[作品提交] 【DigiKey创意大赛】便携生命探测仪07+作品提交

sipower 2024-11-2 00:16 楼主

便携生命探测仪

作者：sipower

一、作品简介
现在越来越多业余驴友喜欢户外冒险，但是随之而来的就是遇到危险的情况时有发生，因此我想到做一个便携生命探测仪，在发生危险时，能帮助救援人员方便找到遇险者。此方案主要采用热敏式图像传感器MLX90640ESF-BAB-000-TU检测人体红外信号，采用BME680气体，湿度，压力，温度传感器评估板记录环境信息，配合一个带屏幕的评估板，显示热成像图片。再额外添加一个心电采集模块，当发现遇险者后，能立即给遇险者采集心电图和心率并在屏幕上显示，方便救援人员判断生命体征状态，好制定下一步救援计划。下图是最终的作品照片，我用纸壳做成一个手枪形态的样子。

本次作品从得捷电子采购的器件：

序号	型号	名称	用途
1	MLX90640ESF	热敏式图像传感器	检测人体红外信号
2	3660	BME680评估板	采集气体，湿度，压力，温度参数
3	DFR1075	ESP32-C6评估板	转换心电数据格式
4	JB2835AWT-W	白色发光管	用于探测仪照明

本次作品自备的器件：

序号	型号	名称	用途
1	DFR0975	ESP32-S3评估板	主控板实现数据处理和现实功能
2	MSP3520	3.5英寸480*320分辨率触摸屏	显示热成像图像和心电波形
3	LH001-91	心电评估板	采集心电数据

二、系统框图
整个系统框图如下图。

如上图所示，ESP32-S3评估板作为主控板，通过SPI接口连接一片480*320分辨率的触摸屏，用来显示各个检测数据、图像、心电波形。通过串口连接一片ESP32-C6评估板。ESP32-C6负责通过串口从LH001-91心电评估板接收字符串数据，然后选择心电波形、心率、导联脱落数据转换成浮点数，再从另外一个串口发给主控板。通过I2C接口连接热敏式图像传感器MLX90640ESF-BAB-000-TU检测人体红外信号，转换成热成像实时图片刷新到显示屏。通过I2C接口连接BME680气体，湿度，压力，温度传感器评估板记录环境信息，并显示在屏幕上。

三、各部分功能说明

所有板子，传感器，屏幕等器件焊接好，并打胶加固后的效果如下图。

热成像传感器MLX90640
该传感器分辨率为32H x 24V阵列，封装是TO-39，本次大赛两个必选料之一。焊接好的图片如下。和主控板之间采用I2C接口。该传感器软件驱动我这里参考Adafruit_MLX90640的库，再结合显示屏特点进行了调色板处理，通过差值将32*24点阵放大到320*240点阵，可以在屏幕上均匀显示，祛除颗粒感。
主控板
选的是以前做评测攒下的一块ESP32-S3开发板，由DFRobot设计的FireBeetle-ESP32-S3，如下图。该评估板提供非常丰富的IO接口，可以满足大部分DIY的需求。这个板卡的程序我在VScode+PlatformIO平台开发，使用体验非常好，强烈推荐没用过的同行们尝试一下。
显示屏
选了一块480*320的TFT，如下图，也是以前做评测攒下的。该屏幕采用SPI接口，带电阻式触摸屏，使用该屏幕可以省掉按键，配合开源显示驱动库TFT_eSPI，可以非常方便的实现各种显示功能。这里需要特别说明一下，由于该屏幕使用的驱动IC ILI9488是18bit数据，TFT_eSPI是不支持DMA的，我这使用了一些技巧，最终实现DMA写屏，使得热成像刷新率显著提高，具体的细节可以参考我分享的第三贴。
BME680传感器

该传感器具有SPI和I2C两种接口，由于我用的这个ESP32-S3开发板引出的SPI口接屏了并且SPI占IO口比较多，我择使用I2C接口连接BME680小板，最开始为了省事我把它和MLX90640挂在同一个I2C总线上了。但是我发现一个问题，就是每次读取BME680时候，热成像刷新都会卡顿一下，体验不好，原因就是共用总线造成的。好在ESP32-S3有多个I2C，并且还有一个巨牛掰的GPIO交换矩阵，可以让外设使用任意IO口。于是我从引脚分配表上找了2个闲置的IO口A4和A5配置成了I2C总线，完美解决卡顿问题。采集数据显示如下图。

心电采集部分
本次作品为了实现心电采集，我选用了领慧立芯推出的医疗级模拟前端心电采集方案。具体实现采用的是领慧立芯的心电采集评估板，该评估板基于LH001-91设计。
LH001-91是专门针对心电信号采集而开发的医疗级模拟前端，集成了24位Σ-Δ ADC，可编程增益放大器，右腿驱动，导电脱落监测等功能。更详细资料见如下链接：
http://www.legendsemi.com/hyyy_2/4.html
下图是我申请到的LH001-91的评估板，主要由AFE（LH001-91），通用MCU和两侧的三个电极组成。

为了降低主控端的软件复杂度，我还选用了一块ESP32-C6开发板做心电数据解析，该开发板由DFRobot设计研发，型号是FireBeetle 2 ESP32-C6。如下图所示。

FireBeetle 2 ESP32-C6采用较新的RISC-V内核，在官方VScode+PlatformIO平台还不支持Arduino架构，最后采用ArduinoIDE做的程序开发。详细程序见作品源代码。
在本次作品中主要是用到了ESP32-C6的两个串口做协议转换。原理框图如下图。

我在PC端用了一个能显示串口数据波形的软件，ESP32-C6负责从LH001-91评估板接收字符串数据，然后转换成上位机软件能识别的协议，再从另外一个串口发出去。最后由主控板接收数据并显示在屏幕上。心电显示效果如下图。
照明部分

考虑到这个探测仪会在黑暗环境下工作，我在作品最前端加了2个高亮白光LED发光管。在最终的手枪状扳机处粘了一个按键，可以控制发光管的亮灭。局部照片如下图。

四、作品源码

ESP32-S3程序采用VScode+PlatformIO平台开发。

ESP32-C6程序采用ArduinoIDE开发。

便携生命探测仪源代码

https://download.eeworld.com.cn/detail/sipower/634850

五、作品功能演示视频

便携生命探测仪

六、项目总结

感谢EEWorld和得捷电子提供的这次机会，让我体验了热敏式图像传感器MLX90640和环境检测传感器BME680。然后做出这个有意义的作品。在开发过程中，感觉到ESP32单片机生态系统很完善，不但有非常好用的Arduino平台，还有更强大的VScode+PlatformIO开发平台，让程序开发更加高效稳健。

下面链接是本次作品开发过程中的经验分享贴，本文中没有详细介绍的内容，在下面帖子中都能找到。

https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1290207-1-1.html

https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1291434-1-1.html

https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1292207-1-1.html

https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1294411-1-1.html

https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1294434-1-1.html

https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1296592-1-1.html

七、其他

无。