基于STM32 的智能健康手環(huán)設計與實現(xiàn)

郭子琦

（杭州電子科技大學 信息工程學院，杭州 311305）

目前在人們關注養(yǎng)生的大背景下，智能穿戴類設備將大有可為，其便捷小巧的外觀和讓人眼前一亮的感覺，引起大量消費者的關注。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，都是消費者喜愛的產(chǎn)品。由于智能穿戴設備在健康和醫(yī)療監(jiān)測方面具有極大的優(yōu)勢，得到消費者和業(yè)內(nèi)人士的肯定。智能穿戴設備將是消費電子產(chǎn)業(yè)下一步發(fā)展方向。智能端口真正進入與人體相互連接的新時代。

1 設計系統(tǒng)的功能要求與系統(tǒng)組成

1.1 設計系統(tǒng)的功能

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

智能手環(huán)應用在醫(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)省大量時間。病患戴上手環(huán)可通過手環(huán)檢測身體狀況，免去了醫(yī)生每天查房的繁瑣工作[2]。同時，一般病患可不用住院，回家也可以監(jiān)測身體情況，離開醫(yī)院壓抑的環(huán)境，不僅有利于病人病情的恢復還為家人減輕經(jīng)濟負擔，智能手環(huán)產(chǎn)品對人們的生活產(chǎn)生了深刻的影響[3]。將智能手環(huán)加入到醫(yī)學應用市場不僅可以大大節(jié)約人力物力還可以開拓更廣的醫(yī)學市場[4]?？傊?，本設計系統(tǒng)功能是為了正確和及時地監(jiān)測使用者的健康數(shù)據(jù)，并進行存儲。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要為軟硬件2 個結(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：通過軟件編程，實現(xiàn)各個模塊數(shù)據(jù)采集。然后，系統(tǒng)通過指定的算法對上述采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，得到具體的溫度值、心率值和行走步數(shù)，并通過OLED模塊進行顯示，配有4 個按鍵設置顯示時間和測量參數(shù)的范圍。

2 總體設計

個人健康助手是一種采集步數(shù)、監(jiān)測心率、測量體溫、顯示當前時間，超出正常范圍報警的系統(tǒng)。其分為一個個具體的模塊，分別是STM32 主控器，該芯片負責接收信息并進行處理加工；MAX30102 芯片負責采集心率并將數(shù)據(jù)傳送給主控器；按鍵模塊，按鍵一是設置，按鍵二是加，按鍵三是減，按鍵四是步數(shù)清零；DS1302 時鐘顯示芯片，負責顯示當前時間并具有掉電行走的功能；MLX90615 負責采集當前溫度并將數(shù)據(jù)傳送給STM32；ADXL345 計步芯片，負責采集使用者當前行走步數(shù)并將數(shù)據(jù)傳送給STM32；蜂鳴器聲光報警模塊，在接收的數(shù)據(jù)超出設定的正常范圍內(nèi)，負責進行報警提示；OLED 液晶顯示模塊，負責接收STM32 發(fā)送的指令并顯示當前時間、溫度、步數(shù)、心率。

個人健康助手系統(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、按鍵設置、時鐘顯示、溫度采集、液晶顯示、計步和聲光報警8 個部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設計

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，具有成本低、速度快、性價比高等優(yōu)點[5]。最小單片機系統(tǒng)就是讓單片機能正常工作并發(fā)揮其功能時所必須的組成部分，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系統(tǒng)[6]。本設計采用了基于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)點是：反應快、準度高、安全、不直接接觸、可在動態(tài)中完成測量和不影響溫度場的分布等。

3.3 心率監(jiān)測儀選擇

本系統(tǒng)選用MAX30102。優(yōu)點是小巧，價格低廉，普遍實用，可佩戴于手指、耳垂和手腕等處。測心率原理為采用PPG 光電容積脈搏波描記法，內(nèi)置的微控制器對測量數(shù)據(jù)進行處理運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備設計開發(fā)的血氧飽和度和心率監(jiān)測傳感器，集光源、接收、濾波和數(shù)字化為一體[7]。一個標準的I2C 兼容的通信接口可以將收集到的用于心率計算的心率值傳輸給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，具有非常可靠的性能。如圖2 所示。

3.4 監(jiān)測步數(shù)傳感器選擇

ADXL345 工作原理為當加速度曲線跨過動態(tài)閥值的上下限時判斷邁出步子。三軸加速度同時檢測，加速度變化最大的軸的方向就是當前運動方向。本設計選用該傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測人的運動信息，ADXL345小巧輕薄且省電，高分辨率，可通過I2C 數(shù)字接口進行訪問，非常適合個人健康手環(huán)這種小巧便攜的設備使用，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)光的有機半導體為基礎，工作原理是有機半導體和發(fā)光材料在復雜的電場驅(qū)動下，進行載流子注入和發(fā)射。OLED 顯示器具有柔韌、低功耗和寬屏幕視角的優(yōu)點。

3.6 時鐘模塊

本設計選用DS1302 作為時鐘模塊，該時鐘模塊自帶RAM，使用方便，接線簡單，可以對年、月、日、分、秒計時，具有閏年補償功能。特別適合作為健康智能手環(huán)的時間顯示模塊，實時告知使用者當前時間，可以作為計量跑步、行走時間的工具。

4 軟件設計及實現(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，MLX90615 測量人體溫度并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控器芯片，處理后單片機將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊以顯示。當人行走時，ADXL345 計步并將數(shù)據(jù)發(fā)給單片機，計算后將數(shù)據(jù)傳到OLED。當人將手指放在MAX30102 脈搏測量模塊上時，該模塊將測量心率并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機計算處理后將數(shù)據(jù)傳輸給OLED 顯示模塊顯示，并且所有數(shù)據(jù)會實時更新。具體工作流程如圖4 所示。

圖4 程序流程圖

4.2 軟件功能實現(xiàn)

時鐘功能實現(xiàn)。DS1302 時鐘內(nèi)部有年、月、周、日、時、分、秒寄存器，并且?guī)в虚c年補償?shù)墓δ?，負責記錄當前時間并將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32 主控器，并且有掉電行走的功能。

按鍵功能實現(xiàn)。在本設計中，將有4 個按鍵來調(diào)控OLED 顯示模塊的顯示內(nèi)容，按鍵一負責設置選擇要調(diào)控的選項，按鍵二負責加，按鍵三負責減，按鍵四負責步數(shù)清零。

測溫功能實現(xiàn)。本設計采用MLX90615 作為溫度傳感器來檢測人體或環(huán)境溫度，使用時貼近人體部位，本系統(tǒng)會接收測量數(shù)據(jù)并進行計算處理后發(fā)送給OLED 模塊進行顯示。

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

5 硬件測試

5.1 數(shù)據(jù)測試

經(jīng)過10 組測試，得測試數(shù)據(jù)見表1。如第1 次測試，實際步數(shù)為114 步，監(jiān)測步數(shù)為112 步，實際體溫為36.7℃，測量體溫為36.3 ℃，實際心率為76 次/min，測量心率為80 次/min，測量準確度為97.30%。各項數(shù)據(jù)平均值均精確到小數(shù)點后兩位。在測量過程中，各項測量數(shù)據(jù)由本系統(tǒng)得出，而實際體溫使用醫(yī)用水銀溫度計測量所得，實際心率數(shù)據(jù)使用小米通訊技術有限公司的型號為M2102J2SC 的設備測量所得?？倻蚀_度為步數(shù)、體溫、心率各自準確度取平均所得。經(jīng)過10 組測試對比數(shù)據(jù)，并求出各項數(shù)據(jù)平均值進行對比分析，計算得出最終平均準確度為96.67%，本系統(tǒng)測量準確度較高。

表1 數(shù)據(jù)測試表

從表1 中可以得出，本系統(tǒng)測量精度較高并且可以同時測量多項指標，彌補了傳統(tǒng)的體溫計和心率測量儀測量指標單一的缺點。

5.2 實物報警測試

在實際使用過程中，當測量數(shù)據(jù)超出本系統(tǒng)所設置的正常范圍時，異常的參數(shù)會在OLED 顯示屏上閃爍提醒使用者，LED 燈會進行閃爍報警，蜂鳴器會進行發(fā)聲報警提示。起到實時提醒使用者關注自身健康數(shù)據(jù)的作用，待到各項健康數(shù)據(jù)都回到系統(tǒng)設定的正常范圍時，自動停止聲光報警和OLED 顯示屏閃爍提醒。

6 結(jié)束語

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，形成了一套準確有效的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，具有操作簡便、抗干擾能力強、實時顯示當前時間和準確測量各項數(shù)據(jù)等優(yōu)點。在日常生活中，實時向使用者提供個人健康指數(shù)，并提醒人們關注自身健康狀況，必要時及時就醫(yī)。

在當下這個智能化迅速發(fā)展的時代，智能健康手環(huán)的應用前景廣泛，該系統(tǒng)小巧便攜，穩(wěn)定性強，成本低廉，具有很強的市場競爭力和應用前景。