基于STM32的智能手環設計與實現

廖菲鈺 文歡 陳靖萱 康意萌 賈富川 劉旭

摘要：為了更好地監測人體健康狀況，設計了一款基于STM32核心控制模塊的智能手環。該手環主要由人體健康數據監測模塊、液晶顯示模塊和無線通訊模塊組成。系統利用人體健康數據監測模塊采集人體心率、血氧、體溫和運動狀況，對采集到的健康數據進行分析處理后在液晶顯示模塊輸出顯示，并將數據信息通過無線通訊模塊發送至手機端。經過測試，該智能手環可以有效用于監測用戶的健康狀況。

關鍵詞：溫度傳感器；STM32單片機；液晶顯示屏

中圖分類號：TP273? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）09-0099-05

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著科技的不斷發展，人們對于健康和生活質量的關注程度越來越高。在這個背景下，智能手環作為一種可以實時監測人體健康狀況的設備，受到了越來越多人的青睞。智能手環不僅可以實時監測用戶的心率、血氧、體溫、睡眠質量等生理指標，還可以通過連接手機App為用戶提供運動計步等功能。因此，設計一款基于STM32的智能手環具有很高的實用價值和市場前景。

本設計旨在實現一款基于STM32的智能手環，通過對各種傳感器的數據采集和處理，實現對用戶健康狀況的實時監測。本設計將采用高性能的STM32微控制器作為主控芯片，結合各種傳感器和外圍電路，實現對用戶健康狀況的全面監測。該手環由單片機電路、心率血氧檢測模塊、計步模塊、液晶顯示模塊和溫度傳感器模塊組成。心率血氧是指一般人心臟在安靜狀態下每分鐘跳動的次數和當前人體血紅蛋白氧含量是否正常。這是檢驗人體健康標準的一大指標，也是本次設計較為突出的一大重點。

1 設計方案

本設計采用STM32單片機作為主控模塊，C語言作為主要編程語言。智能手環的傳感器模塊主要是心率血氧采集模塊、計步模塊和溫度采集模塊。這些模塊包括加速度計、陀螺儀、心率傳感器、血氧傳感器等，用于采集用戶的運動數據，實時監測用戶身體機能，將檢測到的數據傳至單片機進行數據處理。單片機根據輸入的數據對OLED液晶顯示屏和蜂鳴器進行智能控制，實現數據顯示和報警功能。如果用戶體溫超過設定閾值或者心率血氧不在設定范圍內，則通過無線通訊模塊將數據上傳至手機App并進行報警提醒。系統框圖，如圖1所示。

2 硬件設計

智能手環包括心率血氧傳感器模塊、計步模塊、溫度檢測模塊、OLED顯示屏模塊及Wi-Fi無線通訊模塊，其硬件電路設計如圖2所示。

2.1 心率血氧傳感器模塊

本次設計的心率血氧模塊選用MAX30102紅外模塊。MAX30102是一種集成式脈搏氧飽和度血氧傳感器模塊，其工作原理是通過紅外光和綠色光對生物組織進行血氧飽和度檢測[1]。在本次設計中主要用于采集心率血氧信號。此模塊對心率信號采集較為穩定，其抗干擾能力較強，測量的數值比較準確，波形穩定。心率血氧模塊集成了一個紅光LED和一個紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路[2]。MAX30102采用一個1.8V電源和一個獨立的5.0V用于內部LED的電源，應用于可穿戴設備進行心率和血氧采集檢測，佩戴于手腕處[3]。標準的2C兼容的通信接口可以將采集到的數值傳輸給Arduino、KL25Z等單片機進行心率和血氧計算[4]。此外，該芯片還可通過軟件關閉模塊，待機電流接近為零，實現電源始終維持供電狀態[5-6]。心率血氧傳感器模塊如圖3所示。

圖3? 心率血氧模塊電路圖

2.2 計步模塊

本次設計的計步模塊選用ADXL345。ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度傳感器元件，具有13bit的解析度。經過容壓變換器、增益放大、濾波器和電壓信號輸出得到步數。ADXL345與移動設備的匹配度非常高，該傾角傳感器模塊電路利用任一軸線上的加速度與佩戴者設定數值進行比較來偵測是否有步數移動[8]。計步模塊如圖4所示。

2.3 DS18B20溫度檢測模塊

DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM數據存儲器，溫度傳感器，非易失性電可擦寫溫度報警觸發器TH和TL，非易失性電可擦寫設置寄存器。如果溫度檢測模塊測量的溫度值高于溫度報警觸發器TH或低于TL中的值，則DS18B20內部的報警標志位就被重置。DS18B20的測溫范圍為-55～+125℃，溫度轉換以16 位二進制方式輸出，位數可通過設置寄存器進行更改。DS18B20溫度檢測模塊如圖5所示。

2.4 OLED顯示屏電路模塊

OLED使用普通的矩陣交叉屏，OLED位于交叉排列的陽極和陰極中間，通過對陽極和陰極組合的選通，可以控制每一個OLED的點亮和熄滅[7]。

液晶顯示模塊中P5是一個4孔的排針，專門供OLED液晶顯示屏使用；顯示屏的SCL引腳連接的是單片機的B6引腳，通過SCL引腳傳輸串行時鐘數據；SDL引腳連接的是單片機的B7引腳，通過SDL引腳傳輸串行數據。OLED顯示屏電路模塊如圖6所示。

2.5 報警模塊電路

本次設計中，當檢測到溫度或心率血氧高于報警上限時，蜂鳴器報警。蜂鳴器由四部分組成，電阻、NPN三極管、蜂鳴器、LED燈。其中電阻為限流電阻，起到保護作用[9-10]。由于單片機電路非常小，無法提供蜂鳴器所需的電流，經過三極管將驅動電流放大至200倍，驅動蜂鳴器報警。報警模塊電路如圖7所示。

2.6 Wi-Fi無線通信設計

本次設計無線通信方面采用的是Wi-Fi模塊，通過此模塊可以把當前的數據發送到手機App上進行顯示。無線數據傳輸選用ESP8266，通過此模塊進行串口通信，在手機App就可以完成數據的傳輸和顯示，傳輸數據穩定[11-12]。

無線通信部分采用ESP8266無線串口作為數據發送模塊。在本次設計中的無線通信，通過Wi-Fi模塊，單片機將溫度和心率血氧值發送至手機端，并顯示在App上。Wi-Fi無線通信設計如圖8所示。

3 軟件設計

完整的控制系統由硬件系統和軟件系統組成，本設計利用STM32為控制中心，采用STM32F103C8T6芯片，利用Keil uVision5進行編程。設計主要分為主程序模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、溫度采集模塊、報警模塊、Wi-Fi模塊6個模塊。軟件設計流程圖如圖9所示。

主程序模塊：系統上電后，配置各個傳感器的引腳，初始化IIC分別讓OLED和ADXL345進行液晶顯示和數據采集等操作，采集完成后Wi-Fi串口初始化等待發送數據，DS18B20進行溫度采集操作，隨后心率傳感器獲取當前心率值，最后將采集到的數據通過無線通訊模塊發送到手機App端，同時控制OLED顯示當前采集到的數據，進入按鍵掃描判斷按鍵是否按下，如果檢測到按鍵按下則處理按鍵掃描函數。

3.1 液晶顯示模塊程序設計

液晶顯示屏正常工作需要寫入命令控制字，隨后寫入需要顯示的數據。如果液晶正在工作，則必須等待，直到液晶發出工作完成的信號時，才能夠寫入控制字和數據。液晶顯示模塊程序流程圖如圖10所示。

3.2 按鍵程序流程圖

該智能手環共包含5個按鍵，按鍵功能分別是切換、清零、設置、加、減。切換的頁面分別為設置心率上下限，設置血氧下限，設置溫度上下限，最后回到溫度、心率血氧、步數等總的中文顯示界面。按鍵程序流程圖如圖11所示。

3.3 DS18B20溫度采集程序流程圖

DS18B20中讀取溫度的過程如下：獲取DS18B20中的溫度值，該溫度值為BCD碼形式，隨后轉換為十進制形式輸出溫度值。此時輸出的溫度值是實際溫度的一百倍。隨后需要進行輸出溫度與實際溫度的轉換。首先需要初始化函數，其次讀取溫度傳感器的溫度，最后計算實際溫度值。DS18B20溫度采集程序流程圖如圖12所示。

3.4 蜂鳴器報警程序流程圖

本次設計的報警模塊采用了蜂鳴器聲光報警。將蜂鳴器正極性的一端連接到三極管上，并增加一個1K的限流電阻防止三極管直接被導通，通過單片機IO口輸出高電平。當管腳為高電平時，三極管導通，蜂鳴器的電流形成回路，發出聲音，發光二極管閃爍，即實現報警。當管腳為低電平時，三極管截至，蜂鳴器不發出聲音，發光二極管不閃爍，即不實現報警。蜂鳴器報警程序流程圖如圖13所示。

3.5 Wi-Fi程序流程圖

本次設計采用的無線通信模塊ESP8266，此模塊需要和單片機進行串口通信，通過相應的AT指令集和利用 Wi-Fi模塊的熱點模式便可以實現對數據的無線傳輸操作。ESP8266集成了TCP/IP協議棧，可以直接連接到Wi-Fi網絡，無需額外的外部芯片。電壓連接3.3V，GND（地線）、TXD（發送數據）、RXD（接收數據） 便可以實現和單片機進行通信，緊接著手機端可以接受到當前Wi-Fi發送的數據信息。Wi-Fi程序流程圖如圖14所示。

4 實物測試

最后一步是硬件整體測試，將智能手環在室內進行各項指標測試，通過溫水模擬人體溫度過高的情況。智能手環整體實物圖如圖15所示。啟動該手環LED屏顯示“歡迎使用智能手環”。實物運行圖如圖16所示。啟動后OLED屏界面分為顯示溫度、心率、血氧、計步4部分。該手環有五個按鍵，功能分別是切換、清零、設置、加、減。切換的頁面分別為設置心率上下限，設置血氧下限，設置溫度上下限，最后回到原始界面（溫度、心率血氧、步數等總的中文顯示界面）。通過按鍵模塊的設置功能，可以分別設置溫度閾值為35-37℃，心率閾值為60-100bpm，血氧下限為95％。按鍵功能設置如圖17所示。當三項指標的任意一項不在閾值范圍內時，OLED黃燈閃爍，蜂鳴器進行報警。不在閾值內的數據將在智能手環的LED顯示屏上不斷閃爍，同時通過無線通訊模塊將數據上傳至手機端，手機端彈出紅色報警提示框并顯示“患者體征異常”。實物測試結果如表1所示。

5 總結

本文提出了基于STM32智能手環的設計與實現方法。主要闡述了心率血氧溫度檢測和無線傳輸通信兩個部分。心率血氧溫度檢測模塊分別選用MAX30102和DS18B20進行心率血氧和溫度的采集，再通過無線通訊模塊上傳至手機App完成顯示，這是本設計的創新之處。同時該手環對傳染病防控有很大幫助，可以實現在零接觸的條件下管理者實時監測佩戴者的身體數據，當監測數據不在設定閾值內時觸發蜂鳴器報警，使管理者能夠通過手機App及時發現情況并采取對應的措施，從而大大降低了危險性。

本款運動手環有利于減輕醫療負擔，提高人們健康意識，通過對實物運行結果的分析，該手環已實現設計方案所預期的功能，性能穩定、檢測數據精準、應用前景廣泛。

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【通聯編輯：梁書】