智能手環(huán)設(shè)計(jì)和研究

李鳴佩

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

從20 世紀(jì)末期，手環(huán)出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)，然而市場(chǎng)上的手環(huán)產(chǎn)品和國(guó)外的產(chǎn)品相差較大，國(guó)內(nèi)的相關(guān)電子科技方案的人員較少，只有較少的企業(yè)愿意投入資金去研發(fā)這類產(chǎn)品，所以產(chǎn)品之間存在差距。此款電子手環(huán)采用三軸加速度傳感器ADXL345，通過單片機(jī)控制，可以獲得人體動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，例如計(jì)步、傾斜角度等數(shù)據(jù)。電子手環(huán)具有功耗低、精度高、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。整體而言，手環(huán)正朝著多功能，高精度和低價(jià)格的方向發(fā)展。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)（圖1）

圖1 最小系統(tǒng)接線圖

整個(gè)系統(tǒng)包括三軸傳感器、體溫采集、心率采集、藍(lán)牙通信、按鍵、顯示以及主控制器。RTC 內(nèi)部時(shí)鐘提供時(shí)鐘信號(hào)，通過反射式光電傳感器采集心率信號(hào)STM32 內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換測(cè)量心率，LMT70 溫度傳感器實(shí)現(xiàn)體溫測(cè)量。OLED 顯示體溫、步數(shù)、日期時(shí)間、心率等信息，可通過BT06 藍(lán)牙模塊傳輸至第三方手機(jī)軟件APP（藍(lán)牙助手）顯示。三個(gè)按鍵用于調(diào)整日期、時(shí)間和數(shù)據(jù)，具有一個(gè)清除步數(shù)按鍵，還具有一個(gè)切換信息顯示按鍵。步數(shù)每天00:00 會(huì)自動(dòng)清除前一天的步數(shù)，也可通過按鍵清除。

1.2 主控制器方案（圖2）

圖2 STM32F103C8T6 引腳圖

本次設(shè)計(jì)采用性能比較高的STM32F103 系列單片機(jī)，具有128k Flash 的芯片STM32F103C8T6 作為主控。該器件擁有32位數(shù)據(jù)處理能力，器件的成本低、性能強(qiáng)、能耗小。開發(fā)技術(shù)可以采用THUMB-2 指令，更加方便開發(fā)者進(jìn)行開發(fā)，加快了項(xiàng)目完成進(jìn)度。器件封裝為貼片形式，所以占用空間小，集成度高，器件一共有48 個(gè)外設(shè)接口，器件的工作頻率最大可到72MHz。

1.3 藍(lán)牙通信方案（圖3）

圖3 藍(lán)牙通信電路圖

藍(lán)牙模塊可以在寬范圍的溫度環(huán)境中運(yùn)行，模塊的穩(wěn)定性強(qiáng)，可以在很多復(fù)雜的場(chǎng)景中工作。模塊帶有超低功耗功能，節(jié)省可移動(dòng)設(shè)備的電源功耗。藍(lán)牙通信模塊帶有串口通信方案，模塊通過藍(lán)牙通信傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)再經(jīng)過串口和其他控制器進(jìn)行交互。最終進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，將心率、體溫?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)。

1.4 三軸傳感器方案（圖4）

圖4 三軸傳感器電路圖

作為一款低功耗而且體積較小的加速度計(jì)，數(shù)字式加速度傳感器ADXL345，主要是通過進(jìn)行加速度變換，進(jìn)而改變內(nèi)部電壓電阻以及電容的變化情況。使用者在行走的過程當(dāng)中，身體會(huì)上下起伏，微控制可讀取該傳感器的三組模擬量，通過計(jì)步算法分析處理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)合成為運(yùn)動(dòng)信息。ADXL345 數(shù)字式傳感器具有精度高、體積小、反應(yīng)快等特點(diǎn)，因此，其廣泛使用與各種產(chǎn)品中。

1.5 體溫檢測(cè)方案（圖5）

圖5 體溫檢測(cè)采集電路圖

本次設(shè)計(jì)用于智能手環(huán)設(shè)計(jì)，對(duì)于電路上的設(shè)計(jì)需要減小電路，數(shù)字式傳感器電路小，性能穩(wěn)定。LMT70 是高精度傳感器，適用于人體檢測(cè)設(shè)備，并且響應(yīng)及時(shí)且輸出易于調(diào)節(jié)。在室內(nèi)無風(fēng)情況下的溫度分辨率為0.046℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于市場(chǎng)上其它的溫度傳感器。此器件另一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是器件和單片機(jī)連接不需要任何的輔助器件，直接連接就可以實(shí)現(xiàn)溫度的采集。最終選擇LMT70 采集人體體溫?cái)?shù)據(jù)。

1.6 心率檢測(cè)方案設(shè)計(jì)（圖6）

圖6 心率檢測(cè)電路圖

心率傳感器采用的是反射式光電式傳感器，反射式光電傳感器自帶光源（綠光）和光接收裝置，光源發(fā)出的光經(jīng)過待測(cè)物體的反射被光敏元件接受，經(jīng)過處理后可得到準(zhǔn)確的脈搏信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中與身體任何部位接觸都可以，當(dāng)光源所經(jīng)過處的血流量改變時(shí)，探頭便可捕捉到隨心脈周期改變的光脈沖信號(hào)從而采集到脈搏信息。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)（圖7）

圖7 主程序流程圖

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)首先要完成對(duì)所有接口以及通信的初始化，讀取體溫?cái)?shù)據(jù)、計(jì)步數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，判斷是否進(jìn)行顯示切換，按鍵按下后可以進(jìn)行藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)判斷時(shí)間數(shù)據(jù)是否到0 點(diǎn)，到0 點(diǎn)就清除當(dāng)天數(shù)據(jù)信息。

2.2 藍(lán)牙程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)只需要通過串口就可以完成對(duì)遠(yuǎn)程通信模塊的控制。所以串口的設(shè)置至關(guān)重要，主要是軟件操作是對(duì)寄存器的設(shè)置，串口的參數(shù)很多，所以設(shè)置寄存器的方案也有很多，只有發(fā)送和接收雙方一致才可以實(shí)現(xiàn)通信，初始化結(jié)束后，只要對(duì)發(fā)送寄存器和接收寄存器進(jìn)行操作，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，寄存器SUBF 當(dāng)中包括接收以及發(fā)送的判斷標(biāo)志，所以軟件設(shè)計(jì)很方便。定位數(shù)據(jù)為512 字節(jié)數(shù)據(jù)，通過獲取這個(gè)數(shù)據(jù)，就得到遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)。

2.3 按鍵軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)此時(shí)檢測(cè)按鍵信號(hào)才是正確的時(shí)刻。按照上述的波形情況，我們?cè)谲浖z測(cè)的時(shí)候需要進(jìn)行消抖，也就是等按鍵抖動(dòng)信號(hào)過去，再檢測(cè)按鍵信號(hào)，一般按鍵抖動(dòng)時(shí)間是3 到5 毫秒，所以在首次掃描到有效的按鍵信號(hào)后，再經(jīng)過3 到5 毫秒后，繼續(xù)掃描按鍵的信號(hào)，如果既然有效，則表示按鍵確實(shí)按下。

2.4 三軸數(shù)據(jù)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

在需要進(jìn)行三軸數(shù)據(jù)的的時(shí)候，單片機(jī)首先要輸入時(shí)鐘信號(hào)到SCL 引腳，再按照時(shí)鐘信號(hào)輸入功能選擇數(shù)據(jù)到SDA 引腳，之后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)通過SDA 輸出到單片機(jī)。單片機(jī)在第一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)下降沿前，SDA 引腳為高電平，即為開啟數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在第二個(gè)下降沿前輸入數(shù)據(jù)，選擇對(duì)應(yīng)的通道。

2.5 心率采集子程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用A/D 轉(zhuǎn)換的原理進(jìn)行心率傳感器的模擬量讀取，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在采集心率時(shí)，其步驟如下：首先是初始化A/D 轉(zhuǎn)換器，配置好ADC1 的通道1。并且配置一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)50ms 中斷，之后進(jìn)入循環(huán)。在循環(huán)定定時(shí)器50ms 中斷一次，在中斷時(shí)讀取一次A/D 轉(zhuǎn)換的值，將A/D 轉(zhuǎn)換的值通過串口發(fā)送至電腦上位機(jī)，同時(shí)通過心率算法算出其心率值，同時(shí)在OLED上顯示出來。

3 測(cè)試

在系統(tǒng)板開機(jī)后，正常運(yùn)行時(shí)，OLED 第二行會(huì)顯示“歡迎使用”。第三行顯示“藍(lán)牙智能手環(huán)”2 秒，然后自動(dòng)刷新顯示心率、步數(shù)、體溫?cái)?shù)據(jù)等。

在主界面上實(shí)時(shí)顯示，可通過按鍵實(shí)現(xiàn)其他功能，按下切換鍵時(shí)，OLED 將切換到時(shí)間顯示界面，由于OLED 大小關(guān)系，故而選擇分屏顯示。時(shí)間顯示界面顯示日期、時(shí)間、星期等信息。

本次設(shè)計(jì)當(dāng)中采用第三方軟件藍(lán)牙助手APP 軟件進(jìn)行藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電后，打開手機(jī)APP 進(jìn)行藍(lán)牙搜索，本次設(shè)計(jì)采用的是BT06 藍(lán)牙模塊，但是其藍(lán)牙名稱為“BT04-A”，當(dāng)搜到該藍(lán)牙信號(hào)后進(jìn)行連接，第一次使用連接時(shí)需輸入密碼，初始密碼為1234，輸入完成后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸界面。單片機(jī)控制藍(lán)牙模塊將步數(shù)、心率、體溫?cái)?shù)據(jù)每四秒傳輸一次至手機(jī)APP 進(jìn)行顯示。

對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)體溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)試，測(cè)了5 組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了記錄，體溫?cái)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)表如表1 所示。

表1 體溫?cái)?shù)據(jù)測(cè)試

系統(tǒng)數(shù)據(jù)為本系統(tǒng)采集的體溫?cái)?shù)據(jù)，專業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)是由體溫計(jì)進(jìn)行測(cè)量得出的數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為25℃，測(cè)試時(shí)將手指放在溫度傳感器上測(cè)量。由表1 數(shù)據(jù)可得誤差范圍為0～0.1 攝氏度。經(jīng)過計(jì)算表中數(shù)據(jù)體溫模塊誤差精度不足1%，符合任務(wù)書中的要求。

對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)心率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試了5 組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了記錄，心率數(shù)據(jù)表如表2 所示。

表2 心率數(shù)據(jù)測(cè)試

系統(tǒng)數(shù)據(jù)為本系統(tǒng)采集的心率數(shù)據(jù)，專業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)是由其他品牌手環(huán)進(jìn)行測(cè)量得出的數(shù)據(jù)，其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差為0～4（單位次/分鐘），而專業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)誤差為3～5（單位次/分鐘）。經(jīng)過對(duì)比后，系統(tǒng)采集的心率數(shù)據(jù)較可靠。由表2 得出系統(tǒng)誤差精度為3%。滿足任務(wù)書要求。

4 結(jié)論

基于STM32 單片機(jī)的藍(lán)牙智能手環(huán)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最終完成了三軸傳感器、遠(yuǎn)程通信、按鍵、報(bào)警、GPS 模塊、指示燈以及主控制器的方案選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)物制作。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)采集三軸傳感器數(shù)據(jù)，以及準(zhǔn)確的測(cè)量心率、體溫。準(zhǔn)確的將身體狀況傳輸至手機(jī)APP，便于隨時(shí)監(jiān)控身體狀況，有效的健康管理。相信經(jīng)過不懈的努力之后藍(lán)牙智能手環(huán)會(huì)越來越好，越來越智能，對(duì)人體的監(jiān)控也會(huì)越來越準(zhǔn)確的。