無胸帶運動心率手環

天津職業技術師范大學電子工程學院 胡 浩 楊 強 李聰聰

無胸帶運動心率手環

天津職業技術師范大學電子工程學院 胡 浩 楊 強 李聰聰

本產品專為登山愛好者設計設計的一款新型無胸帶運動心率手環,具有測量氣壓、高度、溫度、實時心率及計步等功能，使用迷你心率監測模塊取代傳統的分體式胸帶心率測量。手環采用藍牙4．0和智能手機進行通信，采集到的數據由智能設備發送給佩戴人的手機APP端，同時可以在手環屏幕上進行顯示，實現數據同步監控。

STM32；心率手環；氣壓海拔

0 引言

目前現在市場上已有一些成品，具有計時、計步、聯網通信等功能。無胸帶運動心率手環在實現上述基礎功能外，主要側重于登山者的使用，可以實現測量外界氣壓、海拔高度、外界溫度、佩戴者實時心率及計步等功能。該智能手環采用STM32L單片機作為核心控制器，采用分辨率為128*64的OLED顯示屏作為顯示器，配備先進腕帶式的心率檢測系統，基于SON1303心率傳感器的監控模塊內置于手環內，用于運動中的心率波形監測，動態、靜態，都非常準確且穩定性高，輸出波形可為方波和心率波。

1 系統總體構成

本產品專為登山愛好者設計,具有測量氣壓、高度、溫度、實時心率及計步等功能，使用迷你心率監測模塊取代傳統的分體式胸帶心率測量。手環采用藍牙4.0和智能手機進行通信，采集到的數據由智能設備發送給佩戴人的手機APP端，同時可以在手環屏幕上進行顯示，實現數據同步監控。

圖1 無胸帶運動心率手環系統框圖

該智能手環采用STM32L單片機作為核心控制器；采用分辨率為128*64的OLED顯示屏作為顯示器；配備先進腕帶式的心率檢測系統，基于SON1303心率傳感器的監控模塊內置于手環內，用于運動中的心率監測；采用BMP180海拔高度傳感器，對手環所處環境信息進行準確的采集；通過MPU6050角度傳感器實現計步的功能；溫度傳感器18B20實時監控佩戴者的體溫情況。無胸帶運動心率手環采用藍牙4.0技術和佩戴者的手機端APP進行信息的通訊。無胸帶運動心率手環小型鋰電池，在保證提及小巧的前提下做到可觀的續航能力。整體系統框圖如圖1所示。

2 智能手機移動端APP的設計

APP隨著互聯網越來越開放化，智能手機等移動終端設備的普及，人們逐漸習慣了使用APP客戶端的方式，所以開發與手環配套的APP可以更好的完成手環相應的數據監控與展示功能，圖2是無胸帶心率手環的APP界面設計原型圖。

圖2 無胸帶運動心率手環APP界面原型圖

3 硬件設計

無胸帶運動心率手環具有測量氣壓、高度、溫度、實時心率及計步等功能，使用迷你心率監測模塊取代傳統的分體式胸帶心率測量。手環采用藍牙4.0和智能手機進行通信，采集到的數據由智能設備發送給佩戴人的手機APP端，同時可以在手環屏幕上進行顯示，實現數據同步監控。

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、低功耗的嵌入式應用而設計的ARM Cortex-M3核心，具有體積小，功能強，可滿足系統對各項數據采集的要求。

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

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

采用BMP180大氣壓海拔高度傳感器，BMP180氣壓傳感器具有體積小，功耗低等優點，因為廣泛的被應用于手機，手表等小型編寫式設計，從而對手環所處環境信息進行準確的采集。

通過MPU6050角度傳感器實現計步的功能，MPU-6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，同時采用I2C端口以單一數據流的形式，減少了大量的設計空間。

采用藍牙4.0技術和佩戴者的手機端APP進行信息的通訊，藍牙模塊CC2540是一種低成本、高度集成的UHF收發器。遵循低功耗藍牙協議，適合單模式低功耗藍牙應用。CC2540整合了一個1Mbps GFSK射頻收發器，并利用一個具有豐富外設的8051MCU內核提供了明顯優于同類競爭產品的傳輸覆蓋范圍。

4 軟件設計

無胸帶運動心率手環的軟件部分主要分為兩大模塊，手環的嵌入式部分程序與智能手機端APP的程序。

手環工作后處于待機狀態，等待與手機藍牙進行連接，當手環與手機藍牙握手成功后，微控制器手環的控制器會每隔5秒相手機傳送一個完整的數據包，發送的內容與代表意義如表1與表2所示。

表1 運動模式數據包對應內容

表2 監控模式數據包對應內容

在智能手機端，開發了專用的APP，滿足數據的交流以及監控，手環與手機直接通訊的程序設計流程如圖3所示。作品實物制作和調試已經完成，各項性能指標均達到了預期設計的要求，靈敏度高，可靠性強。

5 存在的問題及展望

5.1 電池續航能力弱

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航能力，兩者都是在小屏幕上犧牲用戶體驗來換取電池續航能力的。

5.2 制作成本較高

到目前為止，知名硬件設備制造商所推出的智能手表價格都不低，可以買一部中等配置的智能手機。智能手表目前還仍然需要搭配智能手機一起使用，功能方面也沒有特別突出的地方，因此居高不下的價格使其市場窗口很難快速打開，普及就更難了。

圖3 系統設計程序流程圖

6.結束語

該課題是針對當前可穿戴設備為研究對象，無胸帶心率手環是一個通過傳感器檢測、單片機控制、藍牙4.0傳輸數據的綜合性系統。系統手環部分采用STM32L152C8微處理器，實現一般手環的基礎功能外，主要側重于登山者的使用，可以實現測量外界氣壓、海拔高度、外界溫度、佩戴者實時心率及計步等功能。系統整體不完善的地方還有很多，在今后的研究中，繼續改進無胸帶心率手環。

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天津職業技術師范大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助，項目編號：201510066027。