基于單片機(jī)的可穿戴智能手環(huán)設(shè)計(jì)

［關(guān)鍵詞］STM32單片機(jī)；可穿戴手環(huán)；健康檢測

隨著人工智能（AI技術(shù)）的盛行和普及，越來越多的智能家用設(shè)備和生活用品進(jìn)入萬千家庭的日常起居。其中智能手環(huán)作為一種可穿戴式設(shè)備，擁有便攜性、實(shí)用性等特點(diǎn)，用戶可以實(shí)時記錄生活中的鍛煉方式、睡眠時長等。同時，智能手環(huán)可以檢測老年人健康，對血壓、體溫、心率等方面進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)第7次人口普查數(shù)據(jù)，我國65歲及以上人口達(dá)到190635280人，占據(jù)了我國總?cè)丝诘?3.5%，65.5%的老年人選擇獨(dú)立居住，26.8%的老年人與子女同住，而在80歲及以上高齡群體中，老年人獨(dú)居比例達(dá)48%。由此可見，獨(dú)居式養(yǎng)老成為老年人的主流養(yǎng)老形態(tài)[1]。其中，部分子女由于工作原因需要長期在外工作，沒有足夠的時間陪伴老人，更不能及時地了解獨(dú)居老人的健康狀況和身體素質(zhì)?；诶淆g化背景下老年人的健康需求，文章以STM32單片機(jī)為最小模塊設(shè)計(jì)了一種適合老年人穿戴的智能手環(huán)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本研究是基于STM32單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所設(shè)計(jì)的一款主要面向老年人的智能手環(huán)。手環(huán)主要由以下幾個模塊組成：自帶時鐘模塊的STM32F103C8T6單片機(jī)芯片作為主控制器、溫度傳感器、MPU6050模塊、重力傳感器、心率傳感器、報(bào)警器（蜂鳴器）、GPS定位模塊、OLED顯示屏、GMS通信網(wǎng)絡(luò)模塊等。

本系統(tǒng)由監(jiān)控端和手機(jī)端兩部分構(gòu)成，兩者間通過GSM通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。若手環(huán)檢測到佩戴者發(fā)生摔倒、心率異常、血壓異常等問題后，蜂鳴器會觸發(fā)報(bào)警。佩戴者可視情況選擇是否關(guān)閉報(bào)警，若未在預(yù)設(shè)時間內(nèi)做出選擇，手環(huán)則會將預(yù)警信息自動反饋給所綁定的手機(jī)端用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 OLED顯示屏

OLED顯示屏（OrganicLightEmittingDisplay），即有機(jī)發(fā)光顯示器。采用0.96寸OLED模塊，該顯示屏具有功耗低、響應(yīng)速度快、寬視角、輕薄柔韌等特點(diǎn)[2]。

2.2 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊是一種電子訊響設(shè)備，通常用于各種電子設(shè)備中作為發(fā)聲器件。使用無源蜂鳴器，通過改變輸入信號的頻率來產(chǎn)生不同音調(diào)的聲音，適合需要多種聲音信號的場合。

2.3 心率傳感器

心率采集模塊使用心率傳感器（PulseSensor）[3]。心率傳感器通常基于光電容積法（Photoplethysmography，PPG）來測量，這種方法簡單、方便且非侵入性。其工作原理是利用血管中血液量的變化，導(dǎo)致組織光反射率的不同來檢測脈搏。傳感器中的LED光源會發(fā)出特定波長的光，當(dāng)光穿過皮膚和血管時，一部分被血液吸收，剩余的光線則被傳感器的光電探測器接收。血液容量的變化會導(dǎo)致接收到的光強(qiáng)度變化，從而轉(zhuǎn)換為電信號。心率傳感器工作原理如圖2所示。

2.4 溫度傳感器

溫度傳感器選用DS18B20。DS18B20是一款常用的數(shù)字溫度傳感器，其以數(shù)字信號輸出溫度數(shù)據(jù)，具有諸多優(yōu)點(diǎn)[4]：該產(chǎn)品體積小，可以被安裝在空間受限的應(yīng)用場合；硬件開銷低，無需復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，節(jié)省了成本和空間；抗干擾能力強(qiáng)，在電氣噪聲環(huán)境下能夠準(zhǔn)確測量溫度；工作電壓范圍廣，可以在3～5.5V的范圍內(nèi)正常工作；超低功耗，適合電池供電或需要長期運(yùn)行的設(shè)備。

2.5 MPU6050模塊

MPU6050是一款集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)的微型電子運(yùn)動處理傳感器，具有分辨率高、靈敏度高、功耗低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品支持I2C、SPI等標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口，MPU6050模組能夠測量3個方向的加速度（以X、Y、Z3個坐標(biāo)軸為例）。在水平靜止時，只有Z軸方向有加速度g。當(dāng)處于運(yùn)動狀態(tài)時，3個坐標(biāo)軸與水平方向的夾角會發(fā)生相應(yīng)的變化，即產(chǎn)生了加速度。依據(jù)芯片內(nèi)部協(xié)議，控制系統(tǒng)可以讀取傳感器加速度變化的數(shù)值，并以此進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到3個方向與水平方向的夾角，分析夾角是否出現(xiàn)異常進(jìn)而可確定佩戴者是否發(fā)生摔倒。MPU6050加速度傳感器電路如圖3所示。

2.6 GSM通信模塊

GSM通信模塊基于GSM標(biāo)準(zhǔn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，可以嵌入到各種設(shè)備中，包括智能手環(huán)、車載設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等。其可以使用SIM卡連接到移動網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)短信、電話通話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。本研究著重于對老年人安全和健康進(jìn)行保護(hù)。在不慎摔倒且四周無人能夠提供即時援助的情況下，他們通常需要監(jiān)護(hù)人或緊急聯(lián)系人的幫助。在這種情況下，一個高效的通信系統(tǒng)尤為重要，其能夠確保監(jiān)護(hù)人迅速接收到關(guān)于老人摔倒的危險警報(bào)，從而盡快采取救援措施。危險通信流程：摔倒→蜂鳴器報(bào)警→報(bào)警時間超過設(shè)定值→采集GPS→建立GSM通訊→發(fā)送通知。

3 實(shí)物的組裝和調(diào)試

3.1 實(shí)物制作

（1）模塊確認(rèn)。主控模塊（單片機(jī)、存儲器等）、傳感器模塊（溫度傳感器、心率傳感器、MPU6050傳感器模塊等）、OLED顯示屏模塊、GPS模塊等。

（2）模塊焊接?？紤]到可穿戴手環(huán)的便攜性，需對各個模塊進(jìn)行合理分配，以便節(jié)省電路板空間。根據(jù)STM32芯片引腳，使用電烙鐵進(jìn)行引腳焊接，保證焊點(diǎn)有效，可通過調(diào)試檢驗(yàn)，利用導(dǎo)線將各模塊正確連接。

3.2 實(shí)物調(diào)試

3.2.1 硬件測試

系統(tǒng)程序編譯完成后，使用5V、2A的充電線進(jìn)行通電。各模塊指示燈正常點(diǎn)亮如圖4所示。

3.2.2 MPU6050運(yùn)動傳感器模塊測試

在模擬測試中，將3軸中至少任意1軸檢測到的異常加速度作為模擬摔倒?fàn)顟B(tài)。蜂鳴器即刻開始報(bào)警，若佩戴者無動作反饋，主控系統(tǒng)將啟動GSM模塊采集GPS位置并發(fā)送短信通知至所綁定的手機(jī)端。

3.2.3 心率和體溫傳感器模塊測試

在模擬測試中，對試驗(yàn)者分別進(jìn)行手環(huán)體溫、心率檢測和體溫計(jì)、數(shù)字心率監(jiān)測儀檢測，并進(jìn)行對比。手環(huán)測溫與體溫計(jì)測溫及誤差對比見表1，手環(huán)測心率與數(shù)字心率監(jiān)測儀測心率及誤差對比見表2。

3.2.4 GSM通信模塊測試

當(dāng)佩戴者發(fā)生摔倒或心率體溫等出現(xiàn)異常時，蜂鳴器會立即報(bào)警，若使用者未在預(yù)設(shè)時間內(nèi)關(guān)閉，系統(tǒng)則會控制GSM自動向手機(jī)端發(fā)送報(bào)警信息，用戶約在15s內(nèi)便可收到短信。由于GSM模塊發(fā)送的是射頻信號，因此天線無需放置于室外。

4 結(jié)束語

基于STM32單片機(jī)的可穿戴智能手環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，心率、體溫測試及摔倒報(bào)警準(zhǔn)確度都在98%以上，完全能滿足日常需求。智能手環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)信息采集、信息處理和反饋交互3大功能，通過提供持續(xù)健康監(jiān)測，在醫(yī)療健康領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。因此，隨著老年人口的不斷增加，嘗試?yán)脝纹瑱C(jī)開發(fā)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的多功能手環(huán)，將會帶動智能手環(huán)行業(yè)的大力發(fā)展。