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摘 要：传统智能手环存在心率检测实时性差、无异常心率提醒等缺陷。文中针对传统智能手环的不足，提出了一种基于nRF51-DK的智能心率手环的设计方案。文中设计的智能心率手环具有运动模式和正常模式切换功能，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。实践表明，该智能心率手环具有快速、方便及可靠等特点。
关键词：心率检测;手环;nRF51-DK;蓝牙
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）01-00-03
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。
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。
3 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。
参 考 文 献
[1]刘雯，姜铁增，陈炜，等.基于ARM Cortex-M4内核的物联网/嵌入式系统开发教程[M].北京：水利水电出版社，2018.
[2] GUBBI J， BUYYA R， MARUSIC S， et al. Internet of Things（IoT）： a vision， architectural elements， and future direction[J].Future generation computer systems，2013，29（7）：1645-1660.
[3]刘波文，孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OS-II经典实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014：22-23.
[4]康习勇.蓝牙技术在智能家居中的应用研究[D].沈阳：辽宁工程技术大学，2005.
[5]谢龙汉，鲁力，张桂东.Altium Designer 原理图与PCB设计及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.
[6]郭霖.第一行代码—Android[M].北京： 人民邮电出版社，2014.
[7]唐嘉，何彬彬，郝白东，等.智能手环设计方案[J].电子技术与软件工程，2017（24）：115.
[8] nRF5182嵌入式系统智能手环设计[J].世界电子元器件，2015（6）：11-15.
[9]武士慧，趙茜，孙瑞雪.智能防盗手环设计[J].电子世界，2018（3）：170，172.
[10]沙锋.基于老年人的智能手环的设计与研究[D].武汉：武汉理工大学，2015.
关键词：心率检测;手环;nRF51-DK;蓝牙
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）01-00-03
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。
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。
3 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。
参 考 文 献
[1]刘雯，姜铁增，陈炜，等.基于ARM Cortex-M4内核的物联网/嵌入式系统开发教程[M].北京：水利水电出版社，2018.
[2] GUBBI J， BUYYA R， MARUSIC S， et al. Internet of Things（IoT）： a vision， architectural elements， and future direction[J].Future generation computer systems，2013，29（7）：1645-1660.
[3]刘波文，孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OS-II经典实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014：22-23.
[4]康习勇.蓝牙技术在智能家居中的应用研究[D].沈阳：辽宁工程技术大学，2005.
[5]谢龙汉，鲁力，张桂东.Altium Designer 原理图与PCB设计及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.
[6]郭霖.第一行代码—Android[M].北京： 人民邮电出版社，2014.
[7]唐嘉，何彬彬，郝白东，等.智能手环设计方案[J].电子技术与软件工程，2017（24）：115.
[8] nRF5182嵌入式系统智能手环设计[J].世界电子元器件，2015（6）：11-15.
[9]武士慧，趙茜，孙瑞雪.智能防盗手环设计[J].电子世界，2018（3）：170，172.
[10]沙锋.基于老年人的智能手环的设计与研究[D].武汉：武汉理工大学，2015.