CN112617362A

CN112617362A - 一种用于在校学生体质监测的智能手环

Info

Publication number: CN112617362A
Application number: CN202011219967.0A
Authority: CN
Inventors: 胡黄水; 韩博; 韩优佳
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-04-09

Abstract

本发明专利涉及一种用于在校学生体质监测的智能手环，该手环与教师手持端以及云端相连接，基于高性能微处理器，采用模块化设计，具体包括主控模块、传感器模块、电源模块、通信模块、定位模块、显示模块、预警模块。主控采用STM32L431CCT6芯片，并通过片上资源分别与各个功能模块连接。通过主控模块对各子模块的控制与管理，完成数据的采集、监测、预警与上传。该手环可将学生体测信息实时采集并传输给教师手持端与云端用于监测学生实时体质信息，来降低因人工监护不周而造成的学生发生意外的概率。

Description

一种用于在校学生体质监测的智能手环

技术领域

本发明专利涉及智能穿戴领域，具体涉及一种用于在校学生体质监测的智能手环，实现对学生体质信息的采集，传输与实时监测。

背景技术

随着可穿戴微电子技术、无线通信技术、远程监测技术以及微弱信号检测技术的进一步发展，集成各种传感器、无线通信模块和微控制处理单元，可供用户在家庭、户外等环境中使用的可穿戴设备己成为国内外研究人员关注的热点，但目前智能穿戴设备在高校中的运用依旧很少。

智能可穿戴设备能实时采集并监测学生的体质健康情况，使家长、学校、政府和社会能够对影响学生身体健康的主要因素有一个更加明确的认识和理解。能加强学校体育工作，为开展学校体育科学研究提供有效、安全、稳定的平台，降低学校意外事故的发生几率，因此设计一款用于在校学生的智能穿戴设备是非常有必要的。

发明内容

本发明专利针对上述问题，提供一种用于在校学生体质监测的智能手环。该手环通过传感器模块实现对学生体质数据的采集，并通过各个模块之间的相互配合来实现数据的实时传输与监测。

为达到上述目的，本发明专利所采用模块化设计的技术方案，主要包括：主控模块、传感器模块、电源模块、通信模块、定位模块、显示模块、预警模块。主控模块采用ST公司的STM32L43LCCT6芯片，并通过片上资源分别与各个功能模块连接，其中传感器模块又包括姿态检测模块、体温模块、心率血氧模块，通信模块有包括射频模块以及蓝牙与WIFI模块。

主控模块采用ST公司的STM32L43LCCT6芯片，并通过片上资源分别与各个功能模块连接,用于处理与各个模块间的数据交互以及上传的功能。其内核采用基于ARM 32位的Cortex-M4中央处理器，高达256 KB的单组闪存以及64KB的RAM，主频为80MHZ，最多34个快速I/O，拥有9个定时器、4个串口、3个IIC接口以及3个SPI接口，片上资源丰富，具有实时性强、性价比高、外设丰富的优点。

所述的传感器模块为逐飞科技的六轴姿态检测传感器ICM-20602、云电高科的体温传感器WD3703和RISYM公司的心率血氧传感器MAX30102组成。ICM-20602属于新一代的姿态检测传感器，其测量的精度要比MPU系列高，噪声比MPU系列要小。WD3703总共只有三根引脚，外围电路只有1个电阻和一个电容，同时仅需一个独特的Single-Line的接口就能实现数据的传输，虽然电路简单，但其温度测量精度可控制在0.1度。MAX30102相比上一代MAX30100增加了一层玻璃盖板，从而大大降低了噪声干扰。

所述的电源模块由TELESKY公司的电源芯片AMS1117和TYPE-C接口以及纽扣电源组成，AMS1117电源芯片具有多个可调输出电压，精度高，并具有过热保护功能。温度范围可从-40℃~125℃。

所述的通信模块由乐鑫公司的WIFI&蓝牙二合一芯片ESP32-DOWDQ6和讯卡科技的射频标签FM11RF08组成；其中ESP32-DOWDQ6WIFI&蓝牙二合一芯片具有两个可以单独控制的CPU内核，时钟频率可调，范围80MHz到 240MHz，+19.5 dBm 天线端输出功率，确保良好的覆盖范围, 集成4MB flash，睡眠电流小于5μA，适用于电池供电的可穿戴电子设备。

所述的定位模块采用中科微电子的三代北斗+GPS双模导航定位芯片ATGM336H，基于中科微第四代低功耗GNSS SOC单芯片—AT6558，支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS（北斗卫星系统）、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO、日本的QZSS 以及卫星增强系统SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）。是一款真正意义的六合一多模卫星导航定位芯片，包含32个跟踪通道，可以同时接收六个卫星导航系统的GNSS 信号，并且实现联合定位、导航与授时。具有高灵敏度、低功耗、低成本的优势。

所述的预警模块为利战公司的震动马达模块，其通过MOS管放大驱动，高电平可触发震动，低电平截止；同时可以通过PWM控制马达震动的强度。

所述的显示模块为TELESKY公司的0.96寸OLED显示，OLED由于自发光、不需要背光源，因此其功耗低，更加适合小系统。该模块支持3.3V以及5V供电，可显示汉字，ASCII、图案等；同时支持IIC以及SPI接口。

附图说明

图1为本发明专利手环硬件结构框图；

图2为本发明专利主控模块原理图；

图3为本发明专利主控与传感器模块连接原理图；

图4为本发明专利主控与电源模块连接原理图；

图5为本发明专利主控与通信模块连接原理图；

图6为本发明专利主控与定位模块连接原理图；

图7为本发明专利主控与预警模块连接原理图；

图8为本发明专利主控与显示模块连接原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明专利中的技术方案，下面将结合附图对本发明专利作具体的介绍。

如图2所示，一种智能手环的硬件结构框图，采用模块化设计，包括：主控模块、传感器模块、电源模块、通信模块、定位模块、显示模块、预警模块。其中主控模块采用ST公司的STM32L43LCCT6芯片，其中电容C4、C3、和晶振X2构成了32.768KHZ晶振；电容C1、C2以及晶振X1构成了主控的8MHZ晶振；电阻R1、电容C10以及按键S1构成了主控的复位电路；各个模块分别与主控模块电性连接，实现对学生体质的采集，监测传输等功能。

如图3所示，所述的传感器模块为逐飞科技的六轴姿态检测传感器ICM-20602、云电高科的体温传感器WD3703以及RISYM公司的心率血氧传感器MAX30102组成。六轴姿态检测传感器ICM-20602采用卡尔曼滤波技术，陀螺仪自动零偏标定，软件功能丰富，主控通过引脚PA8、PA9、VDD、VSS与其引脚SCL、SDA、VCC、GND一一对应连接。当学生开始体测，则通过六轴姿态检测传感器进行测量。体温传感器WD3703通过DOUT_Temp、VCC、GND引脚分别与主控模块的PA1、VDD、VSS引脚对应连接。体温传感器WD3703从学生佩戴上手环的同时开始测量学生人体温度，当人体温度超过人体正常体温时将警报信息传输至CPU。心率传感器MAX30102通过SCL、SDA、VCC、GND引脚与主控的PB13、PB14、VDD、VSS引脚进行对应连接。同样将人体心率分为正常阶段、预警阶段以及警报阶段三个阶段，当学生在进行体育训练时达到预警阶段心率传感器MAX30102将预警信息传输至CPU，CPU将体温传感器反馈信息与微心率血氧传感器相结合进行信息判断，同时将预警信息传输至教师手持端，教师通过教师手持端发送信息至学生手环指示学生接下来的行动。

如图4所示，所述的电源模块由TELESKY公司的电源芯片AMS1117和TYPE-C接口以及纽扣电源组成，电源模块通过VOUT以及GND与主控模块的VBAT以及VSS对应连接。AMS1117电源芯片具有多个可调输出电压，精度高，并具有过热保护功能，温度范围可从-40℃~125℃。该手环电池大小为200mAh，待机时间可支持学生一天8个学时的体育测试，同时该手环支持快速充电功能，可通过TYPE-C接口进行快速充电，经过AMS1117电源芯片进行稳压操作转化成安全电压供给手环，当充满电后自动进行断电保护。

如图5所示，所述的通信模块为乐鑫公司的WIFI&蓝牙二合一芯片ESP32-DOWDQ6以及讯卡科技的射频标签FM11RF08组成。WIFI&蓝牙二合一芯片ESP32-DOWDQ6通过UART_TX、UART_RX、VCC、GND与主控模块的PA2、PA3、VDD、VSS对应连接。ESP32-DOWDQ6WIFI&蓝牙二合一芯片具有两个可以单独控制的CPU内核，时钟频率可调，范围80MHz到 240MHz，+19.5 dBm天线端输出功率，确保良好的覆盖范围，集成4MB flash，睡眠电流小于5μA，适用于电池供电的可穿戴电子设备。蓝牙可进行短距离的信号传输，由于蓝牙的功耗相比WIFI要低，因此在传输数据时以蓝牙模式为主；当蓝牙信号较弱时，手环自动切换为WIFI模式进行数据传输，来保证数据的持续传输。当手环离开人体5秒左右CPU将开启无线传输模块向教师手持端发送警报信息，教师当立即前往查看以防学生出现意外或私自摘卸手环。讯卡科技的射频标签FM11RF08通过UART_TX、UART_RX、VCC、GND与主控模块的PB10、PB11、VCC、GND对应连接。其中射频标签主要用于学生身份匹配防止作弊，学生上课以后在教师端处刷手环，每个射频标签拥有一个特定编号对应当堂课相对学生进行身份匹配，

如图6所示，所述的定位模块采用中科微电子的三代北斗+GPS双模导航定位芯片ATGM336H，其通过UART_TX、UART_RX、VCC、GND与主控模块的PB6、PB7、VDD、VSS对应连接。基于中科微第四代低功耗GNSS SOC单芯片—AT6558，支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS（北斗卫星系统）、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO、日本的QZSS 以及卫星增强系统SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）。是一款真正意义的六合一多模卫星导航定位芯片，包含32个跟踪通道，可以同时接收六个卫星导航系统的GNSS 信号，并且实现联合定位、导航与授时，具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势。定位模块主要用于在学生体测当中与传感器模块相配合对学生进行定位操作，以及手环向教师端发送预警信息同时实时发送学生位置信息，方便教师快速找到学生，预防意外情况的发生。

如图 7所示，所述的预警模块采用利战公司的震动马达模块，震动马达的IN、VCC、GND引脚分别与主控的PA15、VDD、VSS引脚对应连接。当学生的心率、血氧、以及体温处于非正常值时，主控模块可向震动马达发送高电平，以此提醒学生查看自己的身体的健康状况；当数值恢复到正常水平时，主控模块将向震动马达发送低电平使其停止震动解除预警。

如图8所示，所述的显示模块为TELESKY公司的0.96寸OLED显示，显示模块的RES、DC、D0、D1、VCC、GND引脚分别与主控模块的PA4、PA6、PA5、PA7、VDD、VSS对应连接。通过显示模块，学生可以查看到自己相关的身份信息以及身体状态数据，包括心率、血氧、体温以及体侧相关数据。当出现预警时，主控也可以将出现预警的数据传输到显示模块上进行显示。同时支持抬手显示，在需要查看信息时只需将手臂抬起即可点亮显示屏查看，在不需要查看时，显示屏处于息屏状态，以此减少电量的消耗。

此外，教师手持端可以对学生的手环进行控制，当体测结束时老师可以通过手持端对学生的手环发送停止检测的指令。主控模块的复位按键用于当下节课开始时新的学生进行身份匹配时将上堂课的学生数据清零，包括身份信息以及体质信息。

Claims

1.本发明专利涉及一种用于在校学生体质监测的智能手环，其特征在于：采用模块化设计，包括主控模块、传感器模块、电源模块、通信模块、定位模块、显示模块、预警模块。

2.根据权利要求1所述的一种用于在校学生体质监测的智能手环，其特征在于：主控模块采用ST公司的STM32L43LCCT6芯片，并通过片上资源分别与各个功能模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于在校学生体质监测的智能手环，其特征在于：所述的传感器模块由逐飞科技的六轴姿态检测传感器ICM-20602、云电高科的体温传感器WD3703和RISYM公司的心率血氧传感器MAX30102组成；ICM-20602的测量精度要比MPU系列高，噪声比MPU系列要小；WD3703外围电路只有1个电阻和一个电容，电路简单；同时仅需一个独特的Single-Line的接口就能实现数据的传输，其温度测量精度可控制在0.1度；MAX30102相比上一代MAX30100增加了一层玻璃盖板，大大降低了噪声干扰。

4.根据权利要求1所述的一种用于在校学生体质监测的智能手环，其特征在于：所述的通信模块由乐鑫公司的WIFI&蓝牙二合一芯片ESP32-DOWDQ6和讯卡科技的射频标签FM11RF08组成。

5.根据权利要求1所述的一种用于在校学生体质监测的智能手环，其特征在于：所述的定位模块采用中科微电子的三代北斗+GPS双模导航定位芯片ATGM336H，具有功耗低，定位精度高的优点。