基于STM32的健康监测系统设计与实现

[6]，VCC引脚连接到STM32F103C8T6的5V电源引脚。D0-D7引脚分别连接到STM32单片机的PA0-PA7引脚。RS引脚连接到STM32单片机的PC13引脚，该引脚为寄存器选择脚，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW引脚连接到STM32单片机的PC14引脚，该引脚为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或显示地址；当RS为低电平，RW为高电平时，可以读忙信号；当RS为高电平，RW为低电平时，可以写入数据。EN引脚连接到STM32单片机的PC15引脚，该引脚为使能端，当EN端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。LCD1602原理如图4-14所示。图4-14LCD显示模块的原理图4.8蜂鸣器模块电路当系统检测到的参数指标超过设定好的报警阈值后，蜂鸣器报警装置就会发出刺耳的响声来提示，蜂鸣器报警装置采用的是发光二极管，如果体温、心率和血氧各个参数其中一个超过报警阈值后，LED灯便亮起报警，方便观察。给人们对自身生命体征信号检测带来了极大的便利。蜂鸣器模块原理如图4-15所示。图4-15蜂鸣器模块原理图

5系统实现5.1心率血氧采集STM32单片机向MAX30102模块发送初始化配置命令，MAX30102向测量对象发送红色信号，MAX30102使用接收传感器检测反射信号。下一步，将由STM32单片机进行处理检测，以确定其有效性。如图5-1所示为心率、血氧饱和度数据采集软件的流程。图5-1心率血氧采集流程图调用计算心率、计算血氧饱和度的函数，将原始数据转换成实际的心率、血氧饱和度。然后将心率、血氧饱和度同时显示在LCD屏幕上和手机客户端，方便用户查看，再根据心率、血氧饱和度是否超过预设阈值来触发警报，以提醒用户可能存在的异常情况。心率和血氧饱和度数据采集处理实现如代码5-1所示。代码5-1采集和处理数据//将前50组样本数据丢弃，并将后100组数据移到缓冲区顶部for(i=50;i<150;i++){//移动红光传感器数据到缓冲区顶部aun_red_buffer[i-50]=aun_red_buffer[i];//移动红外传感器数据到缓冲区顶部aun_ir_buffer[i-50]=aun_ir_buffer[i];}//读取下一批50组样本数据，并计算LED亮度for(i=100;i<150;i++){//从MAX30102FIFO中读取数据到红外和红光传感器缓冲区maxim_max30102_read_fifo((aun_ir_buffer+i),(aun_red_buffer+i));//计算LED亮度if(aun_red_buffer[i]>aun_red_buffer[i-1])//比较当前和前一组红光传感器数据{//计算亮度下降un_brightness-=(aun_red_buffer[i]-aun_red_buffer[i-1])*MAX_BRIGHTNESS/(un_max-un_min);//保证亮度不会小于0if(un_brightness<0)un_brightness=0;}else{//计算亮度上升un_brightness+=(aun_red_buffer[i-1]-aun_red_buffer[i])*MAX_BRIGHTNESS/(un_max-un_min);//保证亮度不会大于最大亮度值if(un_brightness>MAX_BRIGHTNESS)un_brightness=MAX_BRIGHTNESS;}}5.2体温采集DS18B20是三脚温度传感器，通过单总线通信传输采集到的体温信息。体温采集流程为单片机断开数据线至少480uS，用15-60uS松开数据线，直到DS18B20收到信号。温度传感器DS18B20收到信号后断开至少60-240uS的数据线，主机检测到数据线发送ROM命令，主机须发送连接ROM命令到系统的DS18B20。SCM使用RAM来执行DS18B20中的RAM操作，比如读取和设置寄存器值。得到实际测量人体温度后，如果超过设定阈值时蜂鸣器将会报警。如图5-2为体温采集流程。图5-2体温采集流程图使能DS18B20使用的GPIO端口时钟，然后配置GPIO引脚为推挽输出模式，设置输出速度为50MHz，最后将数据线置高，如代码5-2所示。代码5-2初始化GPIOvoidDS18B20_GPIO_Init(void){//配置DS18B20数据线GPIOGPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_DS18B20_PORT,ENABLE);//使能端口时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=DS18B20_GPIO_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//GPIO速度为50MHzGPIO_Init(DS18B20_GPIO_PORT,&GPIO_InitStructure);//将数据线置高GPIO_SetBits(DS18B20_GPIO_PORT,DS18B20_GPIO_PIN);}发送DS18B20的初始化序列，然后等待DS18B20的响应，如果超时则返回初始化失败的状态，如代码5-3所示。代码5-3DS18B20初始化u8DS18B20_Init(void){unsignedcharwait=0;//发送初始化序列DS18B20_IO_OUT();DS18B20_OUT_0;delay_us(750);DS18B20_OUT_1;delay_us(15);DS18B20_IO_IN();//等待DS18B20响应while(READ_DS18B20_IO&&wait++<200)delay_us(1);if(wait>=200)return1;elsewait=0;while(!READ_DS18B20_IO&&wait++<240)delay_us(1);if(wait>=240)return1;elsereturn0;}从DS18B20传感器中读取一个字节的数据，通过循环读取每一位，并根据时序接收数据位，如代码5-4所示。代码5-4读取数据unsignedcharDS18B20_ReadByte(void){unsignedchari;unsignedchardat=0;//读取一个字节的数据for(i=0;i<8;i++){dat>>=1;DS18B20_IO_OUT();DS18B20_OUT_0;delay_us(2);DS18B20_OUT_1;DS18B20_IO_IN();delay_us(12);if(READ_DS18B20_IO)dat|=0x80;delay_us(60);}returndat;}向DS18B20传感器中写入一个字节的数据，通过循环写入每一位，并根据时序产生时钟信号，如代码5-5所示。代码5-5写入数据voidDS18B20_WriteByte(unsignedchardat){unsignedchari;unsignedchartemp;//写入一个字节的数据DS18B20_IO_OUT();for(i=1;i<=8;i++){temp=dat&0x01;dat=dat>>1;if(temp){DS18B20_OUT_0;delay_us(2);DS18B20_OUT_1;delay_us(60);}else{DS18B20_OUT_0;delay_us(60);DS18B20_OUT_1;delay_us(2);}}}读取DS18B20传感器中的温度值，包括发送开始转换命令、读取温度值的原始数据并转换为实际温度值，最终返回，如代码5-6所示。代码5-6读取温度值floatReadTemperature(void){unsignedcharTPH;unsignedcharTPL;shorti16=0;floatf32=0;//初始化DS18B20并开始转换温度DS18B20_Init();DS18B20_WriteByte(0xCC);DS18B20_WriteByte(0x44);DS18B20_Init();DS18B20_WriteByte(0xCC);DS18B20_WriteByte(0xBE);//读取温度值TPL=DS18B20_ReadByte();TPH=DS18B20_ReadByte();i16=0;i16=(TPH<<8)|TPL;f32=i16*0.0625;return(f32);}5.3WIFI数据传输将电源和单片机连接供电，WIFI模块进行初始化，采集的体温，心率和血氧饱和度数据经过STM32单片机处理后，手机客户端连接到ESP8266建立的热点连接，成功连接后ESP8266实时传输体温、心率和血氧饱和度数据到手机客户端，手机客户端即可查看检测到的体温、心率和血氧饱和度的数据，WIFI数据传输流程如图5-3所示。图5-3数据传输流程图初始化ESP8266，定义一个WIFI网络的名称yi和密码12345678，用于创建WIFI热点，使手机能够通过客户端软件连接到ESP8266WIFI模块，并且通过WIFI将体温，心率和血氧饱和度数据传输到手机客户端，如代码5-7所示。代码5-7WIFI模块voidESP8266_Init(void){uart1_Init(115200);//初始化串口1，波特率设置为115200ESP8266_Clear();//清空ESP8266缓冲区while(ESP8266_SendCmd("AT\r\n\r","OK",200))//发送指令并等待“OK”响应，最长等待时间为200毫秒delay_ms(500);//延时500毫秒while(ESP8266_SendCmd("AT+CWMODE=2\r\n","OK",200))delay_ms(500);while(ESP8266_SendCmd("AT+CWSAP=\"yi\",\"12345678\",5,3\r\n","OK",200))delay_ms(500);while(ESP8266_SendCmd("AT+CIPMUX=1\r\n","OK",200))delay_ms(500);while(ESP8266_SendCmd("AT+CIPSERVER=1,8080\r\n","OK",200))delay_ms(500);}5.4LCD数据显示LCD1602显示屏启动后，屏幕会显示load字符提示等待初始化完成，等待几秒显示屏初始化完成后，显示屏显示心率，血氧饱和度和体温三项数据。在软件算法方面，通过MAX30102的心率、血氧饱和度模块、DS18B20的温度模块向LCD显示屏发送控制信号，WIFI模块将数据无线传输到手机客户端进行实时监控，显示模块工作流程如图5-4所示。图5-4显示模块流程图LCD设置为命令模式，命令数据写入LCD的数据总线，并通过使能脚告知LCD数据已准备好，最后关闭使能，如代码5-8所示。代码5-8发送命令voidLCD_Write_Com(unsignedcharcom){LCD1602_RS=0;//选择发送命令delay_us(1);LCD1602_RW=0;//设置为写模式delay_us(1);LCD1602_EN=1;//使能LCDdelay_us(1);GPIO_Write(GPIOA,(GPIO_ReadOutputData(GPIOA)&0XFF00)+Dao_xu(com));//向引脚写入反转后的命令数据delay_us(100);LCD1602_EN=0;//关闭使能}LCD设置为数据模式，要发送的数据写入LCD的数据总线，并通过使能脚告知LCD数据已准备好，最后关闭使能，如代码5-9所示。代码5-9发送数据voidLCD_Write_Data(unsignedcharData){LCD1602_RS=1;//选择发送数据delay_us(1);LCD1602_RW=0;//设置为写模式delay_us(1); LCD1602_EN=1;//使能LCDdelay_us(1);GPIO_Write(GPIOA,(GPIO_ReadOutputData(GPIOA)&0XFF00)+Dao_xu(Data));//向引脚写入反转后的数据delay_us(100);LCD1602_EN=0;//关闭使能}根据参数确定显示的行（y）和列（x），将单个字符或者字符串写入LCD显示屏，如代码5-10所示。代码5-10写入字符voidLCD_Write_String(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*s){if(y==0){LCD_Write_Com(0x80+x);//设置显示位置在第一行}else{LCD_Write_Com(0xC0+x);//设置显示位置在第二行}while(*s)//循环直到遇到字符串结束符{LCD_Write_Data(*s);//逐字符写入显示数据s++;//指针移动到下一个字符}}voidLCD_Write_Char(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedcharData){if(y==0){LCD_Write_Com(0x80+x);//设置显示位置在第一行}else{LCD_Write_Com(0xC0+x);//设置显示位置在第二行}LCD_Write_Data(Data);//写入要显示的字符}voidLCD_Clear(void){LCD_Write_Com(0x01);//发送清屏命令delay_ms(5);//延时等待清屏完成}初始化GPIO引脚为输出模式，发送一系列初始化命令给LCD，包括设置为8位数据接口、显示2行、关闭显示、清屏、设置光标移动等，如代码5-11所示。代码5-11初始化LCDvoidLCD_Init(void){//初始化GPIO引脚RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);//发送LCD初始化命令LCD_Write_Com(0x38);//设置为8位数据接口，显示2行，5x7点阵delay_ms(5);LCD_Write_Com(0x08);//关闭显示delay_ms(5);LCD_Write_Com(0x01);//清屏delay_ms(5);LCD_Write_Com(0x06);//光标移动设置delay_ms(5);LCD_Write_Com(0x0C);//开启显示，不显示光标delay_ms(5);}5.5客户端软件实现首先手机端运行客户端软件，点击连接按钮。连接到STM32单片机的ESP8266数据传输模块。当连接成功后，手机客户端等待接收STM32单片机发送的数据。接收到数据后，根据数据内容更新界面显示，同时可以发送控制命令到STM32单片机，如修改阈值。客户端软件工作流程和软件界面分别如图5-5，图5-6所示。图5-5客户端软件流程图图5-6软件界面打开软件，主活动代码会初始化界面和布局，软件启动时会请求所需的权限，如果未获得位置权限，则将其添加到权限列表中，并请求权限。获取位置权限后，继续获取手机系统的WIFI服务权限，并检查WIFI是否启用。如果WIFI未启用，显示打开WIFI失败提示用户。创建了一个新的线程，在这个线程中检查WIFI是否已经启用，如果没有，则尝试启用WIFI，如代码5-12所示。代码5-12启用WIFIList<String>permissionList=newArrayList<>();If(ContextCompat.checkSelfPermission(MainActivity.this,Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION)!=PackageManager.PERMISSION_GRANTED){permissionList.add(Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION);}if(!permissionList.isEmpty()){String[]permissions=permissionList.toArray(newString[permissionList.size()]);ActivityCompat.requestPermissions(MainActivity.this,permissions,1);}wifiiManager=(WIFIManager)getApplicationContext().getSystemService(Context.WIFI_SERVICE);if(!wifiManager.isWIFIEnabled()){Toast.makeText(this,"打开WIFI失败！",Toast.LENGTH_LONG).show();finish();return;}newThread(){SuppressLint("MissingPermission")publicvoidrun(){if(!wifiManager.isWIFIiEnabled()){wifiManager.setWIFIEnabled(true);}}}.start();在用户触摸屏幕时检查是否需要隐藏软键盘。当用户点击屏幕时，首先获取当前获取焦点的控件。如果需要隐藏软键盘，就会清除控件的焦点，使光标消失，并且隐藏软键盘，如代码5-13所示。代码5-13检查是否需要隐藏软键盘publicbooleandispatchTouchEvent(MotionEventev){if(ev.getAction()==MotionEvent.ACTION_DOWN){Viewv=getCurrentFocus();if(isShouldHideKeyboard(v,ev)){v.clearFocus();//清除Edittext的焦点从而让光标消失hideKeyboard(v.getWindowToken());}}returnsuper.dispatchTouchEvent(ev);}privatevoidhideKeyboard(IBindertoken){if(token!=null){//若token不为空则获取输入法管理器使其隐藏输入法键盘InputMethodManagerim=(InputMethodManager)getSystemService(Context.INPUT_METHOD_SERVICE);im.hideSoftInputFromWindow(token,InputMethodManager.HIDE_NOT_ALWAYS);}}连接到指定的WIFI网络。当连接成功时，会弹出一个消息提示连接成功了，否则弹出连接失败，如代码5-14所示。代码5-14WIFI连接提示//响应startActivityForResult()返回的结果publicvoidonActivityResult(intrequestCode,intresultCode,Intentdata){if(requestCode==REQUEST_CONNECT_DEVICE&&resultCode==Activity.RESULT_OK){//连接结果，由DeviceListActivity设置返回//直接连接特定的WIFI网络Stringssid="yi";Stringpassword="12345678";//连接WiFibooleanconnected=connectToWifi(ssid,password);//根据连接结果显示提示信息Toast.makeText(this,connected?"连接WIFI成功！":"连接WIFI失败！",Toast.LENGTH_SHORT).show();}}//连接WIFI的方法privatebooleanconnectToWifi(Stringssid,Stringpassword){//设置WIFI配置信息WifiConfigurationwifiConfig=newWifiConfiguration();wifiConfig.SSID="\""+ssid+"\"";wifiConfig.preSharedKey="\""+password+"\"";//获取WIFI管理器WifiManagerwifiManager=(WifiManager)getApplicationContext().getSystemService(Context.WIFI_SERVICE);//添加WIFI网络配置，并获取网络IDintnetworkId=wifiManager.addNetwork(wifiConfig);//如果成功添加网络配置if(networkId!=-1){//断开当前连接wifiManager.disconnect();//启用指定网络wifiManager.enableNetwork(networkId,true);//重新连接WIFI网络returnwifiManager.reconnect();}returnfalse;}当有新消息到达时，检查消息内容是否包含特定的标记，这些标记代表着不同的健康指标，比如心率、血氧饱和度、体温。发现消息中包含了这些标记，便从消息中提取相应的数值，并将这些数值更新到客户端界面上，以便用户可以清楚地看到当前的健康状态，让用户可以方便地实时监测自己的健康指标，提升了用户对健康状况的感知和管理，如代码5-15所示。代码5-15数据展示Handlerhandler=newHandler(){publicvoidhandleMessage(Messagemsg){super.handleMessage(msg);processMessage(smsg);smsg="";//清空smsg，以便下一次接收数据时使用}privatevoidprocessMessage(Stringmessage){intintIndex1=message.indexOf("$hear:");if(intIndex1!=-1){setTextForTextView(R.id.textViewHeartrate,message,intIndex1);}intintIndex2=message.indexOf("$spo2:");if(intIndex2!=-1){setTextForTextView(R.id.textViewSpo2,message,intIndex2);}intintIndex3=message.indexOf("$temp:");if(intIndex3!=-1){setTextForTextView(R.id.textViewTemperature,message,intIndex3);}}privatevoidsetTextForTextView(inttextViewId,Stringmessage,intindex){Stringstr=message;TextViewtextView=findViewById(textViewId);textView.setText(str.substring(index+6,str.indexOf("#",index)));}};当用户点击连接按钮时，如果WIFI未开启，则会提示用户打开WIFI并尝试打开WIFI。如果WIFI已经可用且尚未连接设备，则会打开一个设备列表页面进行设备搜索。当用户点击断开连接按钮时，如果当前已经建立了连接，则会关闭连接，停止数据传输，并弹出消息提示WIFI已断开。当用户点击退出按钮时，会安全地关闭连接并退出应用，以避免异常情况发生。这些按钮的作用是控制与设备的连接状态，包括连接设备、断开连接和安全退出应用。这样用户就可以方便地管理与设备的通信，并保证在退出应用时不会出现异常情况，如代码5-16所示。代码5-16按键控制publicvoidonConnectButtonClicked(Viewview){if(!_wifi.isEnabled()){//如果WIFI不可用，提示用户打开WIFI并返回Toast.makeText(this,"打开WIFI中...",Toast.LENGTH_SHORT).show();_wifi.enable();return;}if(_socket==null){//如果未连接设备，打开设备列表页面进行搜索startActivityForResult(newIntent(this,DeviceListActivity.class),REQUEST_CONNECT_DEVICE);}}publicvoidonDisconnectionClicked(Viewview){if(_socket!=null){//关闭连接try{Toast.makeText(this,"WIFI断开",Toast.LENGTH_SHORT).show();bRun=false;//停止数据接收线程_socket.close();_socket=null;}catch(IOExceptione){}}}publicvoidonExitButtonClicked(Viewview){if(_socket!=null){//安全关闭连接try{bRun=false;//停止数据接收线程_socket.close();_socket=null;}catch(IOExceptione){}}finish();//退出应用}当用户点击发送调整阈值的指令时，会先检查是否连接上WIFI模块，如果连接为空，显示一条短暂的消息提醒用户连接WIFI模块。再检查各个文本输入框是否为空，如果为空则显示一条短暂的消息提醒用户输入数据，如代码5-17所示。代码5-17发送检查publicvoidonSendButtonClicked(Viewview){//检查客户端套接字和客户端打印写入器是否为空if(clientSocket==null||clientPrintWriter==null){//如果为空，显示一个短暂的提示消息，并返回Toast.makeText(this,"请先连接",Toast.LENGTH_SHORT).show();return;}//检查输入框中是否有数据if(edit0.getText().length()==0||edit1.getText().length()==0||edit2.getText().length()==0||edit3.getText().length()==0||edit4.getText().length()==0){//如果有任何一个输入框为空，显示一个短暂的提示消息，并返回Toast.makeText(this,"请先输入数据",Toast.LENGTH_SHORT).show();return;}}用户在界面上输入的一系列数据，如心率范围、体温范围、血氧饱和度范围，通过WIFI连接将阈值设置命令传输给STM32单片机。当用户点击发送按钮时，程序会从界面上获取用户输入的各项数据，并将其按照一定的格式打包成一个字节数组。接着，通过WIFI连接将命令发送给STM32单片机。STM32单片机收到数据后，可以根据这些数据进行相应的处理，比如根据用户设置的范围进行健康状态监测或警报等，如代码5-18所示。代码5-18发送阈值设置//获取心率最小值、最大值、体温最小值、最大值和血氧最小值的输入框文本视图TextViewedit0=findViewById(R.id.heartrate_min);TextViewedit1=findViewById(R.id.heartrate_max);TextViewedit2=findViewById(R.id.temperature_min);TextViewedit3=findViewById(R.id.temperature_max);TextViewedit4=findViewById(R.id.SPO2_Min);//获取输入框中的文本内容并转换为字符串finalStringstr1=edit0.getText().toString();finalStringstr2=edit1.getText().toString();finalStringstr3=edit2.getText().toString();finalStringstr4=edit3.getText().toString();finalStringstr5=edit4.getText().toString();//在新线程中执行网络操作，以避免阻塞UI线程newThread(newRunnable(){publicvoidrun(){//将数据格式化成字符串，并发送到服务器clientPrintWriter.println("hear_min:"+str1+","+"hear_max:"+str2+","+"temp_min:"+str3+","+"temp_max:"+str4+","+"spo2_min:"+str5+"\r\n");clientPrintWriter.flush();//刷新打印写入器}}).start();//启动新线程

6系统测试6.1硬件测试硬件测试首先要检查温度模块、心率血氧模块，数据传输模块是否有故障，LCD显示屏是否可以显示完整，蜂鸣器是否可以正常响应，USB接口供电电压是否满足设计要求，PCB线路需要避免交叉，布线不仅要协调，还要美观，使整个系统设计清晰易懂。硬件测试如图6-1所示，各功能模块正常。图6-1硬件测试图6.2软件测试使用Keil5编程软件对整个系统的各个模块进行编译，将温度检测程序、心率血氧检测程序、显示程序、无线传输程序、报警程序五大部分分开编写，软件调试出现代码问题就便于查看和纠正，全部程序无误就可以统一调试，最后还需该系统的局域网与无线传输模块保持一致，手机端客户端就能实时接收到采集的生命特征信号，确保软件调试的可靠稳定性，整个系统的数据读取、传输和检测各个功能都可以进行。软件编译测试结果如图6-2所示，软件编译成功无报错。图6-2软件测试图6.3测试结果系统软硬件开发完成后，需要启动软件运行，打开手机WIFI功能，将无线接入点连接到ESP8266数据传输模块，然后将指尖放在MAX30102传感器上进行心率和血氧饱和度检测，再用手握住DS18B20