引 言

體溫是機(jī)體不斷新陳代謝的結(jié)果，同時(shí)體溫又是機(jī)體功能活動(dòng)正常進(jìn)行的重要保障。在正常情況下，人體溫度不隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，保持在 37 ℃左右。但是當(dāng)人體內(nèi)的某些機(jī)能發(fā)生變化或某些部位產(chǎn)生病變時(shí)，恒定的體溫將會(huì)發(fā)生改變。在臨床醫(yī)學(xué)中，體溫是一個(gè)重要的生理參數(shù)，病人的體溫為醫(yī)生提供了了解生理狀況的重要信息，同時(shí)還可以對(duì)某些重大疾病或隱藏于身體內(nèi)部的健康問(wèn)題起到積極的預(yù)防和警示作用 [1]。所以人們需要并有必要實(shí)時(shí)了解自身的體溫狀況，使自己的體溫維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

針對(duì)人們對(duì)自身體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)擁有 128×64 大小 OLED 顯示屏的智能多功能手表，主要采用 STM32F103C8T6 單片機(jī)作為系統(tǒng)主控單元，將德州儀器設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 TMP100 作為溫度采集傳感器。該手表可實(shí)時(shí)記錄采集的數(shù)據(jù)與每日運(yùn)動(dòng)量，并對(duì)人體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)用戶獲得自身的健康數(shù)據(jù)后便可以采取相應(yīng)措施使自己保持健康的狀態(tài)。在這基礎(chǔ)之上，本文采用更低功耗的主控芯片與外圍器件，提高設(shè)備的續(xù)航能力，優(yōu)化用戶操作界面， 使設(shè)備能真正運(yùn)用到生活中，為實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)提供可能。

1 系統(tǒng)功能介紹

本文設(shè)計(jì)的智能手表主要具有時(shí)鐘功能、體溫實(shí)時(shí)檢測(cè)功能和計(jì)步功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

(1) 在時(shí)鐘功能界面下，用戶可以選擇手動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間。

(2) 在體溫檢測(cè)功能界面下，用戶可以查看此刻自身的體溫，也可以查看當(dāng)天自身體溫的變化情況。

(3) 在計(jì)步功能界面下，用戶可以查看當(dāng)天的累計(jì)步數(shù)，了解自身運(yùn)動(dòng)量。

圖 1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

此外，用戶在使用設(shè)備的過(guò)程中一旦體溫下降或者上升， 低于或超過(guò)閾值，則系統(tǒng)會(huì)向用戶發(fā)出警告，提醒用戶此刻體溫處于非正常狀態(tài)，用戶可根據(jù)自身情況及時(shí)處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成及原理

多功能智能手表系統(tǒng)硬件主要由電源管理模塊、主控芯片模塊、溫度傳感器模塊、加速度傳感器模塊和 OLED 液晶顯示器與按鍵組成，硬件系統(tǒng)的組成及連接關(guān)系如圖 2 所示。電源管理模塊將不穩(wěn)定的電池電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的 3.3 V 穩(wěn)定電壓，并輸送給各個(gè)模塊。主控芯片從溫度傳感器和加速度傳感器獲取采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，最終通過(guò)人機(jī)交互模塊顯示出來(lái)。

2.2 系統(tǒng)主要硬件模塊設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6 是一款基于 ARM 32 位 Cortext M3 內(nèi)核的單片機(jī)，具有 2.0 ～ 3.6 V 的寬電壓供電范圍，CPU 工作頻率最大可達(dá) 72 MHz，具有單周期乘法指令和硬件除法功能，以及優(yōu)先級(jí)可編程的中斷系統(tǒng) [2]。同時(shí)它還具有 64 KB 的 FLASH 存儲(chǔ)器與 20 KB 的 SRAM 存儲(chǔ)器， 集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，如看門狗，定時(shí)器，GPIO 口，DMA 控制器， ADC，UART，SPI 接口，I2C 接口等，具有成本低、速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn) [3]。

圖 2 系統(tǒng)硬件框圖

人體溫度采集傳感器采用德州儀器生產(chǎn)的 TMP100。TMP100 是一個(gè) SOT23-6 封裝的兩線串行輸出溫度傳感器， 無(wú)需其他元器件，精度可達(dá) 0.062 5 ℃。此外 TMP100 具有系統(tǒng)管理總線以及 I2C 接口的兼容性，可在總線上掛載 8 個(gè)設(shè)備。工作溫度為 -55 ～ 125 ℃，測(cè)量精度可通過(guò)程序編程選擇。TMP100 的器件地址由 ADD0 和 ADD12 個(gè)引腳決定， 引腳輸入與器件地址的關(guān)系見(jiàn)表 1 所列。根據(jù)設(shè)計(jì)原理與圖中 ADD0 和 ADD1 引腳接地可知，TMP100 的器件地址應(yīng)為0x48。

加速度傳感器模塊采用飛思卡爾，這是一款比較新的MMA8452 加速度傳感器。飛思卡爾是具有 12 位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器，其主要特性如下 ：

可以感受 X，Y，Z三個(gè)自由度的加速度信號(hào)，全方位感知人體運(yùn)動(dòng)信息。

具有 ±2g/±4g/±8g的可選量 程。 傳感器的靈敏度在 ±2g量程時(shí)為 1024個(gè)數(shù)字 /g， 靈敏度精度為±2.5％。

采集的加速度數(shù)據(jù)可以通過(guò)傳感器內(nèi)部的高通濾波器實(shí)時(shí)輸出，濾波器的截止頻率可以通過(guò)軟件設(shè)置，也可以不經(jīng)過(guò)濾波器直接輸出。輸出信號(hào)被轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字量信號(hào)， 經(jīng)I2C接口輸出，輸出數(shù)據(jù)速率在1.25～800 Hz之間，可調(diào)[4]。電源管理芯片采用德州儀器設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 TPS79333，其具有超低噪聲、高 PSRR、快速射頻、高電平啟用的 200 mA低壓降穩(wěn)壓器，可將 3.7 ～ 5 V 的電源電壓穩(wěn)定在 3.3 V，具有體積小、效率高、噪聲小等特點(diǎn) [5-7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序主框架搭建

本文設(shè)計(jì)采用主循環(huán)和定時(shí)器中斷相結(jié)合的運(yùn)行框架。主循環(huán)中實(shí)現(xiàn) OLED 顯示功能。定時(shí)器可定時(shí)對(duì)溫度、加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和算法處理。程序主框架如圖 3 所示。

圖 3 程序主框架圖

時(shí)鐘功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時(shí)鐘模塊主要以定時(shí)器中斷為主，打開(kāi)一個(gè)定時(shí)器中斷， 中斷時(shí)間為0.1 s，累計(jì)600 次加1 分鐘，累計(jì)60 分鐘加1 小時(shí)，效果如圖 4 所示。

圖 4 時(shí)鐘界面圖

3.3 體溫監(jiān)測(cè)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

TSP100 溫度傳感器是一款數(shù)字傳感器，為 I2C 通信方式。ADD0 和 ADD1 同時(shí)接地，查表可知，器件地址為 0x90，初始化STM32F103C8T6 的I2C 后就可得到TSP100 采集的數(shù)據(jù)。相比其他等價(jià)傳感器，TSP100 溫度傳感器的精度較高，但也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境等因素產(chǎn)生一些噪音（噪音可控），本文采用中位值濾波解決該問(wèn)題。體溫檢測(cè)界面效果如圖 5 所示。

圖 5 測(cè)溫界面圖

3.4 記步功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MMA8452 加速度傳感器是一款數(shù)字輸出傳感器，與采集溫度的方式相同，不同之處在于加速度傳感器是慣性傳感器，在靜態(tài)狀態(tài)下能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，但運(yùn)動(dòng)后其數(shù)據(jù)變化較大。如果將處于運(yùn)動(dòng)中的加速度計(jì)的返回值以時(shí)間為X 軸，值為 Y 軸，靜態(tài)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)一條平滑的曲線，運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)是雜亂無(wú)章的噪點(diǎn)，所以對(duì)加速度傳感器的采集值進(jìn)行濾波十分必要。本文設(shè)計(jì)采用低通濾波和防脈沖干擾平均濾波相結(jié)合的方式 [8-12]。

當(dāng)對(duì)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，默認(rèn)當(dāng)前獲得的數(shù)值即實(shí)際數(shù)值，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使之轉(zhuǎn)化為需要的步數(shù)。據(jù)研究，距離、速度、加速度等都可以作為描述人體行走狀態(tài)的參數(shù)。近年來(lái)，由于 MEMS 加速度傳感器的快速發(fā)展和其優(yōu)越特性，被廣泛用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。行走時(shí)腳、腿、腰、手臂都在運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，垂直方向的加速度信號(hào)變化最大。人行走的過(guò)程分析 ：腳蹬地離開(kāi)地面是一步的開(kāi)始，此時(shí)由于地面的反作用力，垂直加速度開(kāi)始增大，身體重心上移，當(dāng)腳要達(dá)到最高位置時(shí)垂直加速度達(dá)到最大，然后腳向下運(yùn)動(dòng)，垂直加速度開(kāi)始減小，直至腳著地，加速度減小至最小值，接著下一次邁步發(fā)生。利用腰部的垂直加速度來(lái)檢測(cè)步數(shù)是可行的，通過(guò)對(duì)加速度的峰值檢測(cè)可以得到行走的步數(shù) [13-15]。

一對(duì)連續(xù)的波峰和波谷代表了人體行走的一步，本文采用統(tǒng)計(jì)波峰的方法來(lái)統(tǒng)計(jì)步數(shù)。由于人體運(yùn)動(dòng)一般不會(huì)超過(guò)5 步 /s，即在 1 s 內(nèi)理論上不會(huì)出現(xiàn)多于 5 個(gè)波峰，連續(xù)兩個(gè)波峰之間的時(shí)間差也不會(huì)小于0.2 s。設(shè)定采樣頻率為50次/s，記錄采樣時(shí)間 t 和 Z 軸的加速度信息 Acc。如果一個(gè)點(diǎn)的 Acc值比前后各兩次采樣值都大，則視為一個(gè)極大值并將該信息與前一個(gè)極值的時(shí)間差 Δt 及 Acc 值存入一個(gè)二維鏈表。時(shí)間差 Δt 代表兩個(gè)假定步伐之間的時(shí)間差，如果 Δt 小于 0.2 s，則將兩個(gè)極大值中 Acc 較小者視為采樣噪點(diǎn)，從二維鏈表中去掉，并將剩下的數(shù)據(jù)重新與鏈表中前一記錄比較，大于0.2 s 且 Acc 值比前后 Acc 值都小 20% 或者更多，也視為噪點(diǎn)去掉。剩下的極大值就確定為一個(gè)有效步伐 [10]。最后系統(tǒng)可獲得比較精準(zhǔn)的計(jì)步結(jié)果，如圖 6 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)步數(shù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)的智能可穿戴多功能手表。通過(guò)理論與實(shí)踐的結(jié)合，從硬件實(shí)現(xiàn)與軟件實(shí)現(xiàn)切入，清晰展現(xiàn)了軟硬件的設(shè)計(jì)流程，并提供了解決辦法。從實(shí)現(xiàn)結(jié)果可以看出，本文的設(shè)計(jì)方案可行，能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)個(gè)人每日運(yùn)動(dòng)量的實(shí)時(shí)記錄，當(dāng)體溫處于不正常數(shù)據(jù)值時(shí)，智能手表又能給出相應(yīng)的提示警告，從而方便用戶根據(jù)獲取的體溫及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)自身的健康狀況及時(shí)做出處理。