穿戴式心率監測報警器設計與制作

浙江東方職業技術學院數字工程學院 李文祺 高佳鋒 尚玲瓏 藍 翔 肖志堅 鄭定超

針對越來越多“猝死”事件的發生，本文設計一個可穿戴式心率監測報警器，可以實時監測佩戴者的心率，統計其步數，當數據發生異常時立即發送定位短信至目標手機進行報警。本設計采用STM32F103系列單片機作為控制芯片，HXDZ-30102-ACC血氧心率傳感器和3軸加速傳感器ADXL34負責采集心率、血氧、步數數據，SIM868 GSM/GPRS/GPS模塊實現GPS定位和發送短信。經過測試與對比，心率監測報警器正常工作，檢測到的數據在正常誤差范圍內，運行穩定。

當下，人們對健康的意識越來越強，跑步、游泳、登山等活動成為人們日常生活中常見的運動方式。微信還推出了微信運動功能，記錄行走的步數。與此同時，學生跑步猝死的新聞、戶外運動愛好人士因為運動過量引發急性心衰導致猝死的新聞越來越多。

隨著智能電子產品的普及，智能穿戴設備越來越多，其中最常見的就是智能手環，一般智能手環包括時間、計步、睡眠記錄等功能，但其并不具備心率監測、報警等功能。如果在運動或者日常生活中能夠實時監測用戶心率，一旦出現異常能產生報警，那么就能減少由于心率問題產生的猝死案例。

1 系統設計

本文擬設計一個基于STM32的可穿戴式的心率監測報警器，同時添加計步功能，用以統計運動步數。系統通過加速度計檢測運動步數、血氧心率傳感器監測心率與血氧，檢測到的數據通過單片機處理后由顯示模塊顯示；如果檢測到的數據異常則會自動產生報警并發送定位信息短信至目標聯系人，同時也可以手動發送定位短信給目標聯系人以尋求獲得幫助。

2 硬件設計

考慮到心率監測報警器的可穿戴性，系統的硬件設計需考慮到尺寸、功耗及外觀等因素。系統硬件的選取與設計傾向于尺寸小、功耗低的芯片與電子元器件，同時需要設計良好的PCB板布局與連線，以求獲得較佳的性能與外觀。

2.1 最小系統

系統的控制系統采用STM32F103系列的單片機。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內核的32位的微控制器，是一款48管腳封裝、低功耗的單片機，且性能穩定價格實惠。最小系統包括復位電路、電源電路和晶振電路。32芯片的時鐘樹中需要有五個時鐘源，我們需要布置的便是外部高速時鐘和外部低速時鐘。其中，高速外部時鐘可接石英/陶瓷諧振器或者接外部時鐘源，頻率范圍為4MHz～16MHz。低速外部時鐘，可接頻率為32.768kHz的石英晶體。由于不同模塊供電電壓的不同，本系統主要采用5V與3.3V兩個電源規格，用AMS1117-3.3正向低壓降穩壓器實現電壓轉換。系統采用上電復位，方便用戶隨時復位。

圖1 心率監測報警器電路圖

2.2 心率模塊

本裝置的心率監測采用HXDZ-30102-ACC血氧心率傳感器來實現。模塊本身集成了一個紅光LED和紅外光LED、光電檢測器、光器件以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路，可以將其佩戴于手指、耳垂和手腕處，通過標準的I2C通信接口將采集到的數值傳輸給STM32單片機進行后續的心率和血氧計算。通過軟件關斷，可以使待機電流接近為零，實現電源始終維持供電狀態。

2.3 定位報警模塊

系統的定位報警模塊采用SIM868 GSM/GPRS/GPS模塊，模塊集成了GPS定位于GSM網絡，支持中國移動等網絡通信。首先通過GPS定位實時獲取經緯度信息，通過OLED顯示屏顯示；當檢測到異常時，就通過GSM網絡以短信的形式發送經緯度信息以及監測的心率、步數等信息至目標關聯手機。GSM網絡覆蓋面大、信號穩定，保證了信息的有效發送。

2.4 計步模塊

步數的統計由3軸加速傳感器ADXL345實現，其在測量模式下的功耗僅40uA，待機模式下為0.1uA，是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加速度計。當傳感器固定在運動物體上后，隨著物體的運動，其X、Y、Z三個方向的加速度會發生變化。

心率監測報警器的電路圖如圖1所示。

3 軟件實現

系統的軟件采用單片機C語言實現，主要包括各傳感檢測模塊的信號采集與處理、單片機的邏輯控制與短信報警模塊的使用。

3.1 心率監測

首先對HXDZ-30102-ACC血氧心率傳感器進行模塊初始化，包括存儲器、中斷的配置，前500樣本的采集，然后傳感器通過I2C連接方式發送數據給單片機，單片機實時接收數據并顯示。其中主要的部分函數如下：

uint8_t MAX30102_Write(uint8_t WriteAddr, uint8_t WriteData);//向模塊寫數據

uint8_t MAX30102_read(uint8_t ReadAddr);//從模塊中讀數據void Max30102_Init(void);//模塊初始化

void Max30102_Test(void);//移除舊數據，采集新100組數據

3.2 短信定位

SIM868 GSM/GPRS/GPS模塊獲取到的數據包括UTC時間、經緯度信息等，該數據是一個結構體數據，通過對結構體的解析得到目標數據；通過GSM網絡發送GPRS數據至目標手機。該模塊集成了GSM模塊并引出串口接口，只需要使用串口就能操作GSM數據。由于經緯度坐標的不同，根據不同的地圖需要轉換不同的坐標。主要的部分函數如下：

void parseGpsBuffer(void);//解析GPS數據

void GPS_Transformation(void);//坐標轉換

void SendMessage(char *number,char *msg);//發送發短信命令

3.3 主函數

心率監測報警器的工作模式主要分為手動模式和自動模式兩種。自動模式下，用戶佩戴穿戴式心率監測報警器，監測報警器可以監測用戶的心率、血氧等參數，統計運動步數。當監測的心率或血氧超過一個設定值時，裝置會自動發送一條定位信息至目標手機進行報警。手動模式下，佩戴者可以手動點擊裝置上的按鈕發送定位信息至目標手機以求獲取幫助。

4 系統測試

穿戴好心率監測報警器后，其可以讀取用戶的心率、血氧，統計步數，經過與專業儀器對比之后，稍有誤差，但在允許范圍內，可以證明裝置正確與有效性。用戶在經過適當運動后，檢測到的數據也會發生變化，經過與專業儀器的對比，數據正確。在適當調低報警閾值之后，經過劇烈運動，監測報警器產生報警短信，用戶點擊報警按鈕亦可產生報警短信至目標手機。圖2是報警器的屏幕畫面，采用的是0.96in OLED顯示屏。

圖2 屏幕顯示

結束語：經過系統測試，本設計基本能夠實現心率監測、步數統計、短信報警的功能。對于運動人士或老年人來講，可以有效地監測心率狀態；發生異常時及時發送報警短信，可以有效地減少事故的發生。當然，該裝置還存在一定的不足，比如準確性的提高，尺寸、功耗更進一步的優化，這都是以后改善的目標。