天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院 胡 浩 楊 強(qiáng) 李聰聰

無胸帶運(yùn)動心率手環(huán)

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院 胡 浩 楊 強(qiáng) 李聰聰

本產(chǎn)品專為登山愛好者設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的一款新型無胸帶運(yùn)動心率手環(huán),具有測量氣壓、高度、溫度、實(shí)時(shí)心率及計(jì)步等功能，使用迷你心率監(jiān)測模塊取代傳統(tǒng)的分體式胸帶心率測量。手環(huán)采用藍(lán)牙4．0和智能手機(jī)進(jìn)行通信，采集到的數(shù)據(jù)由智能設(shè)備發(fā)送給佩戴人的手機(jī)APP端，同時(shí)可以在手環(huán)屏幕上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步監(jiān)控。

STM32；心率手環(huán)；氣壓海拔

0 引言

目前現(xiàn)在市場上已有一些成品，具有計(jì)時(shí)、計(jì)步、聯(lián)網(wǎng)通信等功能。無胸帶運(yùn)動心率手環(huán)在實(shí)現(xiàn)上述基礎(chǔ)功能外，主要側(cè)重于登山者的使用，可以實(shí)現(xiàn)測量外界氣壓、海拔高度、外界溫度、佩戴者實(shí)時(shí)心率及計(jì)步等功能。該智能手環(huán)采用STM32L單片機(jī)作為核心控制器，采用分辨率為128*64的OLED顯示屏作為顯示器，配備先進(jìn)腕帶式的心率檢測系統(tǒng)，基于SON1303心率傳感器的監(jiān)控模塊內(nèi)置于手環(huán)內(nèi)，用于運(yùn)動中的心率波形監(jiān)測，動態(tài)、靜態(tài)，都非常準(zhǔn)確且穩(wěn)定性高，輸出波形可為方波和心率波。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本產(chǎn)品專為登山愛好者設(shè)計(jì),具有測量氣壓、高度、溫度、實(shí)時(shí)心率及計(jì)步等功能，使用迷你心率監(jiān)測模塊取代傳統(tǒng)的分體式胸帶心率測量。手環(huán)采用藍(lán)牙4.0和智能手機(jī)進(jìn)行通信，采集到的數(shù)據(jù)由智能設(shè)備發(fā)送給佩戴人的手機(jī)APP端，同時(shí)可以在手環(huán)屏幕上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步監(jiān)控。

圖1 無胸帶運(yùn)動心率手環(huán)系統(tǒng)框圖

該智能手環(huán)采用STM32L單片機(jī)作為核心控制器；采用分辨率為128*64的OLED顯示屏作為顯示器；配備先進(jìn)腕帶式的心率檢測系統(tǒng)，基于SON1303心率傳感器的監(jiān)控模塊內(nèi)置于手環(huán)內(nèi)，用于運(yùn)動中的心率監(jiān)測；采用BMP180海拔高度傳感器，對手環(huán)所處環(huán)境信息進(jìn)行準(zhǔn)確的采集；通過MPU6050角度傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)步的功能；溫度傳感器18B20實(shí)時(shí)監(jiān)控佩戴者的體溫情況。無胸帶運(yùn)動心率手環(huán)采用藍(lán)牙4.0技術(shù)和佩戴者的手機(jī)端APP進(jìn)行信息的通訊。無胸帶運(yùn)動心率手環(huán)小型鋰電池，在保證提及小巧的前提下做到可觀的續(xù)航能力。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 智能手機(jī)移動端APP的設(shè)計(jì)

APP隨著互聯(lián)網(wǎng)越來越開放化，智能手機(jī)等移動終端設(shè)備的普及，人們逐漸習(xí)慣了使用APP客戶端的方式，所以開發(fā)與手環(huán)配套的APP可以更好的完成手環(huán)相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控與展示功能，圖2是無胸帶心率手環(huán)的APP界面設(shè)計(jì)原型圖。

圖2 無胸帶運(yùn)動心率手環(huán)APP界面原型圖

3 硬件設(shè)計(jì)

無胸帶運(yùn)動心率手環(huán)具有測量氣壓、高度、溫度、實(shí)時(shí)心率及計(jì)步等功能，使用迷你心率監(jiān)測模塊取代傳統(tǒng)的分體式胸帶心率測量。手環(huán)采用藍(lán)牙4.0和智能手機(jī)進(jìn)行通信，采集到的數(shù)據(jù)由智能設(shè)備發(fā)送給佩戴人的手機(jī)APP端，同時(shí)可以在手環(huán)屏幕上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步監(jiān)控。

控制模塊采用了STM32L152C8微處理器，它具有專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3核心，具有體積小，功能強(qiáng)，可滿足系統(tǒng)對各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集的要求。

顯示屏采用分辨率為128*64的OLED顯示屏作為顯示器，OLED有機(jī)電激發(fā)光二極管由于同時(shí)具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。

心率檢測系統(tǒng)，采用基于SON1303心率傳感器的監(jiān)控模塊，內(nèi)部集成高科技納米涂層環(huán)境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動作，準(zhǔn)確度高，使用了最適合測量脈搏用的發(fā)光波長，SON1303采用了570nm發(fā)光波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時(shí)提高了S/N比特性。它內(nèi)置于手環(huán)，用于運(yùn)動中的心率波形監(jiān)測。

采用BMP180大氣壓海拔高度傳感器，BMP180氣壓傳感器具有體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閺V泛的被應(yīng)用于手機(jī)，手表等小型編寫式設(shè)計(jì)，從而對手環(huán)所處環(huán)境信息進(jìn)行準(zhǔn)確的采集。

通過MPU6050角度傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)步的功能，MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，同時(shí)采用I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，減少了大量的設(shè)計(jì)空間。

采用藍(lán)牙4.0技術(shù)和佩戴者的手機(jī)端APP進(jìn)行信息的通訊，藍(lán)牙模塊CC2540是一種低成本、高度集成的UHF收發(fā)器。遵循低功耗藍(lán)牙協(xié)議，適合單模式低功耗藍(lán)牙應(yīng)用。CC2540整合了一個(gè)1Mbps GFSK射頻收發(fā)器，并利用一個(gè)具有豐富外設(shè)的8051MCU內(nèi)核提供了明顯優(yōu)于同類競爭產(chǎn)品的傳輸覆蓋范圍。

4 軟件設(shè)計(jì)

無胸帶運(yùn)動心率手環(huán)的軟件部分主要分為兩大模塊，手環(huán)的嵌入式部分程序與智能手機(jī)端APP的程序。

手環(huán)工作后處于待機(jī)狀態(tài)，等待與手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行連接，當(dāng)手環(huán)與手機(jī)藍(lán)牙握手成功后，微控制器手環(huán)的控制器會每隔5秒相手機(jī)傳送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，發(fā)送的內(nèi)容與代表意義如表1與表2所示。

表1 運(yùn)動模式數(shù)據(jù)包對應(yīng)內(nèi)容

表2 監(jiān)控模式數(shù)據(jù)包對應(yīng)內(nèi)容

在智能手機(jī)端，開發(fā)了專用的APP，滿足數(shù)據(jù)的交流以及監(jiān)控，手環(huán)與手機(jī)直接通訊的程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。作品實(shí)物制作和調(diào)試已經(jīng)完成，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的要求，靈敏度高，可靠性強(qiáng)。

5 存在的問題及展望

5.1 電池續(xù)航能力弱

如果要想保持外觀的美感，厚度不宜太厚，如此一來，電池的空間大不了，也就無法保證電池的續(xù)航能力，兩者都是在小屏幕上犧牲用戶體驗(yàn)來換取電池續(xù)航能力的。

5.2 制作成本較高

到目前為止，知名硬件設(shè)備制造商所推出的智能手表價(jià)格都不低，可以買一部中等配置的智能手機(jī)。智能手表目前還仍然需要搭配智能手機(jī)一起使用，功能方面也沒有特別突出的地方，因此居高不下的價(jià)格使其市場窗口很難快速打開，普及就更難了。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序流程圖

6.結(jié)束語

該課題是針對當(dāng)前可穿戴設(shè)備為研究對象，無胸帶心率手環(huán)是一個(gè)通過傳感器檢測、單片機(jī)控制、藍(lán)牙4.0傳輸數(shù)據(jù)的綜合性系統(tǒng)。系統(tǒng)手環(huán)部分采用STM32L152C8微處理器，實(shí)現(xiàn)一般手環(huán)的基礎(chǔ)功能外，主要側(cè)重于登山者的使用，可以實(shí)現(xiàn)測量外界氣壓、海拔高度、外界溫度、佩戴者實(shí)時(shí)心率及計(jì)步等功能。系統(tǒng)整體不完善的地方還有很多，在今后的研究中，繼續(xù)改進(jìn)無胸帶心率手環(huán)。

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天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助，項(xiàng)目編號：201510066027。