基于 nRF51-DK 的智能心率手环设计

0 引 言

根据世界卫生组织统计，心血管病死亡率居首位，明显高于肿瘤及其他疾病。心血管疾病并不像普通病症那样会表现出症状，有很多患者的病症表现是轻微、断断续续且难以辨别的，而实时的心率检测可以有效检测用户的健康状况， 及时发现异常并提供解决方案。

随着科技的快速发展，可以检测心率的智能手环逐渐进入人们的视野，但市场上的一些主流智能手环 / 手表如小米手环、华为手环、Apple Watch 等，存在心率检测实时性差， 心率异常时无提醒等缺陷。

本文针对上述问题，提出了一种智能心率手环的设计方案。该智能心率手环具有运动模式和正常模式的切换功能，秒级心率检测频率、异常心率提醒功能，蓝牙数据传输功能，心率数据统计功能等，弥补了市面上主流手环的缺陷，为人们检测自身健康并及早发现心血管病提供了解决方案。

1 智能心率手环原理

本文手环采用 nRF51-DK ARM 处理器作为智能手环的中央处理模块，采用 MAX30102 心率 PPG 传感器作为心率检测模块，采用 LCD1602 屏幕作为显示模块，采用蓝牙与智能 Android 手机通信。系统总体框图如图 1 所示。

                                                                                                                                                                                  图 1 智能手环系统框图

2 智能心率手环的方案设计

2.1 智能心率手环的硬件设计

硬件设计分为处理器选择、心率传感器选择、其余元器件三个部分。

2.1.1 处理器的选择

可选用 nRF51 系列 SoC 架构最大限度减少平均电流消耗，并支持各种无线应用的单芯片实现。nRF51-DK 功能强大，采用低功耗 32 位 ARM®CortexTMM0 处理器，启动时间为 2 μs，与 8/16 位处理器相比，可最大限度缩短活动时间并提高代码密度 ；它拥有先进、精细的电源管理方案，独立的系统模块可以独立开机或关机，并根据活动水平自主控制时钟 ；具有可编程外设互连（PPI）系统，使外设（如无线电，定时器和 I/O）能够彼此独立交互，不涉及处理器，可通过最小化处理器活动时间来节省电力，同时放宽处理器的实时要求 ；灵活的 GPIO 映射简化了 PCB 设计，有助于减少布线层的数量 ；定制 2 区存储器保护单元（MPU）支持预编译的协议栈（如 ANT 和蓝牙低功耗）的程序存储器和运行保护。

2.1.2 心率传感器的选择

MAX30102 是一个集成了脉搏血氧和心率检测功能的生物传感器模块，其本身集成了一个红光 LED 和一个红外光发射管、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102 采用一个 1.8 V 逻辑电源和一个独立的 5.0 V 内部 LED 电源，可应用在可穿戴设备上实现心率和血氧采集检测。通过标准的 I2C 兼容通信接口可以将采集到的数值传输给STM32，Arduino 等单片机进行心率计算。此外，该芯片还可通过软件关断模块，使待机电流接近零。因为其优异的性能，本文选用此传感器作为心率传感器。

2.1.3 其余元器件

其余元器件包括显示模块LCD1602、提醒模块小型震动马达等。手环部分的硬件电路连接如图 2 所示。

2.2 智能心率手环的软件设计

手环的软件设计分为手环处理器的软件设计和 Android 手机 APP 设计两部分。手环处理器的软件部分采用 mbed 编写，Android 手机 APP 由 Android Studio 编写，手环处理器的软件流程如图 3 所示，手机 APP 截图如图 4 所示。

4 结语

经过对该智能手环原型机的验证实验可知，本文提出的基于 nRF51-DK 的智能心率手环具有快速、方便及可靠等特点。本文手环实时的心率检测并统计功能可有效检测用户的健康状况，发现异常并提供解决方案，为保障人们的心血管健康提供有力保障。但该手环仍然存在提升空间，如增加血氧含量的检测、通过手机 APP 对手环模式进行切换等，这些功能有待于进一步研究。