基于nRF51-DK的智能心率手環設計

劉雯 鄭心雨 高宇暉 楊衍

摘 要：傳統智能手環存在心率檢測實時性差、無異常心率提醒等缺陷。文中針對傳統智能手環的不足，提出了一種基于nRF51-DK的智能心率手環的設計方案。文中設計的智能心率手環具有運動模式和正常模式切換功能，秒級心率檢測頻率、異常心率提醒功能，藍牙數據傳輸功能，心率數據統計功能等。實踐表明，該智能心率手環具有快速、方便及可靠等特點。

關鍵詞：心率檢測;手環;nRF51-DK;藍牙

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-00-03

0 引 言

根據世界衛生組織統計，心血管病死亡率居首位，明顯高于腫瘤及其他疾病。心血管疾病并不像普通病癥那樣會表現出癥狀，有很多患者的病癥表現是輕微、斷斷續續且難以辨別的，而實時的心率檢測可以有效檢測用戶的健康狀況，及時發現異常并提供解決方案。

隨著科技的快速發展，可以檢測心率的智能手環逐漸進入人們的視野，但市場上的一些主流智能手環/手表如小米手環、華為手環、Apple Watch等，存在心率檢測實時性差，心率異常時無提醒等缺陷。

本文針對上述問題，提出了一種智能心率手環的設計方案。該智能心率手環具有運動模式和正常模式的切換功能，秒級心率檢測頻率、異常心率提醒功能，藍牙數據傳輸功能，心率數據統計功能等，彌補了市面上主流手環的缺陷，為人們檢測自身健康并及早發現心血管病提供了解決方案。

1 智能心率手環原理

本文手環采用nRF51-DK ARM處理器作為智能手環的中央處理模塊，采用MAX30102心率PPG傳感器作為心率檢測模塊，采用LCD1602屏幕作為顯示模塊，采用藍牙與智能Android手機通信。系統總體框圖如圖1所示。

2 智能心率手環的方案設計

2.1 智能心率手環的硬件設計

硬件設計分為處理器選擇、心率傳感器選擇、其余元器件三個部分。

2.1.1 處理器的選擇

可選用nRF51系列SoC架構最大限度減少平均電流消耗，并支持各種無線應用的單芯片實現。nRF51-DK功能強大，采用低功耗32位ARM?CortexTMM0處理器，啟動時間為2 μs，與8/16位處理器相比，可最大限度縮短活動時間并提高代碼密度;它擁有先進、精細的電源管理方案，獨立的系統模塊可以獨立開機或關機，并根據活動水平自主控制時鐘;具有可編程外設互連（PPI）系統，使外設（如無線電，定時器和I/O）能夠彼此獨立交互，不涉及處理器，可通過最小化處理器活動時間來節省電力，同時放寬處理器的實時要求;靈活的GPIO映射簡化了PCB設計，有助于減少布線層的數量;定制2區存儲器保護單元（MPU）支持預編譯的協議棧（如ANT和藍牙低功耗）的程序存儲器和運行保護。

2.1.2 心率傳感器的選擇

MAX30102是一個集成了脈搏血氧和心率檢測功能的生物傳感器模塊，其本身集成了一個紅光LED和一個紅外光發射管、光電檢測器、光器件，以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路。MAX30102采用一個1.8 V邏輯電源和一個獨立的5.0 V內部LED電源，可應用在可穿戴設備上實現心率和血氧采集檢測。通過標準的I2C兼容通信接口可以將采集到的數值傳輸給STM32，Arduino等單片機進行心率計算。此外，該芯片還可通過軟件關斷模塊，使待機電流接近零。因為其優異的性能，本文選用此傳感器作為心率傳感器。

2.1.3 其余元器件

其余元器件包括顯示模塊LCD1602、提醒模塊小型震動馬達等。手環部分的硬件電路連接如圖2所示。

2.2 智能心率手環的軟件設計

手環的軟件設計分為手環處理器的軟件設計和Android手機APP設計兩部分。手環處理器的軟件部分采用mbed編寫，Android手機APP由Android Studio編寫，手環處理器的軟件流程如圖3所示，手機APP截圖如圖4所示。

3 結 語

經過對該智能手環原型機的驗證實驗可知，本文提出的基于nRF51-DK的智能心率手環具有快速、方便及可靠等特點。本文手環實時的心率檢測并統計功能可有效檢測用戶的健康狀況，發現異常并提供解決方案，為保障人們的心血管健康提供有力保障。但該手環仍然存在提升空間，如增加血氧含量的檢測、通過手機APP對手環模式進行切換等，這些功能有待于進一步研究。

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