完整版基于蓝牙和wifi的生理数据采集设计与实现本科毕业设计.docx

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完整版基于蓝牙和wifi的生理数据采集设计与实现本科毕业设计

分类号密级

本科毕业论文（设计）

基于Bluetooth和Wi-Fi生理数据采集的设计实现

学院、系软件学院

专业名称软件工程

年级2011级

学生姓名常卫建

指导教师何立强

2015年4月24日

基于Bluetooth和Wi-Fi生理数据采集的设计实现

*******

指导老师：

***

摘要本论文来源于国家级大学生创新计划《基于MIF的远程空巢老人服务机器人》机器人。

该机器人基于多传感器信息融合技术，以移动机器人为平台，将智能卫生打扫服务与监测、记录、整理老人生理指标，监护老人生活状况等功能结合在一起。

项目实现了帮助空巢老人打扫房间的同时，利用可穿戴设备采集老人生理数据，并发送到远程子女客户端，为子女提供老人各项生理指标。

子女客户端将监测到的老人生理指标进行统计归档，实现对老人生理健康的分析、预测。

与此同时，利用摄像设备对老人生活状况进行实时监测，并在异常状况下自动报警，为老人在家中提供安全保障。

该项目在为空巢老人的日常生活提供了方便的同时也解决了子女身处异地无法监护老人的难题。

本论文主要利用可穿戴设备采集生理数据，并依托移动机器人平台将数据发送到远程子女客户端以备统计归档。

首先是利用心电采集模块采集心率数据，然后将数据通过蓝牙主从模块搭建的无线串口通路发送到移动机器人本体上，之后在ARM9处理器对心率数据进行简单的处理。

完成以上步骤后，通过网络编程将心率数据发送到远程子女客户端。

本项目用到的核心技术包括嵌入式系统设计及框架的搭建、设备驱动分析与移植、蓝牙通信技术、蓝牙模块配置和连接、网络编程、串口通信技术等。

本论文利用所设计的机器人设备进行实际实验。

对蓝牙主从模块进行配对，在移动机器人处理器上通过串口通信技术收集数据，在将数据发送到远程子女客户端。

系统已能完成其预定功能。

能够顺利的完成蓝牙主从模块的配对，通过串口进行数据的收集心电数据，利用socket通信技术将心率数据发送到远程客户端。

实验过程及结果详见第四章。

关键词蓝牙通信ARM9处理器心率数据网络编程

BluetoothandWi-FibasedonPhysiologicalDatacollectionthroughIntelligentRobot

Author：

ChangWeijian

Tutor：

HeLiqiang

AbstractThistopicisderivedfromthenationalcollegestudents'innovativeprojectThisprojectaimstodesignaspecialmobilerobottoservetheempty-nesters.Therobotbasedonmulti-sensorinformationfusiontechnologytakesmobilerobotastheplatform,makestheintelligentcleaningserviceandmonitoring,recording,sortingouttheoldman’sphysiologicaldata,andmonitoringtheoldman’slivetogether.Theprojectnotonlyhelpsempty-nesterscleantheroom,butalsousesthewearabledevicetocollectphysiologicaldataandsendthedatatoremotechildren,whichprovidestheelders’physiologicaldataforchildren.Childrenclientcanrecordandarchivetheelder’sphysiologicaldatadetectedsoastoanalyzeandpredicttheirhealth.Atthesametime,videoequipmentontherobotcanmonitortheelderly’slivingconditionsinrealtime,andalarmautomaticallyifitdetectsabnormalsituations,whichprovidessecurityfortheelderlyathome.Theprojectservingfortheempty-nestoldmen'sdailylifenotonlyprovidesconveniencebutalsosolvestheproblemthatchildreninremotecannottakecareoftheirparents.

Thispapermainlyusesthewearabledevicetocollectphysiologicaldata,andsendsthedatatotheremotechildrenclientforstatisticsandarchiving,whichisbasedonthemobilerobotplatform.Firstofall,weuseECGdataacquisitionmoduletocollecttheheartrate,andthensendthedatatothemobilerobotontologyviawirelessserialportaccessconstructedbyBluetoothmaster-slavemodule,afterthat,ARM9processorprocessestheheartratedatasimply.Aftercompletingtheabovesteps,heartratedataissenttotheremotechildrenclientbythenetworkprogramming.Thecoretechnologyofthisprojectincludesdesignandconstructionofembeddedsystem,analysisandtransplantationofthedevicedriver,Bluetoothcommunicationtechnology,configurationandconnectionofBluetoothmodule,networkprogramming,Aserialportcommunicationtechnologyandsoon.

Thispapermadeanexperimentonthedesignedrobotequipment.WematchtheBluetoothmastermodulewiththeslaveoneandcollectdataonmobilerobotprocessorviaaserialportcommunicationtechnology.Thesystemcancompleteitsintendedfunction.AndsuccessfullycompletepairingBluetoothmaster-slavemoduleandcollectECGdatathroughaserialport.Thenthesystemsentheartratedatatotheremoteclientusingsockettechnology.Experimentprocessandresultscanbefoundinchapter4.

Keywords：

Bluetoothcommunication,ARM9,Heartratedata,NetworkProgramming

第一章绪论

1.1论文选题背景

近些年，随着我国经济实力的提高,越来越多的年轻人选择出国深造，去外地就业，或是由于其他原因促成了空巢家庭的迅速增多。

这使越来越多的老人孤单独处，无依无靠。

而且我国已经开始进入人口老龄化迅速发展的阶段。

根据相关单位调查数据显示，2011年末，我国超过60岁的老人有1.85亿，到了2013年人数会超过2亿并且还会持续增长，直到2050年我国60岁以上老人数会达到最高值4.83亿[1]。

因此对于我国这样一个人口老龄化严重的大国，老年人的赡养监护工作显得尤为繁重。

于此同时，老人因为年龄偏大，一个人做家务时多有不便。

又由于无法及时的与子女沟通，所以倍感孤独。

这些使他们的身体状况和心里状况都存在着一系列的问题。

并且，由于远处子女无法了解家中老人的身体状况，当老人身体突发意外时，子女无法及时知晓并采取措施。

1.2国内外发展现状

随着科学技术的日新月异，机器人的研究技术越发走向成熟。

世界上有许多公司对机器人已有很深入的研究。

取得较大成就的当属日本本田公司，该公司在2012年研制成功了一款仿人机器人，名字叫做ASIMO，该机器人是到目前为止世界上最先进的仿人行走机器人[2]。

其他一些公司像法国的AldebaranRobotics公司、日本的索尼公司等也在机器人研究方面有较深的研究。

AldebaranRobotics公司的NAO不仅外形可爱，而且具有一定的人类情感，能够完成与人的一些简单的交流互动[3]。

各公司在追求高端的同时却忽略了其实用性，服务于日常生活的机器人的种类目前还较为单一。

在国内，各研究机构对机器人的研究也在日益走向成熟。

在追求高端的同时似乎更加注重了实用性的特点。

典型的有服务于餐厅的服务员机器人、刀削面机器人等。

中国台湾曾经研制出能够进行安保的机器人。

这款机器人具有自行行走和自主避障等一系列功能，并能够进行对环境的安保报警工作。

类似的机器人哈尔滨工业大学也开发了一个。

该机器人服务于家庭中，可对家中情况进行巡视，当发现有异常变化时会通知主人，并启动报警功能[4]。

目前，国内外设计开发服务于日常生活的机器人主要有以下几种，其中包括清洁机器人、娱乐机器人、安防机器人等。

而专为老人服务的机器人还没有出现在市场上。

1.3论文主要研究内容

根据研究背景以及国内外现状，人们更加迫切需要一种专门服务于空巢老人的机器人，在减轻子女负担的同时，帮助子女了解老人的身体状况。

本论文主要研究机器人如何采集老人生理数据，并将数据发送到远程子女客户端。

为此本文就以下的几个方面内容进行了研究：

（1）心率采集模块；

（2）蓝牙通信模块；

（3）设备驱动分析与移植；

（4）Linux系统下网络编程；

系统需要完成以下几方面工作：

（1）设计蓝牙接口通信电路，将两个蓝牙通信模块分别连接到心率采集模块和移动机器人本体上（ARM处理器）。

完成蓝牙主从模块配对连接等工作。

（2）搭建交叉编译环境，在机器人本体上（ARM处理器）使用串口通信方式，编写串口通信程序收集心率数据并进行简单的处理。

（3）完成网卡驱动由PC机到ARM处理器的移植，实现处理器的无线网络通信。

将心率数据通过网络编程发送到远程客户端。

1.4本章小结

本章主要说明本课题研究背景和国内外现状，并依据以上两点确定立项原因。

于此同时，简要说明本文研究的内容以及将要开展的几方面工作。

使读者了解本文的研究内容和系统实现的功能。

第二章系统总体结构及硬件设计与实现

2.1系统分析设计

移动机器人日常主要工作是打扫房间，工作区域十分固定，老人与移动机器人的距离通常保持在一定的范围内。

与此同时，手环与移动机器人是分离的。

为此本系统在手环与移动机器人之间通信设计上优先选择近距离无线通信技术。

近些年，由于通信与信息技术的日新月异，各种以无线方式进行通信的技术得到广泛的应用，并且已十分成熟。

如今应用较为广泛的近距离无线通信技术有蓝牙技术、Wi-Fi、IrDA技术、ZigBee技术等。

各种近距离无线通信技术都有其自己的特点。

有些技术适合对功能进行扩充，而有些因满足特定应用得名，还有传输的速度、传输距离、功耗等各自的不同。

在各种通信技术中，蓝牙技术被广泛应用于各种设备之间，并且技术成熟。

它的通信范围在10m内，并且能够达到1Mbps传输速率，传输效率高，稳定性强。

所以，本系统选用蓝牙技术进行移动机器人与心电手环之间的通信。

移动机器人需要将老人心率数据发送到子女客户端，因为子女通常不在家中，所以子女客户端要接收到心率数据需要网络通信。

移动机器人日常工作是打扫房间，不能固定在一个位置，将机器人与有线网络进行连接显然是不合理的。

因此，需通过无线网络通信将心率数据发送到子女客户端。

通过以上分析，可以设计出系统的总体框图：

由图可知，本系统工作流程可分为两个阶段，第一阶段是心电模块采集老人心率数据。

蓝牙从模块将数据发送到移动机器人蓝牙主模块上。

第二阶段是蓝牙主模块接收心率数据，并在移动机器人的ARM9处理器上对数据简单处理。

然后将心率数据利用无线网络发送到远程客户端[5]。

2.2硬件选型

2.2.1心电模块的选择

由于考虑到心电模块要穿戴到空巢老人手腕上。

所以，心电模块选型上要在保证心电信号稳定性的前提下适合穿戴。

心电模块选择了STM32F103C8T6微处理器为内核，STM32是ST公司推出的基于ARM-Cortex-M3内核的32位单片机。

该单片机计算处理数据能力比8位和16位单片机强很多，并且处理代码效率更高。

在功耗方面，该单片机具有三种模式相互切换，可以使功耗达到最低。

由于心电模块要安放在可穿戴手环上，所以对功耗方面要求尽可能最低。

而该单片机刚好满足可穿戴设备对功耗方面的要求。

心电采集模块选用的是AD8232芯片，该芯片主要用于ECG和一些生物电的测量。

因为该芯片本身集成了一些先进设备，可以自动滤去噪声或是放大微弱的生物电信号，所以对其采集数据的准确性能够得到一定的保证。

与此同时，该设计可以让单片机轻松的采集到输出的信号，这使得选用的处理器与其更好的配合。

完整的心电模块图如图3-1心电模块图。

2.2.2蓝牙通信模块的选择

将心率数据以无线传输方式发送到机器人本体上的关键在于实现蓝牙模块之间的数据通信。

蓝牙模块的性能决定了传输数据的稳定性、传输速率、效率及功耗等。

蓝牙模块需要主从模块两个，需要设置波特率、主从模式等相应参数。

设置完成后，主模块能够搜索到从模块并完成配对。

蓝牙模块的选择是十分重要的。

本项目选择BLK-MD-BC04-B蓝牙模块为主模块作为其解决方案。

该模块使用的芯片是英国CSR公司的BlueCore4-Ext。

该芯片遵循V2.1+EDR蓝牙规范，支持各种常用接口。

该模块除了具有研发成本低、体积小巧的特点外，模块的功耗也很低并且收发十分灵敏。

与此同时，该模块采用主从一体式设计且支持软硬件控制主从模式转换，支持连接7个蓝牙从设备。

利用蓝牙模块的AT指令集可以方便地对蓝牙模块进行配置和查询。

选用HM-06模块作为从模块。

HM系列蓝牙模块采用CSRBlueCore、TICC2540芯片，配置256Kb、6-8Mbit的软件存储空间，支持AT指令，用户可根据需要更改SPP角色（主、从模式）以及串口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。

该模块设计时为了满足于袖珍设备的使用，封装尽可能达到最小，

只有13.5mm*18.5mm*2.3mm大小，满足心电手环对体积的要求。

2.2.3无线网卡选型

为实现无线网络接口，本文选用TP-LINK公司的TL-WN823N无线网卡作为解决方案。

该网卡遵循IEEE802.11b、IEEE802.11g以及IEEE802.11n标准，其传输速率最高可达300Mbps（IEEE802.11n标准下）且体积小巧非常便于安装。

2.2.4移动机器人选型

由于移动机器人选型及结构复杂，并且不是本论文研究重点，所以在此仅对其作简要介绍。

本文采用FriendlyARM公司的micro2440开发板为信息处理模块的实现硬件。

Micro2440采用核心板+扩展底板的设计结构，其核心板其实是一个最小系统板，采用六层PCB板设计，利用等长布线的方式满足信号的完整性需求，保证了信息处理时的稳定性。

采用Samsung S3C2440A为处理核心，默认主频为400MHz，最高可达到533MHz，能够满足机器人平台对计算能力的要求。

板载64M SDRAM，时钟频率可达100MHz并拥有1G NAND FLASH用以满足机器人平台对存储空间的需求。

此外，核心板还引出56Pin作为GPIO接口并提50PinLCD/CAMERA接口与56Pin的系统总线接口，为我们对外进行扩展提供了充足的空间[6]。

2.3硬件实现

2.3.1蓝牙模块连接

蓝牙主模块用于接收从模块发送的数据,连接在micro2440开发板的串口3上,该串口输出TTL信号。

蓝牙模块有VCC、RXD、TXD、GND、SET、3V六个引脚。

VCC为电源引脚，工作电压为5V。

RXD与TXD分别为接收数据和传送数据引脚。

GND为地线引脚。

SET可作为硬件主从设置口，SET引脚接3.3V电压时模块为主模块，悬空或接GND模块为从模块。

将开发板VCCRXDTXDGND与蓝牙模块的VCC、TXD、RXD、GND引脚对应连接，注意输入输出需要反接。

具体连线方式如图2-5蓝牙模块连接图。

2.3.2无线网卡连接

由于S3C2440上已经安装了操作系统，这为我们使用TL-WN823N提供了便利，但TP-LINK公司并没有提供该款网卡在Linux系统下的驱动程序，要想顺利使用该网卡必须首先解决驱动问题。

下面对其驱动移植过程进行简要说明，首先挂载该网卡，利用系统返回信息查看其USBID：

0bda8178ID，搜索该ID对应的芯片组：

REALTEK公司的RTL8192CU芯片，下载该型号的芯片驱动对其程序进行修改使其适应本操作系统，修改其Makefile文件并指定目标系统的硬件构架、系统内核、编译工具链等[7]。

由于驱动的编译需要交叉编译工具链和经过编译的目标板操作系统的源码，所以我们要构建这两方面的编译环境，这部分工作繁琐复杂又不在本文的重点讨论范围内因而具体步骤不再赘述。

本文最终构建的交叉编译工具链版本为4.3.2，移植、剪裁、编译的目标板操作系统内核版本为2.6.32.2，在以上工作全部完成后，对网卡芯片的驱动程序进行编译，最终获得驱动文件，加载驱动文件，驱动无线网卡正常工作同时禁用板载有线网卡避免冲突，再经过简单的配置，无线网络接口搭建完成。

2.4本章小结

本章主要讲述本系统旨在服务于空巢老人这一目的，并以此对系统实现需要使用的主要技术选择上进行了分析；对系统总体设计思想进行了描述，并根据系统设计思想设计出系统的总体框图，为后续详细设计打下基础。

依据系统总体设计思想，根系统性能以及适应性综合考虑对各个模块进行了选型。

并且从硬件方面对系统进行了总体设计，完成了硬件系统的搭建工作，为系统软件的实现打下良好的基础。

第三章系统软件设计与实现

3.1蓝牙模块通信设置

3.1.1连接测试

蓝牙通信模块连接好以后可以通过发送AT指令测试模块是否连接正确，能否正常通信，以及设置主从模块、波特率、以及查询模块名称等。

可以通过PC机串口和BC04-B蓝牙模块进行通信。

串口缺省波特率为9600bps。

打开串口调试助手，选择相应的串口号，设置波特率为9600bps，校验位为无校验位，停止位为1位。

用杜邦线将模块与PC机串口对应连接，串口调试助手接收缓冲区没有任何反应，此时在将RXD与TXD引脚反接，连接正确，串口将会收到一串信息，SLAVE表示模块当前处于从模块。

如图3-1串口通信确认图。

确认正常工作状态后，此时在对话框内输入AT指令，并敲击回车换行键，确定光标在下一行，点发送数据会返回OK值。

3.1.2设置蓝牙模块名称

在发送缓冲区输入“AT+NAME”，点击发送数据，接收缓冲区显示“+NAME=BOLUTEK”也可发送“AT+NAME”,为修改的名称。

返回“OK”表示修改成功。

具体查询修改的实现如图3-2图。

3.1.3修改波特率

输入“AT+BAUD8”，点击发送数据，8对应波特率值为115200bps。

关于波特率为何设置为115200bps将在后文为读者介绍。

返回“+BAUD=8OK”表示设置成功，设置成功后重新进行与的串口连接，将波特率调至115200bps，校验位、停止位等设置保持不变。

连接成功，串口将会收到一串信息，输入“AT”，返回“OK”值。

设置成功后如图3-3波特率设置图。

3.1.4设置主从模式

BLK-MD-BC04-B蓝牙模块采用主从一体式设计且支持软硬件控制主从模式转换，现需要通过AT指令将其设置为主模式。

输入“AT+ROLE”查询当前模式，返回“ROLE=0”表示当前模式为从模式，也可根据模块上LED等闪烁方式确定蓝牙模块状态，LED灯均匀慢速闪烁表示当前模式为从模式。

LED灯闪烁方式对应于蓝牙模块相应的状态及模式见表9.1状态对应表。

将其设置为主模式，在发送缓冲区输入“AT+ROLE1”，点击发送数据，返回“+ROLE1OK”表示设置成功。

设置如图3-4图。

此时，通过模块的LED灯也可直观的看到主模式以设置成功，模块LED均匀快速闪烁。

蓝牙模块设置成功后，主从模块LED灯长亮，见图3-5连接成功图。

主模块能够主动搜索并发起连接，但是不能被其他蓝牙设备搜索到；从设备只能被搜索到，只能被动连接而不能主动搜索。

3.1.5主从模式配对

以上步骤为对蓝牙模块设置步骤。

设置结束后便可将模块重新连接到相应的位置。

重新打开开关，主设备自动搜索从设备并建立连接，蓝牙透传模块为心电手环与移动机器人搭建起了无线传输通道，传输通过无线串口进行。

3.2串口通信

3.2.1交叉编译简介

交叉编译部分知识不在本论文详细研究的范围内，所以在此只对其做一些简要介绍。

micro2440开发板上带有Linux系统，不能像在PC机上一样运行编写的程序，需要建立交叉编译工具链。

本文选择在虚拟机上机上安装Fedora9.0系统作为其解决方案。

具体安装过程不在详述。

Fedora9.0安装完成后，在其中安装交叉编译器arm-linux-gcc-4.3.2。

交叉编译器安装成功后，用该编译器对程序进行编译，生成可执行文件，该文件便可以在带有Linux系统下的micro2440开发板上执行。

3.2.2串口接收数据

蓝牙主从模块配对连接后，形成无线串口通路，下面介绍串口接收心电数据具体实现方式及实现代码。

首先定义char类型指针rbuf用于接收由串口发送过来的心率数据。

然后打开串口，程序如下：

intopen_serial（）{

fd=open（"/dev/ttySAC3",O_RDWR|O_NOCTTY）;

perror（"open/dev/ttySAC3"）;

if（fd==-1）