基于STM32 的智能健康手環(huán)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭子琦

（杭州電子科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 311305）

目前在人們關(guān)注養(yǎng)生的大背景下，智能穿戴類設(shè)備將大有可為，其便捷小巧的外觀和讓人眼前一亮的感覺(jué)，引起大量消費(fèi)者的關(guān)注。如已經(jīng)上市的蘋果公司的IWATCH、小米公司的智能手環(huán)以及華為公司的HUAWEI WATCH，都是消費(fèi)者喜愛(ài)的產(chǎn)品。由于智能穿戴設(shè)備在健康和醫(yī)療監(jiān)測(cè)方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，得到消費(fèi)者和業(yè)內(nèi)人士的肯定。智能穿戴設(shè)備將是消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)下一步發(fā)展方向。智能端口真正進(jìn)入與人體相互連接的新時(shí)代。

1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能要求與系統(tǒng)組成

1.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能

智能手環(huán)是一種時(shí)尚的穿戴式智能設(shè)備，具有計(jì)步和測(cè)量距離、卡路里等基本功能，還具有活動(dòng)、鍛煉、睡眠等模式，可以記錄營(yíng)養(yǎng)情況，擁有智能鬧鐘、健康提醒等功能[1]。

智能手環(huán)應(yīng)用在醫(yī)療方面，不僅可以節(jié)省人力物力還可為醫(yī)療人員節(jié)省大量時(shí)間。病患戴上手環(huán)可通過(guò)手環(huán)檢測(cè)身體狀況，免去了醫(yī)生每天查房的繁瑣工作[2]。同時(shí)，一般病患可不用住院，回家也可以監(jiān)測(cè)身體情況，離開(kāi)醫(yī)院壓抑的環(huán)境，不僅有利于病人病情的恢復(fù)還為家人減輕經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，智能手環(huán)產(chǎn)品對(duì)人們的生活產(chǎn)生了深刻的影響[3]。將智能手環(huán)加入到醫(yī)學(xué)應(yīng)用市場(chǎng)不僅可以大大節(jié)約人力物力還可以開(kāi)拓更廣的醫(yī)學(xué)市場(chǎng)[4]。總之，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能是為了正確和及時(shí)地監(jiān)測(cè)使用者的健康數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要為軟硬件2 個(gè)結(jié)構(gòu)組成。硬件結(jié)構(gòu)包含STM32F103C8T6、MAX30102 心律采集芯片、ADXL345 步數(shù)采集芯片、MLX90615 溫度傳感器、OLED 液晶顯示以及蜂鳴器等模塊。該系統(tǒng)工作原理是：通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊數(shù)據(jù)采集。然后，系統(tǒng)通過(guò)指定的算法對(duì)上述采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到具體的溫度值、心率值和行走步數(shù)，并通過(guò)OLED模塊進(jìn)行顯示，配有4 個(gè)按鍵設(shè)置顯示時(shí)間和測(cè)量參數(shù)的范圍。

2 總體設(shè)計(jì)

個(gè)人健康助手是一種采集步數(shù)、監(jiān)測(cè)心率、測(cè)量體溫、顯示當(dāng)前時(shí)間，超出正常范圍報(bào)警的系統(tǒng)。其分為一個(gè)個(gè)具體的模塊，分別是STM32 主控器，該芯片負(fù)責(zé)接收信息并進(jìn)行處理加工；MAX30102 芯片負(fù)責(zé)采集心率并將數(shù)據(jù)傳送給主控器；按鍵模塊，按鍵一是設(shè)置，按鍵二是加，按鍵三是減，按鍵四是步數(shù)清零；DS1302 時(shí)鐘顯示芯片，負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前時(shí)間并具有掉電行走的功能；MLX90615 負(fù)責(zé)采集當(dāng)前溫度并將數(shù)據(jù)傳送給STM32；ADXL345 計(jì)步芯片，負(fù)責(zé)采集使用者當(dāng)前行走步數(shù)并將數(shù)據(jù)傳送給STM32；蜂鳴器聲光報(bào)警模塊，在接收的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的正常范圍內(nèi)，負(fù)責(zé)進(jìn)行報(bào)警提示；OLED 液晶顯示模塊，負(fù)責(zé)接收STM32 發(fā)送的指令并顯示當(dāng)前時(shí)間、溫度、步數(shù)、心率。

個(gè)人健康助手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成框圖如圖1 所示，該系統(tǒng)包括STM32 數(shù)據(jù)處理、心率采集、按鍵設(shè)置、時(shí)鐘顯示、溫度采集、液晶顯示、計(jì)步和聲光報(bào)警8 個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控器選擇

本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6 作為主控器芯片。STM32F103C8T6 是一款基于ARM 32 位的CortextM3內(nèi)核的單片機(jī)，具有成本低、速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[5]。最小單片機(jī)系統(tǒng)就是讓單片機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能時(shí)所必須的組成部分，也可理解為是用最少元件組成的可以完成最基本工作的單片機(jī)系統(tǒng)[6]。本設(shè)計(jì)采用了基于STM32F103C8T6 的最小系統(tǒng)板，包括微控制器、晶體振蕩電路和復(fù)位電路。

3.2 溫度傳感器選擇

本系統(tǒng)選用數(shù)字式紅外溫度傳感器MLX90615。該器件的優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)快、準(zhǔn)度高、安全、不直接接觸、可在動(dòng)態(tài)中完成測(cè)量和不影響溫度場(chǎng)的分布等。

3.3 心率監(jiān)測(cè)儀選擇

本系統(tǒng)選用MAX30102。優(yōu)點(diǎn)是小巧，價(jià)格低廉，普遍實(shí)用，可佩戴于手指、耳垂和手腕等處。測(cè)心率原理為采用PPG 光電容積脈搏波描記法，內(nèi)置的微控制器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算后得到心率血氧數(shù)值。系統(tǒng)的心率傳感器MAX30102 為MAXIM 公司2016 年推出的專為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的血氧飽和度和心率監(jiān)測(cè)傳感器，集光源、接收、濾波和數(shù)字化為一體[7]。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C 兼容的通信接口可以將收集到的用于心率計(jì)算的心率值傳輸給STM32 微控制器。內(nèi)置的玻璃罩有效地消除了外部和內(nèi)部的光線干擾，具有非?？煽康男阅堋Ｈ鐖D2 所示。

3.4 監(jiān)測(cè)步數(shù)傳感器選擇

ADXL345 工作原理為當(dāng)加速度曲線跨過(guò)動(dòng)態(tài)閥值的上下限時(shí)判斷邁出步子。三軸加速度同時(shí)檢測(cè)，加速度變化最大的軸的方向就是當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向。本設(shè)計(jì)選用該傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人的運(yùn)動(dòng)信息，ADXL345小巧輕薄且省電，高分辨率，可通過(guò)I2C 數(shù)字接口進(jìn)行訪問(wèn)，非常適合個(gè)人健康手環(huán)這種小巧便攜的設(shè)備使用，如圖3 所示。

圖3 ADXL345 芯片

3.5 顯示模塊選擇

本系統(tǒng)使用OLED 顯示屏。它是以發(fā)光的有機(jī)半導(dǎo)體為基礎(chǔ)，工作原理是有機(jī)半導(dǎo)體和發(fā)光材料在復(fù)雜的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行載流子注入和發(fā)射。OLED 顯示器具有柔韌、低功耗和寬屏幕視角的優(yōu)點(diǎn)。

3.6 時(shí)鐘模塊

本設(shè)計(jì)選用DS1302 作為時(shí)鐘模塊，該時(shí)鐘模塊自帶RAM，使用方便，接線簡(jiǎn)單，可以對(duì)年、月、日、分、秒計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能。特別適合作為健康智能手環(huán)的時(shí)間顯示模塊，實(shí)時(shí)告知使用者當(dāng)前時(shí)間，可以作為計(jì)量跑步、行走時(shí)間的工具。

4 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件選擇及工作流程

系統(tǒng)程序部分由Keil5 撰寫。該系統(tǒng)接通電源時(shí)，MLX90615 測(cè)量人體溫度并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控器芯片，處理后單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊以顯示。當(dāng)人行走時(shí)，ADXL345 計(jì)步并將數(shù)據(jù)發(fā)給單片機(jī)，計(jì)算后將數(shù)據(jù)傳到OLED。當(dāng)人將手指放在MAX30102 脈搏測(cè)量模塊上時(shí)，該模塊將測(cè)量心率并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算處理后將數(shù)據(jù)傳輸給OLED 顯示模塊顯示，并且所有數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)更新。具體工作流程如圖4 所示。

圖4 程序流程圖

4.2 軟件功能實(shí)現(xiàn)

時(shí)鐘功能實(shí)現(xiàn)。DS1302 時(shí)鐘內(nèi)部有年、月、周、日、時(shí)、分、秒寄存器，并且?guī)в虚c年補(bǔ)償?shù)墓δ?，?fù)責(zé)記錄當(dāng)前時(shí)間并將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32 主控器，并且有掉電行走的功能。

按鍵功能實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中，將有4 個(gè)按鍵來(lái)調(diào)控OLED 顯示模塊的顯示內(nèi)容，按鍵一負(fù)責(zé)設(shè)置選擇要調(diào)控的選項(xiàng)，按鍵二負(fù)責(zé)加，按鍵三負(fù)責(zé)減，按鍵四負(fù)責(zé)步數(shù)清零。

測(cè)溫功能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用MLX90615 作為溫度傳感器來(lái)檢測(cè)人體或環(huán)境溫度，使用時(shí)貼近人體部位，本系統(tǒng)會(huì)接收測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算處理后發(fā)送給OLED 模塊進(jìn)行顯示。

監(jiān)測(cè)心率功能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)使用MAX30102 芯片來(lái)收集人的心跳數(shù)據(jù)，該模塊使用IIC 進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸引腳必須首先放在程序中并單獨(dú)放置，然后進(jìn)行初始化。計(jì)算心率時(shí)，工作原理基于血紅蛋白的吸收光譜特性，通過(guò)發(fā)射紅光LED 和紅外LED，在皮膚表面形成一個(gè)紅光和紅外線交替的光源，并通過(guò)光電二極管采集皮膚反射的光信號(hào)，隨后通過(guò)前段放大電路和數(shù)字信號(hào)處理電路處理獲得的信號(hào)。

5 硬件測(cè)試

5.1 數(shù)據(jù)測(cè)試

經(jīng)過(guò)10 組測(cè)試，得測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。如第1 次測(cè)試，實(shí)際步數(shù)為114 步，監(jiān)測(cè)步數(shù)為112 步，實(shí)際體溫為36.7℃，測(cè)量體溫為36.3 ℃，實(shí)際心率為76 次/min，測(cè)量心率為80 次/min，測(cè)量準(zhǔn)確度為97.30%。各項(xiàng)數(shù)據(jù)平均值均精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。在測(cè)量過(guò)程中，各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)由本系統(tǒng)得出，而實(shí)際體溫使用醫(yī)用水銀溫度計(jì)測(cè)量所得，實(shí)際心率數(shù)據(jù)使用小米通訊技術(shù)有限公司的型號(hào)為M2102J2SC 的設(shè)備測(cè)量所得。總準(zhǔn)確度為步數(shù)、體溫、心率各自準(zhǔn)確度取平均所得。經(jīng)過(guò)10 組測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)，并求出各項(xiàng)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算得出最終平均準(zhǔn)確度為96.67%，本系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度較高。

表1 數(shù)據(jù)測(cè)試表

從表1 中可以得出，本系統(tǒng)測(cè)量精度較高并且可以同時(shí)測(cè)量多項(xiàng)指標(biāo)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的體溫計(jì)和心率測(cè)量?jī)x測(cè)量指標(biāo)單一的缺點(diǎn)。

5.2 實(shí)物報(bào)警測(cè)試

在實(shí)際使用過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)超出本系統(tǒng)所設(shè)置的正常范圍時(shí)，異常的參數(shù)會(huì)在OLED 顯示屏上閃爍提醒使用者，LED 燈會(huì)進(jìn)行閃爍報(bào)警，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行發(fā)聲報(bào)警提示。起到實(shí)時(shí)提醒使用者關(guān)注自身健康數(shù)據(jù)的作用，待到各項(xiàng)健康數(shù)據(jù)都回到系統(tǒng)設(shè)定的正常范圍時(shí)，自動(dòng)停止聲光報(bào)警和OLED 顯示屏閃爍提醒。

6 結(jié)束語(yǔ)

本智能健康手環(huán)系統(tǒng)以STM32 為核心，結(jié)合MLX90615、DS1302、OLED 顯示模塊、MAX30102、ADXL345，形成了一套準(zhǔn)確有效的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間和準(zhǔn)確測(cè)量各項(xiàng)數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。在日常生活中，實(shí)時(shí)向使用者提供個(gè)人健康指數(shù)，并提醒人們關(guān)注自身健康狀況，必要時(shí)及時(shí)就醫(yī)。

在當(dāng)下這個(gè)智能化迅速發(fā)展的時(shí)代，智能健康手環(huán)的應(yīng)用前景廣泛，該系統(tǒng)小巧便攜，穩(wěn)定性強(qiáng)，成本低廉，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用前景。