人体运动数据采集系统设计与实现

2022-08-29刘宇宁陈泽铭李嘉俊

物联网技术 2022年8期

刘宇宁，王硕，贾谊，陈泽铭，李嘉俊

（北方工业大学信息学院，北京 100144）

0 引言

近年来，人们的生活水平日益提高，人体的健康发展与监测成为提高生活水平的重要关注点。在日常生活中，人们通过对自身运动数据的收集与研究，可以观察到自己步行的步幅、步频、心率等数据，除此之外，通过对更加详细的身体数据，例如体脂率、身体成分分析、基础代谢量等进行分析，可以有效避免潜在的运动伤病。使用运动传感器可以随时随地记录和分析人类活动，用户可以跟踪自己的跑步步数、骑行距离、睡眠时间和能量消耗。人体运动数据采集系统能够实时监控并监测人体的日常行为，通过智能算法做出判断，给人体的身体状况提供更加科学的帮助。

本系统基于STM32单片机，使用MDK 5开发平台，该平台具有集成度高和开发方便的优点，同时还具有数字信号处理、高性能、实时功能、低电压与低功耗等特性。其将模/数转换、计步模块、蓝牙传输等相结合，对输入的心电信号与处理后的步数数据通过蓝牙实现数据传送，并在手机上显示。

1 系统总体设计

系统包括ADS1292模数转换模块、MPU 6050传感器、HC-04蓝牙模块、数据转换模块、MCU和安卓手机APP。ADS1292是多通道的同步采样24位Δ-Σ模数转换器（ADC），具有内置可编程增益放大器（PGA）、内部基准以及板载振荡器。MPU 6050是全球首例9轴运动处理传感器，其集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，MPU 6050六轴陀螺加速度仪，可对输入加速度幅度在-16g～+16g、角速度幅度在-2 000～+2 000°/s的信号进行数据采集，通过IC通信。HC-04蓝牙串口通信模块是新一代基于V2.1（SPP）经典蓝牙协议和BLE 4.0蓝牙协议的双模数传模块。工作频段为2.4 GHz，调制方式为GFSK。模块发射功率约为3 dBm，接收灵敏度约为-90 dBm。MCU分别通过SPI接口、IC接口对ADS1292、MPU 6050进行数据读取和处理操作，经过计算后将步数与心电图等数据显示在LCD显示屏，同时通过蓝牙模块将数据发送至手机端。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括A/D转换模块、加速度采集模块、蓝牙模块、单片机处理模块。利用接口对数据进行采集和处理，将处理后的数据在LCD屏上显示，并通过蓝牙模块传输至手机端。

2.1 硬件结构

ADS1292将经过模数转换后的数据交由STM32F103接收后，经过数据处理算法将最终数据显示在LCD屏上，并通过无线通信模块传送至手机端。系统硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构

2.2 硬件电路模块

2.2.1 ADS1292及其应用

ADS1292芯片是一款用于测量生物电信号的集成调理模块，可实现心电同步采样和24位模数转换，采样精度高，信号无需高倍数放大就可满足采样精度要求，且内置可编程增益放大器、内部参考和板载振荡器。心电采集参数可通过配置内部寄存器进行灵活设置，是心电采集系统设计的最佳选择之一。

2.2.2 MPU 6050及其应用

MPU 6050是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及可扩展数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor, DMP），能用IC接口连接第三方数字传感器，如磁力计等。

MPU 6050对其上的陀螺仪和加速度计分别用了3个16位ADC，将测量的模拟量转为可输出的数字量。为精确跟踪快速和慢速运动，传感器的测量范围均可控，陀螺仪可测范围为 ±250°/s，±500°/s，±1 000°/s，±2 000°/s，加速度计可测范围为±2g，±4g，±8g，±16g。该传感器通过SDA、SCL分别连接单片机IC数据线、时钟线与单片机通信。驱动电路如图2所示。

图2 MPU 6050驱动电路

2.2.3 蓝牙模块

HC-04蓝牙串口通信模块是新一代基于V2.1（SPP）经典蓝牙协议和BLE 4.0蓝牙协议的双模数传模块。模块采用邮票孔封装方式，可贴片焊接，模块尺寸为18.5 mm×13 mm×2.0 mm。本设计使用的是正点原子设计开发的ATK HC-04蓝牙串口模块，其采用AT指令配置波特率，本系统使用921 600。

2.2.4 单片机接收处理模块

MCU通过IC接口对MPU 6050和ADS1292进行数据读取和处理，并通过UART向HC-04发送数据。

2.2.5 LCD显示模块

LCD是低功耗显示器件，其显示屏通过在.C文件中引用声明函数显示所需的字、字符以及字符串，主要运用CS、CLK、MOSI和MISO通过调节时序完成，LCD电路如图3所示。