基于Arduino和ESP8266网络远程心率测量系统

罗金生 王荣海 李岷

摘要：以人体手腕脉搏为研究对象，提出一种嵌入式系统的网络远程心率测量的方案。该方案C/S架构。客户端采用低功耗心率传感器SON7015采集心跳数据，ESP8266嵌入式芯片負责数据传输和网络通信。服务器接收并存储数据，也可以发送指令给客户端，客户端执行相应的操作，如初始化设备和开始心率数据的传输。测试结果表明，该系统传输效果好，易于观察，成本低，适合在健康生活、关爱老人生命安全中推广应用。

关键词：网络；心率；ESP8266；C/S

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）07-0055-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

心率是指正常人安静状态下每分钟心跳的次数，一般为60～100次/分，可因年龄、性别或其他生理因素产生个体差异。脉搏心率携带有丰富的人体健康状况的信息。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久。虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点，然而也存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。本文提出一种现代化的检测心率的方法，采用低功耗心率传感器采集心跳，ESP8266 SOC芯片负责网络通信和控制，软件采用Arduino开发平台。医生可以通过该系统在电脑上远程观察分析和存储病人的心率数据，实现远程医疗。

1 Arduino开发平台

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件和软件（Arduino IDE）。由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发。其成员包括Massimo Banzi、David Cuartielles和Tom Igoe、等。它流行的主要原因是库函数与底层硬件整合的天衣无缝，降低了非专业人士玩电子的难度。致使很多不是学电子的同学可以在Arduino上设计出PCB绘画机、WiFi小车等一系列的高级应用。安装配置好Arduino的IDE开发环境，下载STM32驱动库函数和网络通信等函数，即可开始编写、调试和烧录心率测量应用程序。

2 系统总体设计

本系统的核心是通过ESP8266既可以当WIFI传输数据芯片的同时，也可以当主控芯片来使用，其内部有一颗低功耗的STM32处理器。ESP8266可以接受来自服务器的相应指令执行相应的操作，进行IO管脚的控制，在此项目便是使用GPIO4来进行心率传感器脉冲的采集，通过返回的数据进行处理，传到服务器，以此来设计硬件电路和软件程序。选取ESP8266为主控芯片，同时负责网络通信，系统框图1所示。

2.1 ESP8266及模块

ESP8266芯片是一款串口转无线模芯片，内部自带固件，用户操作简单，无须编写时序信号等优点，原理图是图2所示。ESP8266 特性：

支持802.11 b/g/n协议

内置低功耗32位CPU：可以兼作应用处理器

内置10 bit高精度ADC

内置TCP/IP协议栈

内置TR开关、balun、LNA、功率放大器和匹配网络

内置PLL、稳压器和电源管理组件

支持天线分集

STBC、1x1 MIMO、2x1 MIMO

A-MPDU、A-MSDU的聚合和0.4 s的保护间隔

WiFi @ 2.4 GHz，支持 WPA/WPA2 安全模式

支持STA/AP/STA+AP工作模式

支持Smart Config功能（包括Android和iOS设备）

SDIO 2.0、（H） SPI、UART、I2C、I2S、IR Remote Control、PWM、GPIO

深度睡眠保持电流为10 uA，关断电流小于5 uA

2 ms之内唤醒、连接并传递数据包

802.11b模式下+20 dBm的输出功率

待机状态消耗功率小于1.0 mW （DTIM3）

工作温度范围：-40°C - 125°C

通过 FCC， CE， TELEC， WiFi Alliance 及 SRRC 认证

3 系统具体实现

3.1 心率模块的使用

SON7015是一款低功耗的心率传感器，采用光电式容积描记（PPG）的方式感应人体的心跳信息并加以提取，得到的心率波形送至运动心率算法ICSON3130，在OUT2管脚输出矩形脉冲，以供ESP8266进行脉冲采集，在采集时要注意LED灯的闪烁，如果闪烁正常便可以进行采集了，闪烁太快或者太慢，一定要调试好之后再进行采集，以保证采集的数据的准确性。心率传感器模块如图3所示。

3.2 服务器的创建

使用SocketTool进行TCP Sever的创建，并监听8080的端口号，以备客户端进行连接，电脑和ESP8266模块要连接到同一个局域网，实现服务器对客户端的数据接收以及对客户端进行控制。服务器创建好以后如图4所示。

3.3 ESP8266的使用

进行需要连接WIFI以及访问的服务器的IP的配置，进行串口参数以及中断的初始化，并进行网络的连接。进行服务器指令的接收，再使用GPIO4进行脉冲的采集，并进行数据的处理，使测量的心率更加接近标准的值，并把测量到的心率通过网络上传到服务器。当ESP8266接收到服务器发送的指令“a”时，发送“roger that”，经过20秒的测量后，发送所测量到的心率的数据。收到的心跳数据如图5所示。

3.4 程序设计

1） 网络参数配置，串口初始化，中断初始化。

2） WIFI连接，并检测是否连接到网络。

3） 并从网络中读取数据，并对定时和中断记录脉冲时需要用到的变量进行处理。

4） 定时功能，进行一段时间的定时，以便于心率的计算，定时、数据处理完成后进行数据的上传，在数据上传的时候，电脑只能接收字符类型的数据，所以要用itoa函数进行数据类型的转换，才能在服务器上正确的显示数据。

5） 中断服务程序，进行脉冲数量的采集。

4 总结

本文介绍一种基于Arduino的ESP8266网络控制心率测量系统，并对该系统的各部分功能设计方法进行了详细介绍。通过搭配ESP8266WIFI网络通信模块实现服务器对客户端进行控制，并接收客户端采集的心率数据进行显示。该项目代码可移植性较强，设计成本低，功能可扩展。经过试验证明，系统运行正常，能够直观地显示采集到的心率数据。该系统作为物联网的一个典型应用，可以在健康生活、关爱老人生命安全等领域广泛使用。

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【通联编辑：梁书】