具有指纹识别的基于蓝牙4.0LE的生理数据采集仪的设计

具有指纹识别的基于蓝牙4.0LE的生理数据采集仪的设计

黄冠荣

佛山市利强医疗设备有限公司

摘要：设计开发一种的数据采集仪，利用蓝牙4.0LE连接现有的个人生理测量设备，同时以指纹识别区分用户数据，并经过WIFI接口连接宽带路由器进入互联网实现远程数据管理。具有低成本，安装简单，操作方便，功能强大的特点，适用于厂矿企事业单位大量采购和使用，也大大减轻了医护人员的工作量。

关键字：蓝牙4.0LE，指纹，WIFI，云服务，STM32

前言：近年来互联网应用日益多元化，传统行业通过互联网的应用均获得不同程度新的发展思路。在大型厂矿企业的工人，为了实现对他们的生理参数进行定期监测，需要多次派出医疗人员上门服务。在医疗资源比较紧张的地区，特别远离医疗单位的厂矿企业，将会耗费不少人力和时间。通过互联网实现远程健康数据管理的设备近年已经成为市场的热点，但是这些厂家生产的设备都是基于个人的，无法简单方便实现多人数据管理。同时，硬件方案多是使用平板电脑或手机等平台处理各种生理参数，并且整机必须通过医疗器械注册，所以单机成本比较高。针对厂矿企业，面积大，部门数量多，地点分散的特点，如果按每个部门配一台设备，整体支出金额将会是巨大的，对市场发展是不利的。根据有关客户的要求，结合市场实际调查，我们研制出一种低成本的生理数据采集仪。它采用了指纹识别管理用户数据，能实现对符合蓝牙4.0LE协议的生理参数仪器的数据结果进行读取，而且通过WIFI或3G实现数据上传到云服务器，实现医护人员远程管理和监控，达到快速掌握工人身体情况，及时作出相应的医疗指导意见，保障了工人的健康和企业的稳定发展。

1.系统方案的设计

本设计系统结构框图如图1所示。个人的健康生理参数测量仪器主要是血压计，血糖仪，体重计。市面上具有蓝牙4.0LE功能的这些设备非常多。除体重计外，前两种都必须具有国家医疗器械认证的。这样，我们获取的生理数据都是符合国家要求的临床标准的。在建立本系统的过程中建议直接从厂家联系采购，这样可以获取详细的控制协议，为实现数据连接的软件开发中提供方便。控制器采用STM32F103ZET6单片机通过串口分别控制5个模块：触摸显示屏，指纹识别模块，蓝牙4.0LE模块，WiFi模块。

2采集仪硬件设计方案

2.1采集仪的控制器

采用意法半导体公司单片机STM32F103ZET6。该处理器基于ARMV7架构的Cortex-M3内核，主频72Mhz，内部含有512K字节的FLASH和64K字节的SRAM，LQFP144封装。为了保存用户数据，用过单片机的FSMC总线扩展了1GBIT的NandFlash。系统为保持日期和时间需要配一个3V的供电备份纽扣电池。图2为NandFlash的接线示意图。采用8位数据宽度，地址和命令锁存线通过A17，A16控制。占用的FSMCBANK2，所以NCE2作为端。就绪/繁忙信号/BUSY连接到INT2，作为一个中断源使用，这样CPU可以在NAND闪存操作的等待周期内执行其他的任务。

2.2触摸显示屏

由分辨率为240*320，3.2寸液晶屏与电阻触摸屏组合在一起。因为STM32内部没有集成专用的液晶屏和触摸屏的控制接口，所以选用的显示屏模块必须自带驱动芯片(液晶屏和触摸屏的驱动电路是独立的，它们分别是ILI9341和XPT2046)。为了提高刷新的速度，采用FSMC接口连接ILI9341，部分IO引脚配置成SPI接口连接XPT2046。显示屏必须配有背光使能，以便系统初始化完成前处于黑屏状态。XPT2046必须独立供电和有源滤波，提高触摸灵敏度和抗干扰度以及精确度。图3是触摸显示屏的接线示意图。

2.3指纹识别模块引入指纹识别，是为了方便多人使用时，能自动识别每个人的生理参数并自动保存。指纹识别模块由指纹传感器和指纹算法模块组合而成。本系统选用瑞典FPC公司生产的CMOS指纹传感器FPC1011F3.该新型紧凑的传感器采用独创的反射式测量法，即主动测量。通过发出强度可调的探测信号，经过指纹的凹凸沟纹的反射，接收后，经过一定的算法，就能提供优质的图像效果。这种测量方式还可以为传感器覆盖一定厚度的保护层而不受影响。保护层为传感器带来了100万次的耐磨性和±15KV的抗静电能力。这对于多人频繁使用的场景，是很有必要的。FPC1011F3每个像素点具有256灰度值，超薄的封装厚度只有2.3mm。供电电压3.3V，休眠模式耗电才10μA。FPC1011F3的外形和接口示意图如图4.

指纹算法模块采用了深圳指芯智能科技有限公司出品的QS808LF11UA模块。该模块是专门配套FPC1011F3使用的。具体参数如下

误识率（FAR）<0.001%（SecurityLevel：3）

拒识率（FRR）<0.1%（SecurityLevel：3）

比对模式1:N识别/1:1验证

1:N识别时间（1700枚满容量注册）:0.7~1.3s

通讯接口UART：波特率设置为115200

指纹模块的接线图5所示。指纹模块使用前要先采集指纹，形成指纹模板保存在算法模块里面，并获得一个指纹序列号1，以此类推，可以保存到序列号1700。MCU以此序列号登记对应的身份证号码并保存在NAND

FLASH内。当已注册的手指按压传感器后，指纹模块通知MCU，MCU发出采集指纹命令，指纹算法模块控制指纹传感器采集指纹并形成指纹模板暂存在算法模块的RAM里。MCU再次指示指纹算法模块对该指纹模板进行1：N比对，比对成功后，通知MCU指纹对应的序列号。MCU根据序列号在NANDFLASH里找出对应的身份证号，完成个人身份识别。

2.4蓝牙4.0LE模块本系统采用TI公司的蓝牙单模芯片（只含BLE协议栈）CC2540系列，来实现对符合BLE协议的血压计，血糖仪，体重仪的测量结果收集。为了方便用户开发使用CC254X系列芯片，TI公司推出了一个叫HostTestRelease固件。通过该固件，可以在Windows上方便的与血压计等等BLE从机进行数据通信，方便开发阶段的开发与测试。只要蓝牙4.0LE模块烧写好HostTestRelease固件，通过串口连接MCU，MCU按TI公司协议栈的HCI接口命令控制模块，就可以进行蓝牙通信,从而无需深入研究复杂的蓝牙协议细节。如图6。

采集仪首先要绑定蓝牙设备。扫描周围的蓝牙设备，发现设备后，把设备的地址保存到NANDFLASH中，这样保证蓝牙设备跟采集仪一一对应。血压计，血糖仪在BLE协议里有标准定义。UUID就是他们的入口地址。以血压计为例，服务号UUID：1810（16进制）是压力实时值的入口。它里面，又分有三个特性，其中特性UUID：2A36是压力实时值。只要MCU控制蓝牙模块实时读取这个特性值，就可以获取血压计的压力值。

2.6WIFI模块选用山东济南有人公司生产的USR-C210。该公司的模块具有一个HTTPDClient功能模式，它把MCU发来的数据按照HTTP协议格式提交到网页服务器中，网页服务器解析数据发送到网页或者存储到数据库，反之亦然。MCU通过设置WIFI模块进入该模式，就可以使数据经过室内宽带路由器上传到互联网云服务器，实现医护人员远程监控。WIFI模块的接线图，如图7。

关键AT指令配置如下：

AT+WMODE=STA//STA客户端模式/

AT+WSTA=账号,密码//设置wifi账号和密码

AT+WKMOD=HTPC//Httpdclient模式

AT+HTPTP=POST//HTPC方式

AT+HTPSV=IP地址//HTPCIP(或服务器地址)

AT+HTPURL=/boxpressureup.asp//HTPCURL

AT+E=OFF//取消回显

AT+Z//WIF模块重启

3云服务器应用软件的建立要求选择服务器具有MSQL数据库功能，用于管理大量的生理数据。每个采集仪都有固定的序列号，在云服务器上能识别和追溯。建立分级权限（管理员>医护人员>个人）。

结束语：

本文设计的基于蓝牙4.0LE的生理数据采集仪，已经在某医院组织下，采购了几十台应用于大型厂矿企业。实践证明，该仪器无论成本和功能都非常符合医院和企业的使用要求。使用过程安装方便，操作简单，安全可靠。在近2年的使用过程中获得了大量临床数据，为以后大数据分析和价值的提升垫定了基础。

参考文献：

[1]欧阳俊.蓝牙4.0BLE开发完全手册［M］.北京：化学工业出版社，2013

[2]意法半导体（STMicroelectronics）STM32F103xCDE参考数据手册

[3]深圳指芯智能科技有限公司指芯科技QS808LF11UA规格书

[4]济南有人物联网技术有限公司USR-C210软硬件设计手册