基于物联网的学生体育测试监测系统*

高万明， 周 飞， 李 峥

(淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

0 引 言

近年来，各大高校对体育活动以及体测更加重视[1-2]。然而根据学生身体状况的差距，剧烈运动时，突发事件层出不穷。人体在经过剧烈运动后，体内氧气消耗过多会略有下降，心率会加快，因此通过血氧、心率来实时观察学生身体状况，能有效地预防意外事件的发生。本文设计的是一种基于STM32的学生体测智能检测系统。可穿戴在学生身上来检测实时的心率[3]和血氧饱和度[4]变化，通过OLED将数据显示供学生本人观看；再经LORA无线传输技术，发送数据至应用端，使人力监测更加高效。

1 系统概述

系统选用STM32作为检测端和应用端主控芯片，完成学生体测时心率和血氧的数据处理、控制检测和显示。按照功能的不同可以将系统分为检测端和应用端。系统整体框图及LORA网关拓扑[5]结构设计如图1所示，LORA网关设计采用多对一的通讯方式，通过对不同节点发来的数据进行区分。

检测端设计：本设计是便携式穿戴式的，选用STM32核心板作为主控，连接校园卡识别模块、心率血氧模块MAX30101、0.96寸OLED液晶显示屏和LORA无线通信模块，组合成检测端。校园卡识别模块在学生刷校园卡识别身份[6]，心率血氧模块完成对学生的数据检测，OLED液晶显示屏对数据进行显示，LORA无线通信模块将数据发送给应用端。

应用端设计：应用端的选用STM32作为主控，并连接LORA无线模块和七寸串口显示屏。LORA无线模块接收各个检测端发来的学生的身份信息和血氧、心率数据，在串口屏显示，并将数据存储至SD卡内，便于后期调用和结果分析。系统整体框图及LORA网关拓扑结构示意图如图1所示。

图1 系统整体框图及LORA网关拓扑结构示意图

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

主控模块是整个体测系统的核心，选用STM32[7]，与51系列和12系列单片机相比，其运算能力和处理能力更加强大，最高工作频率72MHz、11个定时器、13个通信接口。STM32单片机主要负责检测数据和数据存储和显示，协调每个模块的正常工作。

2.2 血氧心率模块

选用MAX30101[8]模块，电路原理图如图2所示。将MAX30101发光的一面固定在手指上。就能检测血氧饱和度及心率。

图2 MAX30101硬件原理图

MAX30101通过氧合血红蛋白(HbO2)对不同波长的红外光吸收程度不同的原理，分析红外光与红光的吸收程度的比值，可以得到血氧的饱和水平。其中，血氧饱和度方程如公式(1)，

(1)

经过拟合曲线拟合可得到公式(2)，

SpO2=-45.060*R*R+ 30.354 *R+94.845

(2)

MAX30101检测心率采用的是电容积脉搏波描记法。LED光射向人体，通过反射的光照得到电信号。光信号转换成电信号时，由于动脉对光的吸收有变化，得到交流AC信号，以此来计算心率。其检测过程信号转换流程如图3所示。

图3 心率检测过程信号转换流程图

2.3 LORA无线模块

针对本设计的应用场景，选用LORA[10]实现远程数据传输。LORA在无线通信[11]方面所具有传输距离远、稳定性高等特点，与ZigBee、蓝牙传输技术相比，LORA更适合长距离通信，抗干扰性强。而且它的功耗较低。本设计采用了LORA星型拓扑架构[12]，共有一个LORA主机模块和多个LORA从机模块，并对其通信信道[13]、分频因子等进行设置。LORA电路原理图如图4所示。

图4 LORA模块硬件原理图

2.4 校园卡识别模块

针对本系统同时检测多名学生的体测数据，添加校园卡识别模块RC522。学生在体测之前刷校园卡确认身份，可以使身份和体测数据准确对应。RC522电路原理图如图5所示。

图5 RC522电路原理图

2.5 显示模块

在本系统中，使用的显示模块主要有两种。OLED显示屏用于检测端，与检测设备一起佩戴在学生手腕上供学生自己观看。7寸液晶串口屏用于应用端，显示体测的多个学生的信息和体测数据，并可以显示之前的体测记录数据，如出现数据超出正常范围，则进行智能报警，避免危险。

2.5.1 OLED显示模块

OLED[14]显示屏引脚原理图如图6所示。在本设计中主要显示学生进行体测时的心率和血氧饱和度，让学生清楚自己的身体状态。

2.5.2 七寸液晶显示屏模块

七寸液晶串口屏[15]作为应用端显示模块，显示的面积大、内容多，并可以进行触摸操作。通过串口与主控芯片进行通信。在本设计中，主要用来显示学生的信息以及各自的血氧、心率数据。并可以通过触摸来切换显示正在体测的数据与之前已经体测过的记录。

图6 OLED模块电路原理图

图7 从机流程图

图8 主机流程图

3 系统软件设计

3.1 从机程序设计

从机开始工作之后先进行初始化，接着学生刷校园卡识别身份，通过LORA发送身份数据至上位机，确认学生身份。学生开始运动之后，从机会将学生的心率和血氧饱和度数据发送至上位机，并接收上位机返回的指令。收到指令安全则继续体测，数据危险则发出报警信号，提醒学生停止体测。从机流程图如图7所示。

图9 设备穿戴图

图10 OLED显示屏显示图

图11 液晶屏显示图

3.2 主机程序设计

主机开始工作之后先进行系统初始化。然后接收下位机发送来的数据，确认学生身份。当接收到下位机发来的学生体测数据时，在显示屏上显示学生的身份和体测信息。并以学生之前体测的数据为参考，数据正常则向从机发送安全信号，数据危险则向从机发送危险信号，提醒对应从机的学生停止体测，并且主机报警。主机流程图如图8所示。

4 系统调试

设备供电采用3.7V2000mA的锂电池，可以保证在体测期间正常的工作需要。设备穿戴如图9所示。由于设备体积小、操作简单，在不影响学生正常运动的同时，又具有一定的稳定性、时效性。开始检测后，学生本人可以随时观察到自己的体征信息。从机OLED显示界面如图10所示。

体测教师及学校医护人员通过应用端的显示屏，观察各位学生的心率和血氧数据，对比正在体测的数据和学生以前体测的数据，可以提前预知危险，预防事故。显示界面如图11所示。

经过多次测试，各个功能都能完整实现，整个系统运行正常，系统可以快速准确测量学生的血氧、心率等数据，与医学设备检测的绝对误差<2%。无线传输速度快，检测端和应用端的数据能及时同步。下表为两年来学生的心率、血氧饱和度记录情况。

表1 学生体测情况记录表

5 结 语

本文设计的学生体测智能检测系统在学生剧烈运动后可能出现的意外情况监测方面进行了相应的创新。首先，本设计易便携、成本低，可广泛应用于高校学生体测。其次，采用LORA无线拓扑结构，可以同时满足至少20名学生的体测工作，数据能及时更新。最后，通过本设计使学生在体测时血氧、心率的变化具有可视性，老师或医生可以准确地掌握每个学生实时的身体状况。本文设计的学生体测智能检测系统构架简单、部署方便、成本低，在高校对于学生身体素质越来越重视的今天，能给用户带来更多科学化、智能化的体验。