基于传感器网络的嵌入式体质测量仪

1、基于传感器网络的嵌入式体质测量仪摘要：本课题任务是设计并制作基于传感器网络的嵌入式体质测量仪，实现可刷校园卡、可测量人体身高、人体体重、肺活量的功能。根据要求以超声波、称重传感器以及肺活量传感器为主要检测元件，以STM32为单片机，以及HX_711AD芯片、MFRC522射频模块、无线WIFI、SIM900通信模块在其控制下实现以下功能：1、 可刷校园卡，显示卡号。2、 测量身高；3、 测量体重；4、 测量肺活量；5、 通过WIFI将测量数据在基于Android平板电脑上显示；6、 通过蓝牙将被测数据传输到基于Android平板电脑上，并且数据可导出；7、 通过SIM900以短信形式将测量数据

2、发送到手机上；8、 利用ZigBee无线通信技术实现单片机与各个传感器的通信；9、 在单片机上运行ucosii实时系统关键字：zigbee;嵌入式;传感器目录一、系统硬件模块选择方案21.1：校园卡刷卡射频模块31.2：测量身高以及其测量模块的选择31.3：测体重以及AD芯片的选择31.4：肺活量传感器模块31.5：数据通信模块41.6: 无线zigbee模块41.7: 单片机的选择4二、理论分析与计算42.1射频模块的原理42.2测重原理讲解52.3身高测量法52.4肺活量测量算法52.5传感器组成方案5三、程序设计：63.1程序流程图63.2部分程序代码63.3 zegbee协议6四、实物

3、图7见附录6.27五、设计总结及体会7六 附录76.1部分程序代码76.2实物图9一、系统硬件模块选择方案根据题目要求本题目可分为测重力模块、测身高模块、校园卡刷卡模块、测肺活量模块。1.1：校园卡刷卡射频模块MF RC522 是应用于13.56MHz 非接触式通信中高集成度读写的芯片。本模块与STM32单片机结合，使用单片机SPI总线通信协议，实现校园卡刷卡功能并通过模块显示所要测得的数据信息。 MF RC522 利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。同时也具备诸多特点和差异。它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用

4、户需求,本作品采用RC522射频模块实现校园卡刷卡功能通过刷校园卡，让自己的卡号显示在液晶屏上。1.2：测量身高以及其测量模块的选择方案一、超声波模块超声波测距模块有好多种类型，目前比较常用的有URM37超声波传感器默认是232接口，可以调为TTL接口,URM05大功率超声波传感器测试距离能到10米，目前的超声波模块精度能到0.3cm。方案二、编码器编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能 用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。综上所述，考虑到测量身高时安装的方便以及精度和误差的要求，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简

5、单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到要求，因此决定采用超声波作为采集测距的模块。1.3：测体重以及AD芯片的选择本模块实现测量体重功能，使用通用的重力传感器，配合AD采集得到其重力值，AD芯片的选择：方案一、PCF8591AD转换芯片PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同一个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。方案二、HX_711AD转换芯片HX711是一款专为高精度电子秤而设计的

6、24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B 则为固定的64 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的

7、A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。综上所述，本实验采用重力传感器的灵敏电压变化范围较小而且还要考虑到温漂的影响，我们决定采用HX_711AD转换芯片；通过内部增益实现采集放大原理。1.4：肺活量传感器模块方案一直接通过AWM700系列气体流量传感器直接测量气体流量，再将传感器的输出电压经由AD送到单片机中进行处理，计算得出具体流量。再送液晶显示模块以及语音模块进行显示和语音播报。并通过RS232与上位机进行通信。 实际设计中并未采用此方案，因气体流量传感器价格普遍较高。方案二通过气体压力传感器(MP

8、X2010DP)测量一定时间内的气体流量，将气压传感器置于 已知截面积的细管中，输出电压信号经过转换再送到单片机器，结合气压与流速的关系以及测量时间得出总的气体流量。由于气体压力传感器成本低、精度高，外界干扰对其影响不大，所以实际设计中采用此方案。本模块将气压传感器置于已知截面积的细管中，在被测量者向管中吹气时，便可通过各 时刻的气压与流速的关系得出相应的气流速，再结合测量时间计算得出气体总流量。测量的原理框图如下：气体压力气体流速气体流量1.5：数据通信模块SIM900属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，SIM900A性能稳定，性价比高;通过该模块可与上位机连接通过串口发送

9、指令使得通信模块安装好手机卡后接收到上位机发送的数据；实现短信接收功能。1.6:无线zigbee模块WLT2408NZ模块是广州晓网电子出品的WLT系列ZigBee数据传输模块，具备最大8dBm输出功率，视距传输距离可达500米（5dbi天线），工作频段2.380GHz2.500Ghz，除标准ZigBee的16个通道外，还有9个扩展频段，可以有效避开WIFI、蓝牙等其他2.4G信号干扰。1.7: 单片机的选择方案一、使用80C51 单片机作为主控器，这是我们都比较熟悉的单片机，学习和使用起来都 比较简单，能够满足系统所需的计算速度。价格适合。具有低功耗设计。方案二、使用arm处理器，arm处理

10、器是近几年新兴的微型处理器，它的运算速度非常快、体积小，耗电量低，甚至可以运行操作系统，是近几年电子产品的主流处理器。综上所述我们决定采用STM32单片机，通过其强大的功能以实现对身高、体重等数据的精确测量及处理。二、理论分析与计算2.1射频模块的原理RC522射频模块工作原理RWD 天线线圈的电流 I 产生磁通量的部分穿过磁卡的线圈在卡的线圈感应出一个电压被整流当工作电压到达后卡的 IC 被激活感应电压会随着读卡器天线和 MIFARE®卡的距离不同而变化由于电压会变化工作距离受到传输的功率限制2.2测重原理讲解详细讲解程序计算原理：步骤1：如何计算传感器供电电压HX711可以在产生

11、 VAVDD 和 AGND 电压，即711模块上的 E+和 E-电压。该电压通过 VAVDD=VBG(R1 +R2 )/R2计算。VBG 为模块儿基准电压1.25v。R1 = 20K；R2 = 8.2K因此得出 VAVDD = 4.3V（为了降低功耗，该电压只在采样时刻才有输出，因此 用万用表读取的值可能低于4.3v，因为万用表测量的是有效值。）步骤2：如何计算 AD 输出最大值在4.3V 的供电电压下5Kg 的传感器最大输出电压是4.3v*1mv/V = 4.3mV经过128倍放大后，最大电压为4.3mV*128 = 550.4mV经过 AD 转换后输出的24bit 数字值最大为：550.4

12、mV*224/4.3V 2147483步骤3：程序中数据如何转换。程序中通过HX711_Buffer = HX711_Read()获取当前采样的 AD 值，最大2147483，存放在 long 型变量 HX711_Buffer 中，因 long 型变量计算速率和存放空间占用资源太多，故除以100，缩放为整型，便于后续计算。Weight SHIWU = HX711_Buffer/100，Weight SHIWU 最大为21474。步骤4：何将 AD 值反向转换为重力值。假设重力为 A Kg，（x<5Kg）,测量出来的 AD 值为 y 5Kg 传感器输出，发送给 AD 模块儿的电压为 A K

13、g * 4.3mV / 5Kg = 0.86A mV， 经过128倍增益后为 128 * 0.86A = 110.08AmV转换为24bit 数字信号为 110.08A mV * 224 / 4.3V = 429496.7296A所以 y = 429496.7296A /100 = 4294.967296 A 因此得出 A = y / 4294.967296 Kg y / 4.30 g所以得出程序中计算公式 Weight_ SHIWU = (unsigned int)(float)Weight_ SHIWU /4.30+0.05)。2.3身高测量法利用超声波测距，都是统计超声波发出到接收的时间

14、，然后再换算为距离;对于时间的统计，通常都是使用计数器完成;超声波发射后，启动计数器，收到回波后，取出计数值进行换算;STM32单片机内部的计数器，是对机器周期进行计数；假设声波的速度是333m/s，那么，用微秒数除以6，马上即可得到距离的毫米数；即，计数器中的值为:065535，除以6后，距离即为:010922(mm);推导如下：1s对应路程0.333km=1/3km；1ms对应路程0.333m=1/3m；1us对应路程0.333mm=1/3mm；1us:距离1/6mm；6us:距离1mm；1/6：即为每个机器周期T(即us)代表的距离数值(mm)；本模块采用STM32的定时器中断和输入捕获

15、功能来计时得到时间从而由公式得到实际测得的距离。2.4肺活量测量算法由于传感器的输出较小（被测量者吹气时，电压变化大概为15mv左右）电阻R401为100欧姆将输入电压放大（电压放大倍数由公式G=49.4K/R+1算出）；经过转换得到肺活量的实际值。2.5传感器组成方案 本题目采用HX711AD芯片以及压力传感器、驱动芯片以及编码 器组成的身高测量仪，肺活量传感器，RC522射频模块；工作原理：HX_711的工作原理输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±

16、40mV；压力传感器工作原理将应变片粘贴到受力的弹性元件上, 当弹性元件受力产生变形时,应变片产生相应的应变,通过测量输出电压的数值, 再通过换算即可得到所测量物体的重量。RC522射频模块工作原理RWD 天线线圈的电流 I 产生磁通量的部分穿过磁卡的线圈在卡的线圈感应出一个电压被整流当工作电压到达后卡的 IC 被激活感应电压会随着读卡器天线和 MIFARE®卡的距离不同而变化由于电压会变化工作距离受到传输的功率限制。通过WIFI模块和SIM900、蓝牙实现无线传输和发送短信功能使得基于Android 的手机可以接收到相应的数据。三、程序设计：3.1程序流程图 开始初始 初始化for

17、循环检测按键循环按键2按下按键3按下按键1按下检测肺活量执行身高检测 是是是检测体重3.2部分程序代码见附录6.13.3 zegbee协议ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络

18、协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。四、实物图见附录6.2五、设计总结及体会 本设计内容，涉及对传感器的使用，使得对超声波、AD采集的原理有了更深的了解，同时在无线通信方面的知识如，SIM900、WIFI的数据传输更为深刻，通过嵌入式操作系统调试数据使其显示在液晶上；调试工作十分繁琐，以后的学习过程中应更加细心，耐心；。六 附录6.1部分程序代码#include "stm32f10x_it.h" void NM

19、I_Handler(void)/ 测体重的部分程序 void HardFault_Handler(void)void MemManage_Handler(void)void BusFault_Handler(void)void UsageFault_Handler(void) void SVC_Handler(void)void DebugMon_Handler(void)void PendSV_Handler(void)void SysTick_Handler(void)void NMI_Handler(void) /测升高的部分程序void HardFault_Handler(void)void MemManage_Handler(void)void BusFault_Handler(void)void UsageFault_Handler(void)void SVC_Handler(void)void DebugMon_Handler(void)/SIM900部分程序 void PendSV_Handler(void)void SysTick_Handler(void)void NMI_Handler(void)void