STM32を用いた簡易スマート医療システムの実装

スマート医療システムは、現代の技術を医療分野に融合させた革新的な応用です。センサーやマイクロコントローラなどの技術を活用し、患者の生理的指標をリアルタイムでモニタリングし、遠隔医療サービスを提供したり、服薬時刻を通知したりする機能を備えています。本稿では、STM32マイクロコントローラを使用して、温度監視、心拍数監視、および薬剤リマインダー機能を備えたシンプルなスマート医療システムを開発します。

本システムは、STM32F103C8T6を主制御装置として、DS18B20温度センサーと心拍センサーで患者の体温と心拍数を監視し、ブザーで薬剤の服用をリマインドします。

ハードウェアの準備

必要なハードウェアは、STM32F103C8T6マイクロコントローラ、DS18B20温度センサー、心拍センサー、およびアクティブブザーです。以下に接続図を示します。

DS18B20:
GND -> GND
VCC -> 3.3V
DATA -> PA1

心拍センサー:
GND -> GND
VCC -> 3.3V
SIG -> PC13

ブザー:
VCC -> 3.3V
GND -> GND
SIGNAL -> PB8

温度監視機能の実装

温度センサーから値を読み取るために、OneWireプロトコルとDS18B20ライブラリを使用します。まず、GPIOとタイマーを初期化し、OneWireプロトコルを利用できるようにします。

#include "stm32f10x.h"

#define ONEWIRE_PORT GPIOA
#define ONEWIRE_PIN GPIO_Pin_1

void OneWire_DelayUs(uint32_t us) {
    us *= 12; // 72MHz / 6 = 12
    while (us--) {
        __NOP();
    }
}

void OneWire_Pin_Output(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ONEWIRE_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(ONEWIRE_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

void OneWire_Pin_Input(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ONEWIRE_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(ONEWIRE_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

void OneWire_Pin_High(void) {
    GPIO_SetBits(ONEWIRE_PORT, ONEWIRE_PIN);
}

void OneWire_Pin_Low(void) {
    GPIO_ResetBits(ONEWIRE_PORT, ONEWIRE_PIN);
}

uint8_t OneWire_Pin_Read(void) {
    return GPIO_ReadInputDataBit(ONEWIRE_PORT, ONEWIRE_PIN);
}

void OneWire_Reset(void) {
    OneWire_Pin_Output();
    OneWire_Pin_Low();
    OneWire_DelayUs(480);
    OneWire_Pin_Input();
    OneWire_DelayUs(60);
}

void OneWire_WriteBit(uint8_t bit) {
    OneWire_Pin_Output();
    if (bit == 1) {
        OneWire_Pin_Low();
        OneWire_DelayUs(6);
        OneWire_Pin_Input();
        OneWire_DelayUs(64);
    } else {
        OneWire_Pin_Low();
        OneWire_DelayUs(60);
        OneWire_Pin_Input();
        OneWire_DelayUs(10);
    }
}

uint8_t OneWire_ReadBit(void) {
    uint8_t bit = 0;
    OneWire_Pin_Output();
    OneWire_Pin_Low();
    OneWire_DelayUs(6);
    OneWire_Pin_Input();
    OneWire_DelayUs(9);
    if (OneWire_Pin_Read()) {
        bit = 1;
    }
    OneWire_DelayUs(55);
    return bit;
}

void OneWire_WriteByte(uint8_t byte) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        OneWire_WriteBit(byte & 0x01);
        byte >>= 1;
    }
}

uint8_t OneWire_ReadByte(void) {
    uint8_t byte = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        byte >>= 1;
        if (OneWire_ReadBit()) {
            byte |= 0x80;
        }
    }
    return byte;
}

void OneWire_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ONEWIRE_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(ONEWIRE_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

メイン関数では、DS18B20ライブラリを使用して温度センサーの値を読み取ります。

#include "stm32f10x.h"
#include "ds18b20.h"

int main(void) {
    OneWire_Init();
    while (1) {
        float temperature = DS18B20_GetTemperature();
        // 温度データの処理と表示
    }
}

心拍数監視機能の実装

心拍数センサーのパルス信号を測定するために、TIM3タイマーの入力キャプチャ機能を使用します。まず、TIM3とGPIOを初期化します。

#include "stm32f10x.h"

#define HEART_RATE_PORT GPIOC
#define HEART_RATE_PIN GPIO_Pin_13

volatile uint32_t last_capture = 0;
volatile uint32_t current_capture = 0;
volatile uint32_t pulse_interval = 0;
volatile uint16_t heart_rate_bpm = 0;

void TIM3_Configuration(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HEART_RATE_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(HEART_RATE_PORT, &GPIO_InitStructure);

    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

TIM3の割り込みサービス関数を実装し、そこで心拍データを処理します。

#include "stm32f10x.h"

void TIM3_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_CC1) != RESET) {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_CC1);

        current_capture = TIM_GetCapture1(TIM3);

        if (last_capture != 0) {
            if (current_capture >= last_capture) {
                pulse_interval = current_capture - last_capture;
            } else {
                pulse_interval = (0xFFFF - last_capture) + current_capture;
            }
            // 60秒あたりの拍数 = (72,000,000 / pulse_interval) * 60 / 1,000,000
            heart_rate_bpm = (72000000 / pulse_interval) * 60 / 1000000;
            // 心拍数データの処理と表示
        }
        last_capture = current_capture;
    }
}

メイン関数でTIM3タイマーを起動し、心拍センサーのパルス信号を測定します。

#include "stm32f10x.h"

int main(void) {
    TIM3_Configuration();

    while (1) {
        // その他の処理
    }
}

薬剤リマインダー機能の実装

ブザーを使用してリマインドするために、タイマーとブザーを初期化します。今回はPWM信号を生成してブザーの音程と時間を制御します。

#include "stm32f10x.h"

#define BUZZER_PORT GPIOB
#define BUZZER_PIN GPIO_Pin_8

void TIM4_PWM_Configuration(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BUZZER_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(BUZZER_PORT, &GPIO_InitStructure);

    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999; // PWM周期
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

    TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500; // デューティサイクル50%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

void Buzzer_Beep(uint16_t duration_ms) {
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
    OneWire_DelayUs(duration_ms * 1000);
    TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);
}

システムの統合

最後に、すべての機能を統合したメイン関数を作成します。ここでは、温度と心拍数を定期的に読み取り、特定の条件下でブザーを鳴らす例を示します。

#include "stm32f10x.h"
#include "ds18b20.h"

int main(void) {
    OneWire_Init();
    TIM3_Configuration();
    TIM4_PWM_Configuration();

    while (1) {
        float temperature = DS18B20_GetTemperature();
        // 例: 体温が38.0℃を超えた場合にブザーを鳴らす
        if (temperature > 38.0) {
            Buzzer_Beep(1000); // 1秒間ブザーを鳴らす
        }
        // その他のロジック
    }
}

タグ: STM32 マイクロコントローラ OneWire 入力キャプチャ PWM

6月27日 01:44 投稿

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