无胸带运动心率手环

天津职业技术师范大学电子工程学院 胡 浩 杨 强 李聪聪

无胸带运动心率手环

天津职业技术师范大学电子工程学院 胡 浩 杨 强 李聪聪

本产品专为登山爱好者设计设计的一款新型无胸带运动心率手环,具有测量气压、高度、温度、实时心率及计步等功能，使用迷你心率监测模块取代传统的分体式胸带心率测量。手环采用蓝牙4．0和智能手机进行通信，采集到的数据由智能设备发送给佩戴人的手机APP端，同时可以在手环屏幕上进行显示，实现数据同步监控。

STM32；心率手环；气压海拔

0 引言

目前现在市场上已有一些成品，具有计时、计步、联网通信等功能。无胸带运动心率手环在实现上述基础功能外，主要侧重于登山者的使用，可以实现测量外界气压、海拔高度、外界温度、佩戴者实时心率及计步等功能。该智能手环采用STM32L单片机作为核心控制器，采用分辨率为128*64的OLED显示屏作为显示器，配备先进腕带式的心率检测系统，基于SON1303心率传感器的监控模块内置于手环内，用于运动中的心率波形监测，动态、静态，都非常准确且稳定性高，输出波形可为方波和心率波。

1 系统总体构成

本产品专为登山爱好者设计,具有测量气压、高度、温度、实时心率及计步等功能，使用迷你心率监测模块取代传统的分体式胸带心率测量。手环采用蓝牙4.0和智能手机进行通信，采集到的数据由智能设备发送给佩戴人的手机APP端，同时可以在手环屏幕上进行显示，实现数据同步监控。

图1 无胸带运动心率手环系统框图

该智能手环采用STM32L单片机作为核心控制器；采用分辨率为128*64的OLED显示屏作为显示器；配备先进腕带式的心率检测系统，基于SON1303心率传感器的监控模块内置于手环内，用于运动中的心率监测；采用BMP180海拔高度传感器，对手环所处环境信息进行准确的采集；通过MPU6050角度传感器实现计步的功能；温度传感器18B20实时监控佩戴者的体温情况。无胸带运动心率手环采用蓝牙4.0技术和佩戴者的手机端APP进行信息的通讯。无胸带运动心率手环小型锂电池，在保证提及小巧的前提下做到可观的续航能力。整体系统框图如图1所示。

2 智能手机移动端APP的设计

APP随着互联网越来越开放化，智能手机等移动终端设备的普及，人们逐渐习惯了使用APP客户端的方式，所以开发与手环配套的APP可以更好的完成手环相应的数据监控与展示功能，图2是无胸带心率手环的APP界面设计原型图。

图2 无胸带运动心率手环APP界面原型图

3 硬件设计

无胸带运动心率手环具有测量气压、高度、温度、实时心率及计步等功能，使用迷你心率监测模块取代传统的分体式胸带心率测量。手环采用蓝牙4.0和智能手机进行通信，采集到的数据由智能设备发送给佩戴人的手机APP端，同时可以在手环屏幕上进行显示，实现数据同步监控。

控制模块采用了STM32L152C8微处理器，它具有专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cortex-M3核心，具有体积小，功能强，可满足系统对各项数据采集的要求。

显示屏采用分辨率为128*64的OLED显示屏作为显示器，OLED有机电激发光二极管由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

心率检测系统，采用基于SON1303心率传感器的监控模块，内部集成高科技纳米涂层环境光检测传感器，过滤不需要的光源，减少由其他光源干扰的误判动作，准确度高，使用了最适合测量脉搏用的发光波长，SON1303采用了570nm发光波长的绿光，与红外光相比反射率更高，测量感度更高，同时提高了S/N比特性。它内置于手环，用于运动中的心率波形监测。

采用BMP180大气压海拔高度传感器，BMP180气压传感器具有体积小，功耗低等优点，因为广泛的被应用于手机，手表等小型编写式设计，从而对手环所处环境信息进行准确的采集。

通过MPU6050角度传感器实现计步的功能，MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，同时采用I2C端口以单一数据流的形式，减少了大量的设计空间。

采用蓝牙4.0技术和佩戴者的手机端APP进行信息的通讯，蓝牙模块CC2540是一种低成本、高度集成的UHF收发器。遵循低功耗蓝牙协议，适合单模式低功耗蓝牙应用。CC2540整合了一个1Mbps GFSK射频收发器，并利用一个具有丰富外设的8051MCU内核提供了明显优于同类竞争产品的传输覆盖范围。

4 软件设计

无胸带运动心率手环的软件部分主要分为两大模块，手环的嵌入式部分程序与智能手机端APP的程序。

手环工作后处于待机状态，等待与手机蓝牙进行连接，当手环与手机蓝牙握手成功后，微控制器手环的控制器会每隔5秒相手机传送一个完整的数据包，发送的内容与代表意义如表1与表2所示。

表1 运动模式数据包对应内容

表2 监控模式数据包对应内容

在智能手机端，开发了专用的APP，满足数据的交流以及监控，手环与手机直接通讯的程序设计流程如图3所示。作品实物制作和调试已经完成，各项性能指标均达到了预期设计的要求，灵敏度高，可靠性强。

5 存在的问题及展望

5.1 电池续航能力弱

如果要想保持外观的美感，厚度不宜太厚，如此一来，电池的空间大不了，也就无法保证电池的续航能力，两者都是在小屏幕上牺牲用户体验来换取电池续航能力的。

5.2 制作成本较高

到目前为止，知名硬件设备制造商所推出的智能手表价格都不低，可以买一部中等配置的智能手机。智能手表目前还仍然需要搭配智能手机一起使用，功能方面也没有特别突出的地方，因此居高不下的价格使其市场窗口很难快速打开，普及就更难了。

图3 系统设计程序流程图

6.结束语

该课题是针对当前可穿戴设备为研究对象，无胸带心率手环是一个通过传感器检测、单片机控制、蓝牙4.0传输数据的综合性系统。系统手环部分采用STM32L152C8微处理器，实现一般手环的基础功能外，主要侧重于登山者的使用，可以实现测量外界气压、海拔高度、外界温度、佩戴者实时心率及计步等功能。系统整体不完善的地方还有很多，在今后的研究中，继续改进无胸带心率手环。

[1]龙承志．基于无线传感器网络的电子健康监护系统[J]．中外医疗,2007,26(18):46-47．

[2]王永虹,徐炜等．STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M], 2008:26-40．

[3]ARM Limited．ARM Cortex-M3 Technical Reference Manual,2006．

[4]康华光．电子技术基础(模拟部分)[M]．北京:高等教育出版社,2009．

[5]李立志．基于GPRS和GPS防盗追踪系统的研究与实现[D]．北京工业大学,2011．

[6]无锡市思知瑞科技有限公司．脉搏传感器中文版说明书[Z]．2015．

[7]The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc．IEEE ．1149．1-1990 IEEE ．

[8]张秀香．基于Android的健康管理系统客户端的设计与实现[D]．大连理工大学,2012．

[9]陈祝荣,刘守斌．基于无线传感器网络的多参数家庭监护系统[J]．传感器与微系统,2009,28(2):72-74．

[10]汤一平,熊建英,邓飞．一种智能监控系统的设计与实现[J]．工业控制计算机,2005(5):52-54．

天津职业技术师范大学国家级大学生创新创业训练计划资助，项目编号：201510066027。