基于STM32的智能手環(huán)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

廖菲鈺 文歡 陳靖萱 康意萌 賈富川 劉旭

摘要：為了更好地監(jiān)測人體健康狀況，設(shè)計了一款基于STM32核心控制模塊的智能手環(huán)。該手環(huán)主要由人體健康數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、液晶顯示模塊和無線通訊模塊組成。系統(tǒng)利用人體健康數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊采集人體心率、血氧、體溫和運(yùn)動狀況，對采集到的健康數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后在液晶顯示模塊輸出顯示，并將數(shù)據(jù)信息通過無線通訊模塊發(fā)送至手機(jī)端。經(jīng)過測試，該智能手環(huán)可以有效用于監(jiān)測用戶的健康狀況。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；STM32單片機(jī)；液晶顯示屏

中圖分類號：TP273? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）09-0099-05

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

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

本設(shè)計旨在實(shí)現(xiàn)一款基于STM32的智能手環(huán)，通過對各種傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)對用戶健康狀況的實(shí)時監(jiān)測。本設(shè)計將采用高性能的STM32微控制器作為主控芯片，結(jié)合各種傳感器和外圍電路，實(shí)現(xiàn)對用戶健康狀況的全面監(jiān)測。該手環(huán)由單片機(jī)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(tài)下每分鐘跳動的次數(shù)和當(dāng)前人體血紅蛋白氧含量是否正常。這是檢驗(yàn)人體健康標(biāo)準(zhǔn)的一大指標(biāo)，也是本次設(shè)計較為突出的一大重點(diǎn)。

1 設(shè)計方案

本設(shè)計采用STM32單片機(jī)作為主控模塊，C語言作為主要編程語言。智能手環(huán)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(yùn)動數(shù)據(jù)，實(shí)時監(jiān)測用戶身體機(jī)能，將檢測到的數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)對OLED液晶顯示屏和蜂鳴器進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和報警功能。如果用戶體溫超過設(shè)定閾值或者心率血氧不在設(shè)定范圍內(nèi)，則通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)上傳至手機(jī)App并進(jìn)行報警提醒。系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

智能手環(huán)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(shè)計如圖2所示。

2.1 心率血氧傳感器模塊

本次設(shè)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(jìn)行血氧飽和度檢測[1]。在本次設(shè)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(wěn)定，其抗干擾能力較強(qiáng)，測量的數(shù)值比較準(zhǔn)確，波形穩(wěn)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(huán)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(dú)立的5.0V用于內(nèi)部LED的電源，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進(jìn)行心率和血氧采集檢測，佩戴于手腕處[3]。標(biāo)準(zhǔn)的2C兼容的通信接口可以將采集到的數(shù)值傳輸給Arduino、KL25Z等單片機(jī)進(jìn)行心率和血氧計算[4]。此外，該芯片還可通過軟件關(guān)閉模塊，待機(jī)電流接近為零，實(shí)現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài)[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(shè)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(jīng)過容壓變換器、增益放大、濾波器和電壓信號輸出得到步數(shù)。ADXL345與移動設(shè)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(shè)定數(shù)值進(jìn)行比較來偵測是否有步數(shù)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(shù)據(jù)存儲器，溫度傳感器，非易失性電可擦寫溫度報警觸發(fā)器TH和TL，非易失性電可擦寫設(shè)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(fā)器TH或低于TL中的值，則DS18B20內(nèi)部的報警標(biāo)志位就被重置。DS18B20的測溫范圍為-55～+125℃，溫度轉(zhuǎn)換以16 位二進(jìn)制方式輸出，位數(shù)可通過設(shè)置寄存器進(jìn)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(diǎn)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(jī)的B6引腳，通過SCL引腳傳輸串行時鐘數(shù)據(jù)；SDL引腳連接的是單片機(jī)的B7引腳，通過SDL引腳傳輸串行數(shù)據(jù)。OLED顯示屏電路模塊如圖6所示。

2.5 報警模塊電路

本次設(shè)計中，當(dāng)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(hù)作用[9-10]。由于單片機(jī)電路非常小，無法提供蜂鳴器所需的電流，經(jīng)過三極管將驅(qū)動電流放大至200倍，驅(qū)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(shè)計

本次設(shè)計無線通信方面采用的是Wi-Fi模塊，通過此模塊可以把當(dāng)前的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)App上進(jìn)行顯示。無線數(shù)據(jù)傳輸選用ESP8266，通過此模塊進(jìn)行串口通信，在手機(jī)App就可以完成數(shù)據(jù)的傳輸和顯示，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定[11-12]。

無線通信部分采用ESP8266無線串口作為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。在本次設(shè)計中的無線通信，通過Wi-Fi模塊，單片機(jī)將溫度和心率血氧值發(fā)送至手機(jī)端，并顯示在App上。Wi-Fi無線通信設(shè)計如圖8所示。

3 軟件設(shè)計

完整的控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，本設(shè)計利用STM32為控制中心，采用STM32F103C8T6芯片，利用Keil uVision5進(jìn)行編程。設(shè)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(shè)計流程圖如圖9所示。

主程序模塊：系統(tǒng)上電后，配置各個傳感器的引腳，初始化IIC分別讓OLED和ADXL345進(jìn)行液晶顯示和數(shù)據(jù)采集等操作，采集完成后Wi-Fi串口初始化等待發(fā)送數(shù)據(jù)，DS18B20進(jìn)行溫度采集操作，隨后心率傳感器獲取當(dāng)前心率值，最后將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊發(fā)送到手機(jī)App端，同時控制OLED顯示當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)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(shù)。

3.1 液晶顯示模塊程序設(shè)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(shù)據(jù)。如果液晶正在工作，則必須等待，直到液晶發(fā)出工作完成的信號時，才能夠?qū)懭肟刂谱趾蛿?shù)據(jù)。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(huán)共包含5個按鍵，按鍵功能分別是切換、清零、設(shè)置、加、減。切換的頁面分別為設(shè)置心率上下限，設(shè)置血氧下限，設(shè)置溫度上下限，最后回到溫度、心率血氧、步數(shù)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(zhuǎn)換為十進(jìn)制形式輸出溫度值。此時輸出的溫度值是實(shí)際溫度的一百倍。隨后需要進(jìn)行輸出溫度與實(shí)際溫度的轉(zhuǎn)換。首先需要初始化函數(shù)，其次讀取溫度傳感器的溫度，最后計算實(shí)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(shè)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(dǎo)通，通過單片機(jī)IO口輸出高電平。當(dāng)管腳為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音，發(fā)光二極管閃爍，即實(shí)現(xiàn)報警。當(dāng)管腳為低電平時，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音，發(fā)光二極管不閃爍，即不實(shí)現(xiàn)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(shè)計采用的無線通信模塊ESP8266，此模塊需要和單片機(jī)進(jìn)行串口通信，通過相應(yīng)的AT指令集和利用 Wi-Fi模塊的熱點(diǎn)模式便可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無線傳輸操作。ESP8266集成了TCP/IP協(xié)議棧，可以直接連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，無需額外的外部芯片。電壓連接3.3V，GND（地線）、TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）、RXD（接收數(shù)據(jù)） 便可以實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)進(jìn)行通信，緊接著手機(jī)端可以接受到當(dāng)前Wi-Fi發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。Wi-Fi程序流程圖如圖14所示。

4 實(shí)物測試

最后一步是硬件整體測試，將智能手環(huán)在室內(nèi)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測試，通過溫水模擬人體溫度過高的情況。智能手環(huán)整體實(shí)物圖如圖15所示。啟動該手環(huán)LED屏顯示“歡迎使用智能手環(huán)”。實(shí)物運(yùn)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(huán)有五個按鍵，功能分別是切換、清零、設(shè)置、加、減。切換的頁面分別為設(shè)置心率上下限，設(shè)置血氧下限，設(shè)置溫度上下限，最后回到原始界面（溫度、心率血氧、步數(shù)等總的中文顯示界面）。通過按鍵模塊的設(shè)置功能，可以分別設(shè)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(shè)置如圖17所示。當(dāng)三項(xiàng)指標(biāo)的任意一項(xiàng)不在閾值范圍內(nèi)時，OLED黃燈閃爍，蜂鳴器進(jìn)行報警。不在閾值內(nèi)的數(shù)據(jù)將在智能手環(huán)的LED顯示屏上不斷閃爍，同時通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)上傳至手機(jī)端，手機(jī)端彈出紅色報警提示框并顯示“患者體征異?！?。實(shí)物測試結(jié)果如表1所示。

5 總結(jié)

本文提出了基于STM32智能手環(huán)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(jī)App完成顯示，這是本設(shè)計的創(chuàng)新之處。同時該手環(huán)對傳染病防控有很大幫助，可以實(shí)現(xiàn)在零接觸的條件下管理者實(shí)時監(jiān)測佩戴者的身體數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)不在設(shè)定閾值內(nèi)時觸發(fā)蜂鳴器報警，使管理者能夠通過手機(jī)App及時發(fā)現(xiàn)情況并采取對應(yīng)的措施，從而大大降低了危險性。

本款運(yùn)動手環(huán)有利于減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)，提高人們健康意識，通過對實(shí)物運(yùn)行結(jié)果的分析，該手環(huán)已實(shí)現(xiàn)設(shè)計方案所預(yù)期的功能，性能穩(wěn)定、檢測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、應(yīng)用前景廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚立平，劉偉章，譚仲威，等.一種基于ZigBee的無線心率血氧實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（29）：52-56.

[2] 潘祉，陳黎明，馬麗華，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的 “銀發(fā)守護(hù)者” 的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（8）：121-126.

[3] 黃衍標(biāo)，陳華珍，黃鍵鵬，等.基于腕部可穿戴設(shè)備的跌倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制，2019，27（1）：102-106.

[4] 趙帥豪，王堅.基于藍(lán)牙定位的老年人室內(nèi)跌倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計[J].北京測繪，2020，34（3）：333-337.

[5] 于福超，李元龍.一款基于北斗導(dǎo)航的智能導(dǎo)診輪椅[J].中國科技信息，2020（15）：53-54.

[6] 劉洪延，周正權(quán)，洪博恩.一種基于SMA絲的微型藥物釋放系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2020，17（1）：100-101.

[7] 任振耀.基于單片機(jī)的老年人智能手環(huán)設(shè)計[J].電工技術(shù)，2023（18）：5-9，12.

[8] 黃紅霞，魯令軍，肖貴賢，等.一種單片機(jī)方案的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報，2017，33（5）：8-11.

[9] 曾貴苓，葉素娣，王蘋.基于STM32單片機(jī)的智能手環(huán)設(shè)計[J].西安文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，26（3）：72-76.

[10] 惠鵬飛，鄒立穎，周健.基于STM32的藍(lán)牙無線多功能智能手環(huán)設(shè)計[J].高師理科學(xué)刊，2023，43（11）：27-31，38.

[11] 張斌，丁娜娜，田晴豪.基于STM32的智能手環(huán)設(shè)計[J].微處理機(jī)，2023，44 （3）：62-64.

[12] 任琦，王娟娟，李晨，等.老年人對智能手環(huán)的需求調(diào)查及分析[J].智能建筑與智慧城市，2022（11）：31-34.

【通聯(lián)編輯：梁書】