王志敏 荣家平 张志敏 沈清
鄂尔多斯应用技术学院 内蒙古自治区鄂尔多斯市 017010
摘要
在现代化社会中，随着科技的不断进步，经济的不断发展，科学养殖也在逐步进入人们的视野，在畜牧行业很多牧场主不知道该如何高效的科学的去养殖牧场内的养殖物，如果知道了这些动物的各项指标就可以有效地规避很多灾难性的疾病进而减少养殖方面的损失。为了解决以上问题更好的服务于畜牧养殖者本文设计了一种以STM32为主控芯片，DS18B20、MPU-6050、MAX30100、ESP-8266等模块搭建的一款可穿戴设备来监测畜牧动物的各项指标。它主要是应用于心率测量、温度测量、运动状态（姿态）测量等途径。可以用手机APP实时监测各种数据并设置预警值，这样养殖者就可以凭借自己的经验来判定自己养殖物的身体状况。经过测试，该系统运行稳定，通信流畅。
关键词：穿戴设备，温度测量，心率测量，STM32
Design of STM32-based wearable devices
Abstract
Author：Zhimin Wang,Jiaping Rong,Zhimin Zhang,Qing shen
In the modern society, with the continuous development of science and technology, scientific breeding is gradually into people's vision, in the animal husbandry industry many ranchers do not know how efficient scientific farming in the pasture, if you know the indicators of these animals can effectively avoid a lot of catastrophic diseases and reduce the loss of breeding. This article designed a wearable device built by STM32, DS18B20, MPU-6050, MAX30100, ESP-8266 and other modules to monitor the indicators of animal husbandry. It is mainly applied to heart rate measurement, temperature measurement, movement state (attitude) measurement and other ways. You can use the mobile phone APP to monitor various data in real time and set early warning values, so that farmers can determine the physical condition of their aquaculture with their own experience. After testing, the system is stable and smooth communication.
Keywords: Wearables,Temperature measurement, heart rate measurement, STM32
1.绪论
1.1国内外研究现状及研究成果
1.1.1国外的研究现状
在瑞典有一种嵌入式系统已经投入使用——利拉伐ARMTM系统[6]。据了解该系统可以有效地缩短牧场主的挤奶时间，大大提高了该牧场的工作效率，该方案也是采用嵌入式系统与物联网相结合，进一步简化了很多工作步骤，化繁为简。
澳大利亚南的威尔士州也有一部分猪场采用一台高级计算机管理1200头猪的例子，畜牧养殖的智能化指日可待。
1.1.1国内的研究现状
目前,国内对可穿戴设备行业的研究文献还不多,在对可穿戴设备的定义、对可穿戴设备的分类、对可穿戴设备行业的理解、对可穿戴设备行业趋势的判断、对可穿戴设备行业的问题的认知都没有达到较一致的认知。
我国拥有很多牧场大省，更需要现代智能化的牧场，如何监测牧场养殖物的生长情况这就需要我们设计一款实时监测数据、收集数据、记录数据、反映数据的可穿戴设备。让养殖主实时可以观察养殖物的各项指标。
1.3课题的主要研究内容和课题的研发步骤
1.3.1论文的主要研究内容
设计主要研究了一下内容
（1）采集硬件的设计：温度采集的设计、心率采集的设计、血氧采集的设计、姿态采集的设计、稳压电路的设计、无线通信模块电路的设计、拓展口的设计。
（2）闭环系统框图的搭建：闭环采集系统框图的设计、通信系统框图的设计、上位机APP框图的设计。
（3）传感器程序的设计：姿态采集程序的设计、心率/血氧采集程序的设计、采集信息的滤波运算（FFT傅里叶变换及卷积运算）。
2.系统硬件设计
2.1.系统框图
在本文设计以STM32C8T6为主控芯片，MPU-6050采集到姿态信息、MAX30100采集到心率信息、DS18B20采集到温度信息后经过AD转换后传输到主控芯片中，以ESP8266为媒介，通过MQTT协议将转化后的数字量传输到手机端的App上，让用户可以实时监测采集回来的数据。
用户可以在C端设置预警值，当某一项数据达到预警值时就会在设备端发出警报，警报器用蜂鸣器代替。具体的系统总框图见图3.1
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2.2硬件模块介绍
ESP8266EX 的特点主要是低功耗、设计相对密集占地空间少等。 ESP8266EX 在搭载应时作为采集设备中唯的应处理器时，它可以直接在外接 Flash 中启动。
DS18B20它是比较常用的传感器之一，它输出为是数字信号，它具有体积小、
造价低、抗干扰能力比较强，精度高等特点。
MPU-60X0是世界上第一款集成 6 轴MotionTracking设备。它集成了3轴的MEMS陀螺仪，3轴的MEMS加速度计，和一个能够扩展的数字运动处理器 DMP（ DigitalMotion Processor），它可用I2C接口来连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。具体硬件原理图见图3.3
MAX30100模块可以采集脉搏血氧并且可以监测心率。这种器件集成有两个LED灯、一个光电管, 一般在经过滤波和降噪后 ，它可检测脉搏血氧及心率信号。
AMS1117芯片全称为正向低压差稳压器，它主要具有过热保护和限流功能等，它能输出固定的电压比如1.5V、2.5V、1.8V、3.0V、2.85V、3.3V、5.0V，设计采用的是3.3V输出，即ASM1117-3.3芯片。
3.软件部分设计
3.1.程序框图
首先程序进行各寄存器的初始化，在初始化后采集数据的传感器对应的程序开始工作，接下来就是主控芯片处理采集回的数据，进行模拟量转数据量的转换和滤波操作后，再执行判断程序并同步执行无线传输程序，然后就是上位机安卓端APP程序的执行，进行数据通信，这样安卓端就可以实时观察我们传感器传回的数据了，如果判断异常的程序执行时，警报模式就会随之开启（蜂鸣器回响起来）。同时上位机安卓APP端也会实时观察到异常数值，我们在安卓APP端也可以设置预警值，同时ESP8266也会将设置的预设值实时传回主控芯片。（具体的程序框图见图4.1）
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3.2.基于Android APP的开发与设计
在采集设备的显示终端我们选用安卓APP来完成，因为该系统适应性强，可以兼容大多数的数码设备，这样有利于软硬件的流通。该设计主要分为四大板块：体温、心率、姿态和血氧。
4.实物的调试与实现
4.1.可穿戴设备系统设计的实现
stm32芯片能够利用各类传感器定期或不断采集被测对象体温、心率、运动状况，将这些数据汇总处理发送到网络服务器，加以显示，使用户准确的观测到被测对象的各项数据，建立一个牧场实时监测系统，收集被测对象的各项数据，通过DS18B20体温采集模块、MPU6050运动数据采集模块实时采集智慧牧场中的数据,再用安卓语言写一个程序以手机端为上位机进行交互。设计实物图见图5.1
安装可控设备，由stm32主控芯片进行控制，用于检测智慧牧场中各项数值；添加报警系统模块，用户可以通过该报警模块对异常数据即使处理。
通过C语言，编写stm32数据处理程序，将处理完成的数据和用户预设的数据显示到显示器，使得用户能更清楚明了的看到牧场中的状况。
通过java语言来编写上位APP然后搭载在Android系统中，这样就可以实时的查看采集到的数据。
5.2 APP的实现
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将体温采集模块放置于不同的环境中，来模拟不同环境的温度，经过测试APP与下位机采集装置基本可以实现实时通信，不同的温度阶段都进过了测试，温度采集数据比较准确。
在进行姿态测量调试时，将动态阈值和三轴加速度计不停地进行对比，最后在手机APP显示运动结果，将实验设备与一台其他计步设备同时进行比较，经过测量实验设备误差较小。
5.结语
经测量该系统功耗低、体积小巧、性能稳定可靠、成本比较低廉，还能搭载软件app进行多次开发，多次完善本产品使它更完美地走进人们的生活，之所以选择ARM9系列的产品主要是看中了它低功耗、对抗不利环境强、成本低等特点。
本产品还可进行二次开发，通信方面可采用物联卡代替WLAN通信，产品功能可再次缩减，已减小产品的体积。同时在设计PCB电路时我也留有GPS、Zigbee、等功能的电路，如果后续有必要二次开发，可直接在此基础上添加相应的程序和参数。
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基金项目：内蒙古自治区国家级创新创业训练计划（201914532004）