论文总字数：19654字

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 开发工具介绍 2

1.3.1 SolidWorks 2

1.3.2 Altium Designer 2

1.3.3 Eclipse 2

1.4本文主要工作 2

1.5 本章小结 3

第二章 方案设计 3

2.1 系统初步总设计 3

2.2 方案论证 3

2.2.1 监测心率的方法 4

2.2.2 报警途径的选择 4

2.2.3 电源选择 4

2.3系统最终设计 5

2.4 本章小结 5

第三章 硬件部分设计 5

3.1 MAX30102简介 5

3.1.1 各引脚及功能介绍 6

3.1.2 心率报警值设定 7

3.2 报警部分设计 7

3.2.1 蜂鸣器 7

3.2.2 按键 8

3.3 外形设计 8

第四章 软件部分设计 9

4.1 心率监测程序设计 9

4.2 蜂鸣器驱动程序设计 11

4.3 按键报警程序设计 12

4.4 短信报警程序设计 13

4.5 本章小结 14

第五章 调试及实验 14

5.1 硬件信息获取 14

5.2 APP显示 15

5.3 实验结果及分析 16

5.3.1 心率血氧监测结果及分析 16

5.3.2 报警功能结果及分析 17

5.4 本章小结 17

第六章 设计中的问题与分析 17

第七章 总结与展望 18

7.1 总结 18

7.2 展望 19

参考文献： 19

致谢 21

附录 22

针对老人心率监测的智能手环设计——心率监测

方娟娟

，China

Abstract：Science and technology continue to develop, while the phenomenon of the aging of our population is becoming more and more serious. Today,there are many elderly people living alone in the society. Their daily lives lack the care from their families and health problems often do not receive timely care and treatment. This design will propose countermeasures to the problem of the old people’s life safety.It aims to integrate technology into life to meet the needs of society. This design will use STM32F103 VET6 as the main control chip, along with BLE-CC41-A Bluetooth module, MAX30102 heart rate blood oxygen module and mobile phone APP, to realize a real-time monitoring of the elderly heart rate changes and automatically trigger the mobile phone alarm when data anomalies.This design was completed by myself and Wang Ruofan. He is mainly responsible for Bluetooth communication and PCB board drawing,while I am mainly responsible for heart rate monitoring and alarm. Therefore, the paper briefly introduces the overall design of the system at first. Then the software and hardware design related to heart rate monitoring and alarm are emphatically introduced. At the end of the paper is the analysis and summary of the results of this design.

Key words：aging of population；heart rate monitoring；wearable devices

第一章 绪论

1.1研究背景

由于国家对人才培养的重视和对科技发展的大力支持，人们的生活质量得到了大幅的提高而且生活方式也发生了很大的改变。可穿戴设备的发展也渐渐成为时代的需求，虽然其便携性给健康数据的采集提供了途径，但是由于获取的数据缺乏准确性和标准性等因素，可穿戴设备的可靠性并不高。目前我国人口老龄化现象日益严重^[1]，超过65岁的人口数量在不断上涨，在《智慧健康养老产业发展行动计划》中针对这一现象提出了2017至2020年间基本形成覆盖生命周期的智慧养老产业体系^[3]，因此智能医疗领域还有很大的市场及发展空间，而可穿戴设备也会成为智能医疗获取健康信息的重要工具之一。可穿戴设备的产品形态多样、款式新颖，主要有以手腕为支撑的watch类和智能服装等^[17]，其中应用最广泛也是最常见的就是智能手环。在1982年日本精工曾推出的一款可编程手环可以算是智能手环的起点。至2014年，智能手环的发展进入爆发阶段，许多科技企业相继推出了新型的智能手环，佩戴的人群大部分是青少年。智能手环的功能主要是记录佩戴者的运动情况，目前随着各项技术的发展，手环与手机APP相结合也增添了不少附加功能比如闹钟、消息提醒及睡眠质量反馈。

1.2 国内外研究现状

智能可穿戴医疗这些年获得了迅猛发展，其通过物联网、大数据等技术的应用对佩戴者进行健康数据等的采集再汇总到健康医疗数据平台进行数据的分析处理，同时根据获取的佩戴者信息总结整理出合理的生活作息及饮食规律等，除此之外，也有助于医疗机构分析病因以及观察患病者健康数据变化等。国内目前对可穿戴医疗设备的发展具有较高关注度，当然这也和我国人口老龄化不断加速的国情密切相关。除了国内，国外也加大了对可穿戴医疗设备方面的研究力度且取得了很可观的发展，在制作材质方面也有了质的飞越，设计也越来越人性化。

可穿戴设备在某种程度上使人体健康数据的监测更加便捷^[4]，但是目前的技术发展并不成熟，其在数据的监测和复杂病症的分析上仍然具有较大的误差，故通过可穿戴设备获取及分析出的结果并不可靠，要想把可穿戴设备用作医疗数据获取的强有力工具还需要加大相关传感器以及数据处理的研究。除了误差问题，不同品牌的或者不同型号的可穿戴设备对信息的处理和传输路径等也可能有很大差异，进而造成产品之间不能兼容和互相通信，这也使得可穿戴医疗设备发展具有局限性，只能处于初步发展阶段。由于可穿戴医疗设备的监测技术并不成熟，该行业缺少统一的标准，再加上其监测获取的信息包括佩戴者的日常行为习惯以及健康数据等隐私信息，这也将会严重制约可穿戴医疗设备的发展。可穿戴医疗设备通常可用来监测心率、血压、血氧浓度等^[6]，其中心率监测的实现主要有两种途径：一种是由于光具有反射性，人体皮肤、骨骼等对光的反射量是固定的，同时血液对红光会产生吸收作用，脉搏的规律性跳动会使毛细血管和动脉静脉的容积也不断发生规律性变化，继而分析光的反射值的变化情况由此测得心率。还有一种测量方式是对利用心跳会使体表电极产生变化的原理对心电信号进行检测。这两种测量方法都有一定缺陷，前者测量获得的心率数值并不精确，而且很容易就会产生误差，后者虽然测得的数据相对准确但是并不能实现远程监测，而且必须使用者主动测量。除了测量方式带来的误差外，用户的活动状态也会给数据测量带来一定的考验，哪怕是说话、出汗都有可能使本就不算准确的测量产生更大的误差。

1.3 开发工具介绍

1.3.1 SolidWorks

SolidWorks是基于Windows平台的三维CAD软件，它设计功能强大且操作简单易学，可大幅提高使用者的工作效率。在该软件中可进行零件设计和装配体设计等，同时，SolidWorks内可直接拖拽零件进行设计会使用户在制作大型装配设计时节省不少的时间。在该软件中零件、装配体和工程图相互关联，除了用户可以自行拖拽设计，SolidWorks可根据用户需求给出不同的设计方案，这也很大程度上避免了在设计中出错的问题。SolidWorks的操作方法与Windows类似，其资源管理器也和Windows资源管理器同样可以对计算机辅助设计文件进行管理。在本设计中，本人利用Solidworks首先根据各模块尺寸画出零件图，再新建装配体文件，将零件图相继导入，并尝试各种组合方法，最终在满足各模块要求且能实现设计功能的前提下作出最终外形排版设计（设计图见图6和图7）。

1.3.2 Altium Designer

Altium Designer是主要运行于Windows XP操作系统下的电子产品开发系统，使用这套软件可以实现设计原理图、进行电路仿真、对信号的完整性进行分析以及绘制编辑PCB等功能^[7]，其中在PCB绘制中，可以导入现有的电路图后自行布线或者选择自动布线，最后效果美观且布线整齐。其用户操作界面与Protel 99SE相比也更加美观，操作设置也更加方便，尤其是其功能也尤为强大，使用户在电路设计方面获得了许多便利。

1.3.3 Eclipse

目前比较常见和常用的Android软件开发平台主要有Eclipse ADT和Android Studio。在页面样式的参数配置方面，Android Studio比Eclipse ADT要更加便利，界面也更加美观。但是Android Studio却不能同时打开多个项目进行编写，相较之下，Eclipse ADT更适用于需要同时开发多个项目的情况。Eclipse由Eclipse平台、插件开发环境、JAVA开发工具和C/C 开发工具包构成^[8]。其中，Eclipse平台可实现通用的发开，在该平台亦可以满足使用者独立开发工具，该工具可与其他工具无缝集成。

1.4本文主要工作

基于当前人口老龄化日益严重的国情，本组提出了关于针对老年人心率监测的智能手环设计。本设计是由我和王若璠同学合作完成的，他主要负责蓝牙通讯相关的硬件编程和APP制作以及PCB板的绘制，我则主要负责心率监测相关的硬件编程和报警功能的设计以及外形设计，共同完成实验部分。本文一共分为七个章节，第一章为绪论主要介绍了本课题的研究背景、国内外研究现状和相关开发工具的介绍，第二章为系统总设计以及方案的论证分析。第三至第四章介绍了本设计中心率监测和报警部分的硬件和软件设计，其中报警部分包含三种方式，分别是蜂鸣器报警、按键报警以及短信报警。第五至第六章为对设计的调试与结果分析，在文章的最后是对本文的一个总结和对其相关发展的展望。

1.5 本章小结

本章介绍了本设计的研究背景和国内外的研究现状，还对设计中涉及的开发工具做了简要的介绍，对本文的主要工作也做了概述。据分析，目前可穿戴医疗设备的发展极具潜力，若加大相关监测技术的开发与研究，老年用户一定会成为最有潜力的市场，同时，与健康监测的相关服务平台也会推出更多人性化的服务，也获得更大的发展空间。

方案设计

本章主要是介绍智能手环的初步总设计、各个功能模块的选择以及比较筛选后的系统设计方案，在方案论证中主要对心率监测的方法、报警途径的选择、电源的选择进行详细的比较与分析。

2.1 系统初步总设计

本设计的总体思路是：利用心率血氧传感器来检测心率以及血氧浓度，并将测得数据直接传输给STM32F103VET6芯片进行数据分析及处理，经蜂鸣器报警程序判断是否报警，再通过蓝牙模块将获取数据传输并显示在与手环蓝牙相连的手机用户1的APP内。当心率血氧模块获取数值异常时，触发手环上蜂鸣器报警且手机用户1发送报警短信至手机用户2。此外，当按键被按下时则直接报警。系统总设计框图如图1所示：

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