基于STM32的智能運動手環系統的設計

趙俊杰，張艷芬，崔凱

（營口職業技術學院機電工程學院，遼寧營口,115000）

1 系統總體設計方案

本文設計的該款智能運動手環系統是以STM32F407芯片為核心，其硬件部分主要包括微處理器模塊、通信模塊、顯示模塊和傳感器模塊等。其中傳感器模塊包括九軸加速度傳感器、振動傳感器、光電心率傳感器和馬達振動傳感器。該智能運動手環的系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統的硬件設計

2.1 處理器的選型

在嵌入式系統中，經常需要控制許多結構簡單的外部設備或者電路，這些設備有的需要通過CPU控制，有的需要CPU提供輸入信號。對設備的控制，使用傳統的串口或者并口就顯得比較復雜，所以，在嵌入式微處理器上通常提供了一種“通用可編程I/O端口”，也就是GPIO。本系統的控制模塊是以單片機為核心，采用STM32F407型單片機芯片，該系列MCU面向需要在小至10×10mm的封裝內實現高集成度、高性能、嵌入式存儲器和外設，具有性價比高、性能強大、外設資源豐富，市場大等特點被廣泛應用。

2.2 通信模塊

該款智能運動手環通訊模塊采用CC藍牙來完成，通過低功耗藍牙(BLE)技術，將手環采集檢測的參數傳遞給手機APP。藍牙低能耗技術是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術，工作在免許可的2.4GHzISM射頻頻段。它從一開始就設計為超低功耗(ULP)無線技術。它利用許多智能手段最大限度地降低功耗。藍牙低能耗技術采用可變連接時間間隔，這個間隔根據具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術采用非常快速的連接方式，因此平時可以處于“非連接”狀態（節省能源），此時鏈路兩端相互間只是知曉對方，只有在必要時才開啟鏈路，然后在盡可能短的時間內關閉鏈路。BLE技術具有低成本、低功耗、高可靠性、快速啟動、瞬間連接等優點被廣泛應用。藍牙模塊帶有超低功耗的性能，節省可移動設備的電源功耗，可以在很多復雜的場景中工作。藍牙通信模塊通過藍牙通信傳輸數據，數據再經過串口和其他控制器進行交互，最終進行無線數據傳輸，將手環采集的步數和心率等數據傳輸到手機APP中。

2.3 顯示模塊

本系統基于整體硬件設計綜合考慮，顯示模塊采用的是0.96寸的OLED顯示屏，它能夠很好的顯示數據，比如運動步數、心率等。OLED顯示屏具有自發光性，且視角廣、節能、可柔性彎曲，其核心很薄，可以很好滿足本智能運動手環設計的需求。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊是該款智能運動手環的核心硬件器件，主要包括九軸加速度傳感器、震動傳感器和光電心率傳感器，能夠記錄運動步數、監測實時心率、檢測睡眠質量等。

2.4.1 九軸加速度傳感器

本系統采用的是MPU-9250型九軸加速度傳感器，對運動者的運動信息進行數據采集。MPU-9250型九軸加速度傳感器它包括16位ADC三軸陀螺儀信號輸出及調理、16位ADC三軸加速度信號輸出及調理和16位ADC三軸磁力計信號輸出及調理。其中MPU-9250陀螺儀是由三個獨立檢測X、 Y、Z軸的MEMS組成，利用科里典利效應來檢測每個軸的轉動，各種速率都可以被編程。MPU9250的三軸加速度也是單獨分開測量的，根據每個軸上的電容來測量軸的偏差度，每一個傳感器都有專門的ADC來提供數字性的輸出。三軸磁力計采用高精度的霍爾效應傳感器，通過驅動電路,信號放大和計算電路來處理信號來采集地磁場在X、 Y、Z軸上的電磁強度，其結構原理如圖2所示。

圖2 MPU-9250型九軸加速度傳感器原理圖

2.4.2 震動傳感器

本系統的振動傳感器采用的是1027手機扁平馬達，在振動速度傳感器的內部有一個被固定住的永久性磁鐵和一個被彈簧固定著的線圈，當振動存在的時候，永久性磁鐵會隨著外殼和物體一同振動。但此時的線圈卻不能和磁鐵一起振動，這樣就形成了電磁感應，線圈以一定的速度切割磁體產生的磁力線，最終輸出由此產生的電動勢。

2.4.3 光電心率傳感器

本系統采用MAX30102A型光電心率傳感器來實時監測心率數據。人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏和d氧飽和度測量壓，使其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成。MAX30102A型光電心率傳感器本身自帶18位高精度ADC，使用I2C接口與外接MCU通信，體積小、能耗小、外界干擾小，易于集成系統。MAX30102集成了LED驅動電路，可以根據不同情況調節LED電流，采樣率也可以根據不同應用進行選擇，其結構原理如圖3所示。

圖3 MAX30102A型光電心率傳感器原理圖

3 系統的軟件設計

3.1 主程序

該智能手環以STM32單片機為核心控制，采用C語言編程來實現其功能。首先對系統進行初始化設置，然后通過MPU-9250型九軸加速度傳感器和MAX30102A型光電心率傳感器對運動步數和心率等信號采集，并判斷是否檢測到采集的數據，之后再通過數值計算及 A/D 轉換將數據通過藍牙無線發送至服務器端，并通過OLED顯示模塊將其顯示。系統的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 實物調試

結合以上硬件部分和軟件部分的設計，通過實物搭建對該款智能運動手環進行設計調試。該款智能運動手環其模式選擇界面有自動模式和手動模式兩種。在自動模式下，可以設置運動模式時間和睡眠模式時間，然后點擊“保存”，就可以保存模式設置。在手動模式下，可以選擇“普通模式”、“運動模式”和“睡眠模式”。假如選擇“運動模式”，點擊“保存”后，RGB燈紅綠藍三種顏色閃爍，在OLED顯示屏上顯示運動的圖標。以監測運動步數和心率為例，在APP上設置為運動模式，然后搖動運動手環板卡，按K2按鍵兩次，OLED上便可以顯示步數，圖5和圖6分別為運動手環在OLED顯示屏上顯示運動步數和心率值的實物圖。

圖5 運動步數顯示實物圖

圖6 心率值顯示實物圖

5 總結

本文設計了一款智能運動手環，可以對人們的運動狀態和健康狀態進行監測顯示，以滿足人們對身體狀況的實時監測需求。該智能運動手環系統設計是以STM32F407型單片機芯片為控制核心，采用高性價比的0.96寸OLED顯示屏對其數據進行模塊顯示，且主要以MPU-9250型九軸加速度傳感器、1027手機扁平馬達震動傳感器和MAX30102A型光電心率傳感器作為主要器件，采用MPU-9250型九軸加速度傳感器采集佩戴者的心率信息，采用MAX30102A型光電心率傳感器對手環佩戴者的運動狀態和運動步數等數據采集處理，并驅動OLED顯示模塊實現數據實時顯示。同時該款智能運動手環的數據通過藍牙通信模塊將數據發送到云端服務器并將其發送到手機APP端，實現遠程實時手機監控。最后以對運動者的運動步數和心率監測為例，對該系統的設計研究進行實物調試，結果驗證了該款智能運動手環系統結構設計簡單，便于操作，且具有性能高、功耗低、安全可靠、成本低廉等優點，達到了預期的研究目標，可以被廣泛應用和推廣。