STM32技术的老年智能手环的设计与实现

本文结合当今老龄化社会的背景，设计了一款基于STM32 的老年智能手环，可以采集手环使用者的心率、运动状态、体温等数据，当有跌倒的意外情况发生时，会进行跌倒报警。结合手环还设计了一款Android手机APP应用程序，智能手环通过蓝牙与手机连接，家属和监护人便可以通过手机APP实时看到手环佩戴者的身体数据，如果发生意外也能够第一时间知道并进行救助。
第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

在现代化进程的快速发展和社会的高速进步下，老龄化已是一个普遍现象。中国已成为世界上老年人最多的国家，虽然这种情况给社会发展带来了挑战，但老年人群体在某些领域也是很重要的。根据中国发展研究基金会在 2020 年 6 月 11 日发布的一份有关我国人口老龄化的研究报告，预计我国将在 2022 年左右逐渐地步入一个老龄的社会，65 岁及以上的老年人到时所占的比例会增加至 14%以上。而跌倒不仅被认为是居于世界范围内的意外伤亡事故因素第二位，也是导致我国 65 周岁及以上的老年人重大伤亡的主要原因[1]。当前我国的经济发展已落后于人口老龄化发展速度不少，所以我们从老龄化社会步入老龄社会时很有必要改善社会劳动和生产的效率。社会保险制度、养老服务制度以及对老年人的健康扶助制度都将面临着巨大挑战[2]。当今社会的经济建设发展快，人们的生活节奏也很快，加上工作等原因，子女大都和父母分开居住，难以实时了解父母的身体状况，如果发生

意外，子女或亲属也难以及时赶到，若不能及时的得到医疗救助，极可能会带来严重后果。当下科技发展迅猛，可穿戴医疗设备在近几年受到了国内外的广泛关注[3]，相比于传统的监测医疗仪器来说，可穿戴设备的便携、远程监护[4-5]等功能更胜一筹，不仅可以做到实时监测身体状态，若某项指标出现异常时，还可以及时提醒使用者，早就医早预防。如上所述老年人在生活中可能会经历或遇到类似的情况，本文基于 STM32 微控制器设计研究开发了一种面向老年人的智能手环，主要包括心率采集模块、运动状态检测模块、蓝牙通信模块。心率采集模块选择了一款光电反射式传感器，经传感器采集到的心率信息，需要先进行降噪处理，然后再作为脉冲信号输出，再经过处理器检测，计算后便可得出心率。采用三轴加速度传感器作为运动状态检测的主要模块，根据三个方向的加速度确定的合加速度，通过动态阈值来判断运动状态并可以进行计步。该手环主要通过蓝牙串口模块与手机进行通信，手机端 APP 应用程序可以看到手环佩戴者当下的心率、步数、体温、身体状态的数据，实现远程实时关注老年人健康的功能，如果发生意外跌倒得情况，还可以收到短信警报提醒。

1.2 国内外研究现状

上世纪六十年代，可穿戴式智能设备的发展思想和产品原型就已经出现了，相关产品在七八十年代也已经诞生，但当时人们对此鲜有兴趣。进入二十一世纪，伴随着科技和经济的发展，可穿戴式智能产品被人们所广知，发展渐入佳境，呈现爆发式增长[6]。可穿戴式智能设备主要是指能直接穿戴在身体上的设备，只是其中涵盖了智能化的理念，也可以说它是可以集成到衣服中的便携式设备，或是嵌入到配件中的便携式设备[7]。有关智能可穿戴式设备的技术，国内外的研究起步时间和切入点虽然不同，目前在此方面的研究发展步调也存在一些不同，但是研发此类产品的初衷均是为了让人们能够利用网络和计算机高效处理信息，方便人们更好的感知外部与自身的信息。

第二章 手环系统的整体设计及应用原理概述

2.1 系统整体方案的设计

本系统的设计是结合当今社会中老龄化人群面临的健康问题，老年人跌倒问题已成为老龄化社会中直接威胁老年人生命安全的最重要因素之一[30]。故结合智能可穿戴技术，设计并制作了一款适合老年人的智能可穿戴手环。智能穿戴技术的发展给人们的生活带来了便捷，如今的可穿戴产品有信息咨询类、运动健身类、健康医疗类、娱乐生活类、智能开关类等等类型，种类数量繁多，针对的领域各有不同，各有特色。与传统的监测式医疗设备相比，可穿戴式设备具有便携、远程监护等优点，且可将以医疗为主的传统医疗模式转化为以预防为主的模式，使得老年人在家中也可以自主地进行健康管理，方便对自已的身体情况进行实时监测。本系统总体结构的框架图如下图所示。如图所示，本系统分为手环和安卓手机端 APP两个部分，它们依托于蓝牙技术进行数据通信。智能可穿戴手环电子产品部分包括了六个模块，主要是进行心率采集、运动状态监测、计步、测温。

2.2 心率检测

心跳不是心脏本身主动唤起的一种现象，血管分布于人的全身，静脉和动脉交替扩张和收缩，冲陷的血液产生的能量使心脏发生跳动，心肌有节律地进行扩张和收缩，使得大量的血液由静脉向动脉泵出，这便是心跳的过程。成人的正常心率通常是每分钟 60 到 100 次，年龄、性别等其他的生理因素也会对心率产生影响。如下图 2.2 所示即为心脏跳动的波形图，心电仪器可以让人们观察到心跳的变化波动。

第三章 智能手环系统硬件设计.............................................................................................................................. 14

3.1 硬件总体设计............................................................................................................................................. 14

3.2 心率采集模块设计..................................................................................................................................... 17

3.3 运动状态采集模块电路设计..................................................................................................................... 20

3.4 蓝牙串口通信模块电路设计..................................................................................................................... 22

第四章 智能手环系统软件设计.............................................................................................................................. 27

4.1 软件设计语言与开发环境......................................................................................................................... 27

4.2 系统整体工作流程及初始化..................................................................................................................... 28

4.3 心率检测部分程序设计............................................................................................................................. 30

第五章 测试与调试.................................................................................................................................................. 56

5.1 硬件部分测试............................................................................................................................................. 56

5.2 软硬件联合测试......................................................................................................................................... 57

5.3 实验测试..................................................................................................................................................... 59

5.4 本章小结..................................................................................................................................................... 61

第五章 测试与调试

5.1 硬件部分测试

如图 5.1 所示是手环的各部分模块电路元件，先对各个独立模块进行单独测试，保证每个模块在电路方面没有问题，以避免后续组装使用时出现短路、断接等现象。各个单独的模块测试完以后将各元件组装，先通上电，看是否可以正常启动，如若没有问题出现，则可以进行下一步的软硬件联合调试。

在程序编译无误后，使用下载线将程序烧录到手环硬件当中，此处是用ST-Link下载线完成烧录过程的。程序烧录完成后，给手环连接上 3.7V锂电池，上电以后，可以看到手环显示屏显示身体状态、心率、温度和计步
第六章 总结与展望
6.1 总结

本文结合当今老龄化社会的背景，设计了一款基于STM32 的老年智能手环，可以采集手环使用者的心率、运动状态、体温等数据，当有跌倒的意外情况发生时，会进行跌倒报警。结合手环还设计了一款Android手机APP应用程序，智能手环通过蓝牙与手机连接，家属和监护人便可以通过手机APP实时看到手环佩戴者的身体数据，如果发生意外也能够第一时间知道并进行救助。本文主要完成的工作如下：

（1）基于当今老年群体的生活环境以及社会背景，分析了针对老年人使用的智能手环设计的必要性以及应用价值。基于我国现代老年人的日常生活情况，以及已经面市的各种智能手环的功能特性，研究开发出一款适合我国老年人使用的智能手环，完成了智能手环的总体设计，硬件部分的系统设计，软件程序部分的设计和Android手机端APP的设计，实现了可以实时检测到老年人身体状态数据的功能。

（2）设计了手环的软硬件系统，硬件部分以STM32F103VCT6TR作为主控芯片，通过心率传感器MAX30102 采集心率数据，加速度传感器MPU6050 检测佩戴者的运动数据并进行跌倒检测，附带检测体温。然后通过蓝牙串口通信将这些数据传送到手机端APP。搭建Android应用平台，完成APP界面设计，实现了手环与APP的信息互通。

（3）对整体硬件系统和软件进行联合测试，获取心率、身体状态、步数、体温数据，并通过OLED显示。同时也对手机APP功能进行了测试，可以实时监测上传的心率、运动状态等数据，跌倒情况下也能实时发出警告并可定位到手环佩戴者的具体位置。