基于Arduino的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)

1、本科生畢業(yè)論文 基于Arduino的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)畢 業(yè) 論 文 中文標題 基于Arduino的人體健康監(jiān)測系統(tǒng) 英文標題 Human health monitoring system based on Arduino 基于Arduino的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)摘 要近年來,隨著生活、工作等方面壓力的增加,越來越多的人開始重視自身身體健康問題，鑒于此種情況，本文介紹了以一款簡單清晰、發(fā)展迅速的開源電子原型平臺Arduino uno為主，利用腕帶式脈搏傳感器、紅外體溫傳感器MLX90615采集信號經(jīng)單片機處理后通過網(wǎng)絡(luò)模塊進行上傳的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)所采用設(shè)備,體積小,使用方便，測量精度較高可

2、以同時對人體體溫、脈搏進行監(jiān)測，并上傳至網(wǎng)絡(luò)，可以隨時查看。此系統(tǒng)不僅僅可以作為私人健康監(jiān)測系統(tǒng)使用，對人群密集處的健康監(jiān)測也有著一定的研究意義。關(guān)鍵詞：Arduino；腕帶式脈搏傳感器；紅外體溫傳感器;上傳網(wǎng)絡(luò)HUMAN HEALTH MONITORING SYSTEM BASED ON ARDUINOAbstractIn recent years, with the increase in life, work and other aspects of pressure, more and more people began to pay attention to their own he

3、alth problems, in view of this situation, this article introduced a simple and clear, rapid development of open source electronic prototype platform Arduino uno Mainly, the use of wristband pulse sensor, infrared temperature sensor MLX90615 acquisition signal through the micro controller processing

4、through the network module to upload the human health monitoring system. The system used by the device, small size, easy to use, high measurement accuracy can simultaneously on the human body temperature, pulse monitoring, and upload to the network, you can always view. This system can not only be u

5、sed as a private health monitoring system, but also has some research significance for the health monitoring of crowds.Key words：Arduino；Wristband pulse sensor；Infrared body temperature sensor；Upload the network第1章 緒論1.1 論文研究背景目前，中國已經(jīng)是世界最大的經(jīng)濟體之一，而且經(jīng)濟還在穩(wěn)固增長中。但實際上，中國還是一個發(fā)展中國家，在很多方面依舊比較落后，尤其是醫(yī)療領(lǐng)域。我國的醫(yī)療

6、資源非常短缺，患者與醫(yī)生大多情況下無法進行詳細的咨詢和交流，患者也不能確切的了解自身的病癥，導致無法享受到完善的治療和診斷。除此之外，中國正在逐步步入老齡化社會，65歲以上的老人越來越多，再加上剛剛開放了的二胎政策，一個家庭中的子女數(shù)量也會上升。這些原因都都使人們對家庭健康監(jiān)測越來越關(guān)注，人們急需一款能夠隨時檢測自身身體情況的設(shè)備，來及時預防和發(fā)現(xiàn)疾病。如今和健康檢測相關(guān)的醫(yī)療電子設(shè)備越來越多，檢測的項目越來越多，范圍也越來越大。但人們對健康監(jiān)測的追求永遠不會減退，反而會逐漸增強，所以研究一款能夠快速、準確測量人體生理參數(shù)的設(shè)備就十分有意義。1.2 人體健康檢測的意義和內(nèi)容1.2.1 人體基本

7、生理參數(shù)1）脈搏心臟搏動所引起的壓力變化使主動脈管壁發(fā)生振動,沿著動脈管壁向外周傳遞,即成脈搏.通常所稱的脈搏系指在手腕橈側(cè)捫到的脈搏。脈搏能夠反映人體血液循環(huán)系統(tǒng)的功能狀態(tài)。脈搏會受到很多因素的影響，不同的年齡或者性別之間都會有差異，但是正常情況下人體的脈搏平穩(wěn)，強弱間隔不會大范圍波動，例如正常的成年男性大概在每分鐘六十到100次，老年人會慢一些，兒童和婦女快一些。但是當包括感冒，中毒、休克等許多疾病發(fā)生時，就會立刻有所反應(yīng)，尤其是病重時脈搏會發(fā)生劇烈的變化。因此，對病人來說，或者說對于任何一個人，定時檢查脈搏都是比不可少的。2） 體溫體溫即時人體的溫度，醫(yī)學上一般檢測的腋下溫度是人體表層溫

8、度，表層溫度包括皮膚、皮下組織等的溫度，當人體受到致病原或者其他因素影響時，人體中樞體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)容易出現(xiàn)障礙，使體溫偏離正常范圍，出現(xiàn)高溫或低溫。是人體溫度十分敏感，很多原因都會導致體溫調(diào)節(jié)中樞的失常，檢測體溫的變化是預防疾病的好辦法。另外，臨床醫(yī)學上可以通過發(fā)熱的類型來判斷疾病，例如體溫39到40攝氏度達數(shù)天可能是大葉性肺炎。1.2.2 人體健康監(jiān)測的意義體溫、脈搏是人體內(nèi)在活動的客觀反映，臨床稱之為生命體征，是判斷人體是否健康的標準和依據(jù)。正常人的體溫脈搏成比例，且在一定范圍內(nèi)相對穩(wěn)定，當機體受到傷害時，體溫、脈搏立刻回出現(xiàn)不同程度的異常，表示人體出了問題，有疾病發(fā)生。因此，對生命體征進行

9、監(jiān)測并記錄，主要有以下幾點好處：1） 增強對自身身體的了解，增強鍛煉，提升免疫力；2） 及時發(fā)現(xiàn)疾病，及時就醫(yī)，避免病情惡化；3） 得病時，隨時了解自身身體功能，輔助治療。1.3 本文研究內(nèi)容在人們?nèi)找骊P(guān)注健康問題的今天，利用傳感器技術(shù)將生命體征這些非電量轉(zhuǎn)化為可測量的電量，通過電子及通信技術(shù)上傳相關(guān)數(shù)據(jù)到計算機及物聯(lián)網(wǎng)，進而實現(xiàn)相關(guān)信息的處理分析，提供高效方便的應(yīng)用服務(wù)，能夠?qū)⑨t(yī)學與通信技術(shù)相結(jié)合，這無疑是一次有意義的研究?；谶@種目的，本文提出了一種基于Arduino的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)。本課題的主要研究內(nèi)容如下：1） 對系統(tǒng)整體進行設(shè)計，構(gòu)思；2） 針對整個系統(tǒng)的功能要求，選擇相關(guān)的人體信

10、息數(shù)據(jù)采集器件，實現(xiàn)各個器件的信號采集；3） 選擇Arduino作為整個系統(tǒng)的核心，完成軟件的編寫；4） 總結(jié)系統(tǒng)的特點以及不足，提出改進思路，為后續(xù)研究提供方向。第二章 人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架 整個系統(tǒng)主要由Arduino、信號采集器件、網(wǎng)絡(luò)模塊三個部分構(gòu)成。信號采集器件主要負責采集相關(guān)的人體信號，并將信號傳輸給Arduino。Arduino是系統(tǒng)的核心部件，它負責控制整個體統(tǒng)的工作實現(xiàn)，首先，它向采集器件發(fā)出信號，控制他們進行數(shù)據(jù)采集，接著對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并通過端口傳輸?shù)接嬎銠C，最后通過網(wǎng)絡(luò)模塊上傳到物聯(lián)網(wǎng)。圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 系統(tǒng)硬件連接圖

11、系統(tǒng)的硬件連線如圖2.2所示，圖中注明了各個模塊之間的連線，值得注意的是網(wǎng)絡(luò)模塊W5100是直接插在Arduino UNO上的。圖2.3 系統(tǒng)硬件連線圖2.3 系統(tǒng)的軟件流程系統(tǒng)的整個軟件流程實現(xiàn)如下圖，首先通過Arduino向采集器件發(fā)送初始化命令，準備進行工作，接著根據(jù)代碼完成對人體生理參數(shù)的采集，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端，并進行顯示，最后將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)以備查看。圖2.3 系統(tǒng)軟件流程圖 第三章 模塊功能及原理3.1 Arduino模塊3.1.1Arduino模塊概述Arduino是目前較為流行的電子互動平臺，基于單片機系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)

12、計和互動產(chǎn)品開發(fā)方面。 Arduino電路板設(shè)計使用多種微處理器和控制器，配備了數(shù)字和模擬輸入/輸出（I / O）引腳，可連接到各種擴展板和其他電路，采用串行通信接口，包括一些型號通用的串行總線（USB），也可用于從個人電腦加載程序。微控制器通常使用的編程語言是C和C+。除了使用傳統(tǒng)的編譯工具鏈，Arduino還提供了一個集成開發(fā)環(huán)境（IDE）用于處理語言項目。 Arduino項目開始于2003年，在意大利互動設(shè)計學院Ivrea，旨在以低成本的互動裝置和簡單的方法提供給新手和專業(yè)人士創(chuàng)建、使用傳感器和執(zhí)行器的環(huán)境，。這些設(shè)備用于初學愛好者的常見例子包括簡單的機器人，恒溫器，和運動檢測器。3.1

13、.2Arduino的功能特點Arduino在開發(fā)之初，就明確了其應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計了開源開放的平臺，便于對其進行二次開發(fā)。Arduino的主要功能特點如下： 1）相比于其他單片機平臺，Arduino板相對便宜。Arduino模塊最便宜的版本可以手工組裝，甚至預組裝Arduino模塊的成本不到50美元 2）跨平臺Arduino軟件（IDE）可運行在Windows，Macintosh OSX和Linux操作系統(tǒng)。大多數(shù)微控制器系統(tǒng)僅限于Windows。 3）Arduino的軟件編程環(huán)境（IDE）簡單、清晰，易于使用，適合初學者，高級用戶利用也夠靈活。 4）開放源代碼和可擴展的軟件- Ardu

14、ino軟件發(fā)布為開放源代碼工具，可供有經(jīng)驗的程序員擴展。語言可以通過C+庫擴大，也可以添加avr-c代碼直接到你的Arduino程序。3.2 體溫采集模塊3.2.1體溫采集模塊概述GY-MCU90615是一款低成本紅外測溫模塊，工作電壓在3-5V左右。對IR靈敏的熱電堆探測器芯片和信號處理ASSP被集成在同一TO-46密封罐封裝里。由于集成了低噪聲放大器，16位ADC和強大的DSP單元，使得高度集成和高精度的溫度計得以實現(xiàn)。溫度計具備出廠校準和數(shù)字的SMBus兼容界面。讀數(shù)精度為0.02。MLX90615產(chǎn)品的感應(yīng)元件是一款帶有可感受目標紅外輻射的微機械振膜晶片。Melexis的這種技術(shù)經(jīng)過多

15、年工業(yè)和汽車溫度測量領(lǐng)域中的應(yīng)用，已經(jīng)得到了充分的證實。溫度計中定制的信號調(diào)節(jié)芯片能夠放大并數(shù)字化感應(yīng)振膜上的熱電偶產(chǎn)生的微小電壓，同時芯片存儲器中儲存了工廠設(shè)定的刻度參數(shù)，能夠用來準確的計算目標體的溫度。數(shù)字形式顯示的溫度是完全線性的，并且會對環(huán)境溫度進行補償。高度的整合性使得MLX90615與過去紅外產(chǎn)品相比具有更高的性價比。 3.2.2 測溫原理 MLX90615測溫的原理主要是根據(jù)黑體輻射定律，由于任何物體都會不斷吸收、輻射電磁波，而這種吸收與輻射存在一定的關(guān)系，即物體對紅外線的發(fā)射率與吸收比存在一定的關(guān)系。當溫度變化時，所發(fā)射出的紅外線波長也會隨之變化，溫度越高，波長越短。

16、MLX90615可以測量目標的紅外輻射，通過不同輻射之間的微小差異便可以準確測量出目標的溫度。3.2.3模塊通信協(xié)議 串口發(fā)送命令字節(jié)：（1）、串口通信參數(shù)（默認波特率值115200 bps，可通過軟件設(shè)定）          波特率：9600 bps     校驗位：N   數(shù)據(jù)位：8   停止位：1波特率：115200 bps   校驗位：N   數(shù)據(jù)位：8

17、60;  停止位：1（2）、模塊輸入命令，由外部控制器發(fā)送至GY-MCU90615模塊（十六進制）   1、幀頭：0xa5指令格式：幀頭+指令+校驗和(8bit)（如自動讀取溫度指令=0xA5+0x45+0xEA）2、命令指令： 連續(xù)輸出指令：       0xA5+0x45+0xEA-溫度數(shù)據(jù)（模塊返回數(shù)據(jù)類型為0x45）查詢輸出指令：0xA5+0x15+0xBA -溫度數(shù)據(jù)（模塊返回數(shù)據(jù)類型為0x45）配置指令：(掉電重啟后生效)  波特率配置：0xA5+0xA

18、E+0x53 -96000xA5+0xAF+0x54 -115200（默認）上電是否自動發(fā)送溫度數(shù)據(jù)配置：0xA5+0x51+0xF6-上電后自動輸出溫度數(shù)據(jù)0xA5+0x52+0xF7-上電后不自動輸出溫度數(shù)據(jù)(默認)通信協(xié)議 串口接收：（1）、串口通信參數(shù)（默認波特率值115200 bps，可通過軟件設(shè)定）          波特率：9600 bps     校驗位：N   數(shù)據(jù)位：8   停止位：1波特率：115200

19、bps   校驗位：N   數(shù)據(jù)位：8   停止位：1（2）、模塊輸出格式，每幀包含9個字節(jié)（十六進制）： .Byte0:   0x5A        幀頭標志  .Byte1:   0x5A        幀頭標志 .Byte2:   0X45 &

20、#160;      本幀數(shù)據(jù)類型（0X45：溫度數(shù)據(jù)） .Byte3:   0x04       數(shù)據(jù)量（以下4個數(shù)據(jù)2組為例） .Byte4:   0x000xFF   數(shù)據(jù)1高8位 .Byte5:   0x000xFF   數(shù)據(jù)1低8位 .Byte6:   0x000xFF   數(shù)據(jù)2高8位.

21、Byte7:   0x000xFF   數(shù)據(jù)2低8位.Byte8:   0x000xFF   校驗和（前面數(shù)據(jù)累加和，僅留低8位）       （3）、數(shù)據(jù)計算方法溫度計算方法 ：溫度= 高8位<<8|低8位（結(jié)果為實際角度乘以100）3.3脈搏采集模塊3.3.1腕帶式脈搏傳感器概述Heart Rate Wristband是腕帶式版本的心率測量模塊，主要由光源、光敏器件，以及相應(yīng)的信號調(diào)理控制電路構(gòu)成。還有一款與其相似的傳感

22、器HR-CLAMP，HR-CLAMP是指夾式心率采集傳感器，盡管兩者都是采用光電法的原理間接測量脈搏，但HR-CLAMP是透射式，而腕帶版采用的是反射式。較結(jié)果來說，二者測量時都較為靈敏，但指夾式抗干擾能力更強，波形更穩(wěn)定。3.3.2反射式光電法  根據(jù)郎伯-比爾（Lambertbeer）定律,物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度成正比，當恒定波長的光照射到人體組織上時,通過人體組織吸收、反射、衰減后測量到的光強在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織,其中非血液組織的光吸收量是恒定的,而在血液中,靜脈血的搏動相對于動

23、脈血是十分微弱的,可以忽略。因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的,那么在恒定波長的光源的照射下,通過檢測手指反射的光強可以間接測量到人體的脈搏信號。反射式光電法中，可穿戴設(shè)備上的發(fā)生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所測部位的同一側(cè)，主要測量反射回來的光。這種方法測量心率的優(yōu)點是非常簡便，對測量部位的要求也很低，只要組織比較平滑且皮下脂肪少的的地方幾乎都可以測量，比如額頭、手腕。因此，大部分智能手環(huán)、智能手表等穿戴設(shè)備都采用了這種方法測量心率。而且，以智能手環(huán)或智能手表的產(chǎn)品形式出現(xiàn)也完美地解決了透射式光電法中心率監(jiān)測與佩戴舒適的雙重要求。 不過，反射式

24、光電法雖然在穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)良好，但是當設(shè)備戴在手腕末端，會隨著使用者走路或無規(guī)則運動而像鐘擺一般上下蕩，離心力將使得血液量出現(xiàn)大變化；當血管收縮壓與離心力在血液中交互作用，就更難分辨血管中的血量。因此可能降低心率數(shù)據(jù)的準確度。此外，可穿戴設(shè)備佩戴的松緊和人體皮膚血流量的大小也會影響到監(jiān)測準確度。3.4 Arduino Ethernet W5100模塊3.4.1 W5100模塊概述 Arduino Ethernet W5100網(wǎng)絡(luò)擴展模塊，可以使Arduino成為簡單的Web服務(wù)器或者通過網(wǎng)絡(luò)控制讀寫Arduino的數(shù)字和模擬接口等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 Arduino Ethernet是基于ATmega3

25、28的微控制器，具有14個數(shù)字輸入/輸出引腳，6個模擬輸入，1個16MHz晶振，1個RJ45，一個供電口，一個ICSP接口，和一個復位按鈕。Arduino Ethernet 可以有很多設(shè)備與計算機，另一個或者其他微控制器通信。SoftwareSerial library 可以使Uno上的任意數(shù)字引腳做串口通信。第4章 模塊功能設(shè)計與調(diào)試4.1體溫采集4.1.1MLX90615線路連接MLX90615小巧精悍，連線很簡單，只需要將VCC連到Arduino的5V電壓上，GND接地，RX與TX分別接11、10。具體連線如下圖所示：圖4.1 溫度傳感器硬件連接圖4.1.2設(shè)計思路及流程 在Arduin

26、o的控制下，利用MLX90615模塊進行采集，上傳至PC端進行顯示。具體流程如下圖所示：圖4.2 溫度傳感器工作流程圖4.1.3 數(shù)據(jù)顯示MLX90615可以同時監(jiān)測環(huán)境溫度與人體體溫，測量結(jié)果可以顯示在ARDUINO的串口監(jiān)視器或1062顯示屏上（1062顯示屏也需要開發(fā)），也可以使用其他程序。串口監(jiān)視器顯示數(shù)據(jù)如下：圖4.3 溫度傳感器數(shù)據(jù)顯示圖TA為環(huán)境溫度，T0是人體溫度，因為測量部位為手指，且環(huán)境溫度會對體溫造成一定的影響，所以數(shù)據(jù)較為準確。4.2脈搏采集4.1.1脈搏傳感器硬件連接脈搏傳感器與Arduino連線簡單，只需要VCC接9V，GND接GND，A0接A0即可。具體連接見下圖

27、：圖4.4 脈搏傳感器硬件連接4.2.2數(shù)據(jù)顯示腕帶式脈搏傳感器的輸出信號是模擬信號，可以直接使用示波器觀察，而要想用Arduino處理就必須連接A0作為AD模擬信號采集口，因為采集到的數(shù)據(jù)是模擬信號，觀察起來不夠方便、直接。如下圖所示：圖4.5 脈搏傳感器串口監(jiān)視器顯示為了直觀的顯示脈搏，可以選用一些上位機軟件，這里我使用的是DL Serial Graph V0.1，這款軟件功能簡單，操作方便，其功能包括：1） 自動檢測端口，只需點擊刷新串口就能檢測到你當前使用的端口；2） 有斷幀功能，可以顯示每一幀的整個一幀數(shù)據(jù)，并且將幀頭、幀功能、幀校驗，一幀的九個數(shù)據(jù)都顯示出來，較為直觀；3） 可以演

28、示波形。下圖即為DL Serial Graph V0.1顯示的脈搏傳感器數(shù)據(jù)：圖4.6 上位機數(shù)據(jù)輸出顯示圖4.7 上位機波形顯示第5章 系統(tǒng)功能實現(xiàn)5.1 代碼合成 整個人體健康監(jiān)測系統(tǒng)是由Arduino、腕帶式脈搏傳感器、MLX90615、W5100網(wǎng)絡(luò)模塊4個部分構(gòu)成的，要想讓他們組成一個系統(tǒng)并不是簡單的合成，因為涉及到一個問題Arduino一次只能燒錄一個代碼。這是由Arduino本身的特性造成的問題，所以我們必須修改代碼，但是不同的模塊之間很容易發(fā)生沖突，波特率的沖突，串口輸出的沖突，代碼編寫很容易出現(xiàn)問題。 實際上要想解決這個問題并不困難，可以將各個模塊的代碼作為子程序，最后再進行調(diào)用，這個方法簡單方便