基于藍牙SOC的智能健康手表電子系統

樊國龍

（深圳市玉成創新科技有限公司研發部，深圳寶安，518126)

0 引言

隨著社會的飛速發展和人民生活水平的進一步提高,人們已經不僅僅滿足于生活的溫飽和娛樂,而是更多的關注自身的健康。更多人去追求健康的生活方式。與此同時,穿戴式智能設備概念的提出,為人們追求健康的生活方式提供了一個新的途徑。通過用穿戴式設備來監測用戶運動時的各項數據和睡眠時睡眠質量的方式受到越來越多的人的接受和推崇[1]。

據相關文獻顯示，人體的心率、血氧、心電、體溫參數，與人體的健康指數有著密切的關系[2~4]。現有技術通過對手腕處光電、人體皮膚導通特性的參數采集，能夠計算出心率，血氧，血壓等各類體征參數，并且能過濾出脈搏心電圖，為臨床醫學提供重要參考依據[5~7]。研究一種能夠測量人體各種體征參數的多功能穿戴智能健康手表電子系統，具有重要的市場價值和醫學價值。

1 系統功能模塊的劃分

圖1 所示為智能健康手表電子系統板塊框圖，根據智能健康手表電子系統所涉及到的幾項基本功能，可以將功能模塊劃分為數據采集系統，存儲系統，顯示交互系統，通訊系統幾個部分。各部分通過數據總線連接到主控制系統，并通過對主控制系統軟件開發，實現對各個板塊業務邏輯的調度及交互控制。

圖1 智能健康手表電子系統設計板塊框圖

2 系統詳細設計

2.1 主控制系統

圖2 所示為RTL8762D平臺的內核基本架構框圖[8]。其中包括Realtek提供的軟硬件平臺，即RTL8762D的最小系統。也是產品的中心部件。硬件層面上，包含了RTL8762D最小系統HDK。軟件層面上，包含了主控基本平臺搭建。包擴原始平臺的嵌入式系統SDK框架、協議棧，以及產品應用層UI、通信、驅動、算法等框架在工程中的融合。是搭建所有上層應用及交互顯示功能接口的基礎。

圖2 RTL876D2平臺的內核基本架構框圖

2.2 數據采集系統

圖3 所示為數據采集系統各部分構成框圖。采集系統包括對心電、心率、血氧、運動、睡眠、體溫、溫濕度、環境光等數據的采集。其中，對于這些參數的采集，可以分為以下幾個板塊。六軸板塊，用于采集睡眠、運動數據。溫濕度、環境光板塊，用于采集環境數據。光電/PD板塊，用于采集心率、血氧等臟腑數據，心電板塊，用于采集心電數據。紅外溫度感應板塊，用于采集體溫數據。所有的數據通過I2C、SPI和單總線，匯總到主控制系統MCU，并根據實際情況進行相應的操作響應、保存、顯示、上報等邏輯。

圖3 數據采集系統各部分構成框圖

2.3 存儲系統

圖4 所示為數據存儲管理系統框圖。存儲系統包括對采集數據，用戶設置數據，系統數據等非易失性數據的保存、讀取，同時包含對顯存、緩存等非易失性臨時數據的區域分配存放。非易失性存儲和緩存均包含了硬件層實現方式和軟件調度邏輯。對于程序、UI等只讀數據，基于flash物理連接和燒錄驅動，通過燒錄或者無線升級的方式直接寫入flash，在運行時段，程序部分數據通過系統XIP總線自動調度。對于采集數據，基于flash的物理連接和文件系統進行存儲。對于APP設置參數、系統參數、用戶配置參數，基于flash物理連接和底層驅動進行存儲。所有的邏輯部分，基于物理層和數據鏈路層驅動接口，通過應用層調度邏輯實現。

圖4 數據存儲管理系統框圖

2.4 顯示交互系統

圖5 所示為顯示交互系統框圖。顯示系統包括界面設計在產品端的展示以及界面之前的切換邏輯。分為硬件和軟

圖5 顯示交互系統框圖

件兩大塊。硬件構造包含了LCD及顯示驅動相關器件，交互器件即觸摸屏、按鍵在系統中的排布和連接。軟件部分，其中包含了UI素材的導入以及嵌入式軟件交互邏輯集成，交互邏輯包含了嵌入式端顯示、交互器件的驅動及算法，平臺顯示框架，以及應用層界面邏輯幾個板塊層次。

2.5 通信系統

圖6 所示為通信交互部分原理框圖。按照業務邏輯主要可以分為物理層，嵌入式系統層，APP接口層三大部分。物理層包括載波天線及其周邊布局，用于確保基帶的穩定傳輸。嵌入式系統層基于RTL8762D自帶的藍牙Ble5.1的協議棧及手表應用層藍牙通信協議的相關資源整合，可以劃分為Realtek藍牙協議棧框架，手表通信協議框架，應用層收發機響應邏輯三個部分。APP接口層則是依照手表通信協議編寫對應的SDK資源包實現接口。

圖6 通信交互部分原理框圖

3 硬件設計

3.1 硬件構成

圖7 所示為主板硬件構成框圖。包含了各類器件選型及連接方式，通過8080接口及連接TFT顯示器,在I2C總線上，同時掛載了觸摸屏，環境溫濕度，環境光，加速度計，以及PPG光電IC驅動，在SPI總線上，掛載了PSRAM、FLASH存儲器件，以及ADS1291高速心電驅動。通過單總線連接按鍵，紅外體溫傳感器。所有的數據參數通過數據總線匯總到主控制器RTL8762D。

圖7 硬件構成框圖

3.2 樣機實物

圖8 所示為本文所設計的智能健康手表系統框架指導下研發的樣機實物。支持自動和手動測量心率、血氧，體溫，環境溫濕度，環境光等各項參數。其體積小，參數齊全，便攜式穿戴的特點適應市場對電子產品多功能集成化的需求。

圖8 樣機實物

4 結束語

本設計方案采用了最新的系統級藍牙芯片作為主控，綜合了測量、采集、存儲、顯示、通信交互各項功能，集成度高，并能通過APP藍牙將數據推流至服務器后臺，符合大數據時代下人們對健康數據實時監測的基本需求。目前該智能健康手表電子系統設計已得到方案公司的廣泛應用及投產。