線 AP（COM-AP）、串口無(wú)線 STA（COM-STA）和串口無(wú)AP＋STA（COM-AP+STA）。波特率設(shè)置成9 600，因?yàn)?1單片機(jī)直接初始化定時(shí)器最高只能得到9 600的波特率。AT＋UART＝9 600，8，1，0，0 ，設(shè)置波特率為9 600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)碼。配置指令為：AT+CWMODE=1 ,

3 軟件設(shè)計(jì)

電腦客戶端使用Visual Studio進(jìn)行編寫，Visual Studio是微軟公司推出的開發(fā)環(huán)境，是最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境。在軟件設(shè)計(jì)方面，首先系統(tǒng)初始化，然后開啟數(shù)據(jù)采集，將PVDF壓電薄膜傳感器數(shù)據(jù)和稱重傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至客戶端，而后進(jìn)行處理。電腦客戶端對(duì)2種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理：①對(duì)稱重示數(shù)進(jìn)行處理，判斷人體的活動(dòng)狀態(tài)；②對(duì)測(cè)量心率進(jìn)行處理，判斷活動(dòng)輕緩等狀態(tài)。例如，在醫(yī)療情景下，將相關(guān)設(shè)備安裝在病床上，當(dāng)稱重示數(shù)趨于平穩(wěn)，心率下降到睡眠時(shí)的心跳頻率，可以知道患者處于睡眠狀態(tài)；當(dāng)稱重示數(shù)變化劇烈，心率也處于異常狀態(tài)，則可以知道患者發(fā)生了意外，通過(guò)電腦客戶端進(jìn)行處理后給出處理結(jié)果。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖5 HX71電路原理圖

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決目前人體體征信號(hào)檢測(cè)儀笨重、束縛感強(qiáng)、使用不方便等問(wèn)題，本文提出將稱重傳感器與壓電薄膜傳感器嵌入物體內(nèi)使用，具有使用方便、無(wú)束縛的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)使用無(wú)線通信將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI傳送至電腦進(jìn)行分析，可對(duì)多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)其適用于醫(yī)療、教育等場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)：

［1］王旭，金晶晶.基于體震信號(hào)的心率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（11）：81-83，86.

［2］孟仁俊.PVDF壓電薄膜傳感器的研制［D］.上海：東華大學(xué)，2009.

［3］萬(wàn)建國(guó)，石立華，朱紀(jì)軍，等.PVDF壓電薄膜在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用初探［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，1998（01）：18-24.

［4］宋鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機(jī)高速A/D轉(zhuǎn)換方法［J］.煤礦機(jī)械，2010，31（06）：219-221.

［5］劉美娟，張琦，穆遠(yuǎn)威.基于HX711的高精度電子秤的設(shè)計(jì)［J］.信息通信，2017（1）：142-144.

［6］徐倫，鄧濤.一種基于STM32的多功能精密電子秤［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（10）：148-149.

［7］汪顯衛(wèi).基于HX711自動(dòng)計(jì)價(jià)數(shù)顯電子秤設(shè)計(jì)［J］.硅谷，2012（05）：68.

［8］范興隆.ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（09）：52-56.