基于可穿戴心率監(jiān)測器項目開發(fā)介紹

近年來可穿戴設備在多個市場呈現(xiàn)爆炸性增長，這很大程度上是因為它們提供的便利性以及大量的相關信息。運動跟蹤器（比如三星的Gear Fit 2）、醫(yī)療設備（比如Qardio Arm血壓劑）以及安德瑪（Under Armor）推出的UA Speedform Gemini 3智能跑鞋就是其中一些例子。這些設備能夠為用戶提供各種反饋信息，包括睡眠質量、VO2水平（氧攝入量）、運動水平、步行和跑步節(jié)奏等數(shù)據(jù)點。

設計可穿戴設備需要添加外圍設備來感應和顯示各類數(shù)據(jù)，同時需要在云端存儲和檢索數(shù)據(jù)。本項目采用美信公司（Maxim）推出的Pegasus Rapid開發(fā)平臺，開發(fā)板上集成了關鍵的外圍設備以及Maxim推出的700-MAXREFDES117#心率監(jiān)測器參考設計，這大大的簡化了開發(fā)流程。此外我們采用了Mbed操作系統(tǒng)（OS）用于云編程，Ubidots云服務以及Android Studio軟件實現(xiàn)云應用接口。

如果你是一名設計師（或“DIYer”），借助這些集成特性、參考設計和云編程工具會讓你在起跑線上領先一步。下面的內容標注了必需的工程材料、幫助你進行編程、組裝開發(fā)板卡、編譯和下載安卓App、將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑品铡?/p>

項目材料和資源

我們建議在開始此項目前收集好如下材料和資源：

項目材料清單（BOM）

在Mouser.com官網(wǎng)上查看該項目需要的清單，包括各種組件：

Maxim公司推出的700-MAX32630FTHR#開發(fā)平臺，集成了MAX36630 ARM Cortex M4F微控制器和MAX14690 PMIC電池管理器件

Maxim公司推出的700-MAXREFDES117#心率監(jiān)測器，集成心率/脈搏監(jiān)測傳感器、降壓型DC/DC轉換器和邏輯電平轉換器

鋰聚合物電池

貿澤HRM Mbed repository

貿澤HRM Gihub repository

硬件：

? 電烙鐵

? 跳線或普通導線

? 助焊劑

? 接頭引腳

? 面包板

? 數(shù)字萬用表（可選）

? 示波器（可選）

? 外圍擴展設備（可選）

賬號和軟件

? 一個Ubidots云服務賬號

? Mbed.org官網(wǎng)賬號

? Android Studio開發(fā)軟件

項目技術概述

這是一個針對于有編程和焊接經(jīng)驗工程師和DIY愛好者的高級開發(fā)項目，設計這個項目我們采用了如下技術：

Maxim（美信）MAX32630FTHR Pegasus開發(fā)平臺

驅動這個項目的是Maxim公司全新推出的MAX32630FTHR Pegasus開發(fā)平臺（圖1）。集成了MAX32630 Arm Cortex M4F微控制器以及MAX14690 PMIC電池充電管理器件，這個平臺會協(xié)助工程師進行快速的原型設計。該功能豐富的板卡包含多個集成外設，比如加速度計/陀螺儀、雙模式藍牙以及SPI、I2C、UART、66個GPIO接口等。MAX32630FTHR小巧的外觀尺寸與幾款現(xiàn)成的擴展板以及標準面包板相兼容，這帶來了無限的可能性。如果你對某些內容好奇，我們提供了擴展外設的介紹鏈接。

圖1：Maxim推出的MAX32630FTHR# Pegasus開發(fā)平臺集成了Arm Cortex M4F微控制器和PMIC電源管理器件

Maxim推出的MAXREFDES117#心率模塊參考設計

Maxim流行的MAXREFDES117#心率模塊參考設計（圖2）非常的小巧，它集成了Maxim MAX30102心率/脈搏、血氧傳感器、MAX1921降壓型DC/DC轉換器以及MAX14595邏輯電平轉換器。這種多功能設計可以用于Arduino和Mbed平臺實現(xiàn)快速集成。示例提供的固件就適合這兩種平臺，給用戶提供了非?；镜乃惴ǎ梢源_定心率、血氧飽和度等參數(shù)，幫助他們快速實現(xiàn)原型設計。

圖2：Maxim流行的MAXREFDES117#心率模塊參考設計非常的小巧，集成了心率、脈搏、血氧傳感器、降壓式DC/DC轉換器和邏輯電平轉換器

Mbed操作系統(tǒng)（OS）實現(xiàn)云編程

MbedOS提供了一個方便的基于云編程的工具，幫助簡化和加速創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)（IoT）平臺。Mbed提供的工具幫助實現(xiàn)代碼協(xié)作、提交并且軟件發(fā)布，同時幫助維護詳細的修訂歷史記錄。使用Mbed非常的簡單，創(chuàng)建賬號、尋找和選擇期望使用的硬件。如果你已經(jīng)擁有了賬號，你可以去Mbed Repositpry（代碼倉）將提供的代碼導入你的編譯器從而開始你的工程。

Ubidots實現(xiàn)云服務

Ubitots為所有希望想開展IoT或云項目的開發(fā)者提供了很好的起點。除了有多種開發(fā)平臺的指導手冊，Ubidots為在服務和安卓App之間搭建接口也提供了教程，信用系統(tǒng)能夠讓你以簡單且經(jīng)濟的方式開發(fā)和維護你的項目，并且提供了多種方法可以獲得更多的信用值。

Android Studio實現(xiàn)云服務接口

你需要相應的接口來實現(xiàn)將數(shù)據(jù)從Maxim板卡和傳感器傳輸?shù)皆贫?，這可以通過一個移動設備（比如平板電腦、智能手機）來實現(xiàn)。對于這個項目我們使用的是安卓框架，并且借助Android Studio來創(chuàng)建App實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的可視化。

開發(fā)心率監(jiān)測器

如果你已經(jīng)擁有Mbed賬號，使用貿澤提供的 HRM Mbed代碼倉并將其中的代碼導入到你的編譯器。

對于新手用戶：

1. 訪問Mbed.org網(wǎng)站

2. 點擊Mbed OS鏈接會轉到開發(fā)者頁面

3. 點擊“Log in/Sign up”，輸入相關信息進行登錄/注冊

一旦注冊你可以選擇高亮的“Compiler”鏈接來開始一個新的項目或者訪問Mouser HRM Mbed repository鏈接將其中的代碼導入你的編譯器。通過點擊編譯器右上角的按鈕你可以進行選擇、查看、添加或者改變相應的目標平臺。在Mbed你會發(fā)現(xiàn)其他幾種Maxim產(chǎn)品和軟件示例也是有支持的。

連接開發(fā)板卡和參考設計

將MAX32630FTHR和MAXREFDES117連接起來只需要很少的連接線，使用面包板會更加的簡單，為此請遵循如下步驟：

1. 將心率傳感器的SCL和SDA管腳連接到MAX32630FTHR的P3_5和P3_4管腳，將INT管腳連接到P3_0（圖3）

2. 心率傳感器的VIN輸入范圍在2.5到5.5V之間，我建議從3.3V或電池的SYS管腳引入電源，在嘗試使用5V時我已經(jīng)遇到了多個問題。

3. 連接地線

圖3：Maxim MAX32630FTHR#手冊中提供的管腳說明

對開發(fā)板卡進行編程

對開發(fā)板卡進行編程就像將文件從一個文件夾拖放到另一個文件夾那樣簡單，當你將代碼上傳到板卡時，MAX32630FTHR模塊還提供了調試接口。

我們按如下步驟開始：

1. 用10-Pin的連接器將接口板卡與MAX32630FTHR相連接，尤其要注意Pin1管腳。

2. 將標記有HDK的USB接口連接到PC的USB端口上，此時會自動安裝驅動，根據(jù)你使用的DAPLINK模塊的不同，它可能有多個接口或者只有一個接口（見圖4或圖5），當驅動程序完成安裝后，在電腦文件資源管理器中會顯示標記為DAPLINK的新驅動器。

3. 采用micro USB或者JST電源連接器為MAX32630FTHR模塊提供電源。

圖4：多個輸入接口的DAPLINK模塊

圖5：只有單個輸入口的DAPLINK模塊

一旦你建立了與開發(fā)板卡的連接和接口，你就需要編譯代碼生成.bin文件，然后將其下載到MAX32630FTHR中，Mbed編譯器操作如下：

1. 點擊“編譯”或者使用下拉菜單選擇你的操作。一段時間后就會在Downloads文件下就會生成.bin文件。

2. 打開Downloads文件夾找到.bin文件

3. 打開一個新的資源管理器窗口，在這個窗口內你會看到一個新的DAPLINK驅動器的盤符，這就是開板卡的接口

4. 將新創(chuàng)建.bin文件拖動或者復制到DAPLINK驅動器上，這是就會開始向開發(fā)板下載程序

當我們在下載程序過程中，DAPLINK板卡上的LED燈應該會快速的閃爍，完成后LED燈會熄滅或者保持緩慢且穩(wěn)定的閃爍

5. 按下MAX32630FTHR上的復位按鈕重新啟動執(zhí)行新下載的程序

板卡復位時，板卡上紅色的LED燈會亮起并且保持穩(wěn)定。

云服務

登錄后你會發(fā)現(xiàn)打開的是控制面板（Dashboard）頁面，有很多選項供你選擇，比如查看所有的設備、查看可用的事件、查看個人文件、查看賬戶有多少信用值。需要注意的是對于任何項目來說有些內容是必需的，比如API token、設備和變量ID。

查看API Tokens

想要查看API tokens，需要在頁面的右上方點擊“Profile”按鈕，然后選擇“API CredenTIals”，此時會在左側下拉菜單顯示所有的API token信息，對于每個用戶API token都是唯一的，這是在創(chuàng)建賬戶時生成的，這是為了防止你設備的數(shù)據(jù)發(fā)送給錯誤的賬戶。

添加設備

當添加變量時會為每個新的設備創(chuàng)建變量ID，首先我們從添加設備開始：

1. 確認你在“設備頁面”（圖6）

2. 點擊頁面右上角的黃色的圓圈（內有加號）

3. 給設備重命名，從“My Data Source”改為任何你想要的名字

4. 點擊頁面的任意位置完成設備的添加，此時會彈出一個對話框提示創(chuàng)建成功

圖6：從“設備”頁面開始

這個“設備”代表你的一個項目，一個賬號下支持多個項目。“變量ID”用來幫助每個設備來識別特定的傳感器、數(shù)據(jù)輸入源以及所處的位置。這有利于我們維護多個項目和以及獨立的或者共享的傳感器設備。

創(chuàng)建變量ID

創(chuàng)建變量ID與創(chuàng)建設備非常的類似：

1. 點擊“新建設備”按鈕，這時會打開此設備的詳細頁面，允許我們創(chuàng)建個人的變量

2. 點擊頁面右上方的黃色圓圈（內有加號標記）創(chuàng)建新的變量

3. 對變量進行重命名

4. 點擊頁面的任何位置，會彈出一個對話框表明你成功創(chuàng)建了ID

點擊這個新的按鈕會彈出“創(chuàng)建變量”頁面（圖7），在左側會顯示多條信息，你可以編輯左側中大部分信息，其中包括API標簽、允許的范圍、測量單位和相似度（重要的一項就是ID，它用來標識你的程序應該放在的位置）。

圖7：Ubidots “變量”顯示

我強烈建議大家查看教程文檔，當鼠標放在“Profile”按鈕上時會有下拉菜單，其中就包括指導手冊。文檔中提供了非常多的信息和主題，涉及MQTT、HTTP API接口等物聯(lián)網(wǎng)應用技術。

Android Studio軟件

我們需要向的接口才能將數(shù)據(jù)從Maxim板卡和傳感器傳輸?shù)皆品?，這可以借助移動設備（比如平板電腦、智能手機）來完成。對于這個項目我們采用的是安卓框架，使用Android Studio創(chuàng)建App應用，并將心率傳感器采集的數(shù)據(jù)進行可視化處理。

為了節(jié)省時間，我使用“BluetoothLeGatt”這個示例進行演示，這個應用我們可以瀏覽可用的藍牙設備，連接這些設備并且查看有哪些有用的資源。這對于創(chuàng)建自己的藍牙應用有非常好的借鑒作用（如果你選擇設計相關應用的話）。Ubidots同樣提供了相關文檔來說明如何使用App連接和發(fā)送數(shù)據(jù)到云服務，我建議大家查看API token和變量token相關的說明。

導入代碼

1. 從Mouser的Gihub上下載BLEHR.7z文件，這對于導入Android Studio是必需的。由于文件大小的限制，這個項目的源代碼被分為兩部分，你需要將它們分別進行解壓。

2. 通過在啟動界面點擊“打開已存在的Android Studio項目”或者點擊“文件”菜單就可以將代碼導入Android Studio，下面你可以看到我如何改變和實現(xiàn)Ubidots API接口的（圖8）

（注：在編譯程序前修改token密鑰，前面已經(jīng)提到過了，如果編譯前沒有進行修改，你的數(shù)據(jù)將不會顯示在Ubidots上）

圖8：安卓Studio Ubidots API token代碼

編譯App

為了測試和調試代碼，你可以進行如下操作：

?

編譯應用程序并下載到開發(fā)板卡中，如果你不想在更新API和變量token后修改代碼可以此方法

?

使用“開發(fā)者模式”，這種方式支持USB調試，你可以將你的手機或者平板電腦作為虛擬測試平臺，將其與你的開發(fā)PC進行連接，借助網(wǎng)絡搜索或者Android Studio的教程你可以找到如何進入“開發(fā)者模式”的說明。

如果你決定使用一個設備作為開發(fā)工具，那么只需要點擊菜單欄的“Run”按鈕，然后選擇你的設備開發(fā)編譯和運行App。一旦加載完成應用程序就會在你選擇的設備上運行起來。（注：你不可以在虛擬設備上運行這個應用，因為虛擬設備不支持藍牙）

如果你打算進行安裝調試，你需要先編譯程序，選擇“Build”然后是“Build APK（s）”，這會創(chuàng)建一個新的文件，你可將其拷貝到你選擇設備上進行安裝。

雖然如果你不打算對軟件進行更改，那么安裝應用程序是一個很好的選擇，但是我建議選擇一個設備作為測試平臺。在“USB調試模式”下你可以進行更新、重編譯、重復執(zhí)行代碼，這對于編程和調試非常有用。

進行系統(tǒng)組裝

當你完成程序的加載并且啟動后，在界面的右上方你會看到“Scan”按鈕，點擊它可以掃描查看附近范圍內所有藍牙設備，如果你對MAX32630FTHR和MAXREFDES117進行了正確的連接和編程，當設備啟動后在設備列表中你會看到一個標有HRM的設備。

準備好查看結果了嗎？

1. 確保啟動了位置訪問權限，如果你不確定此選項的位置，請參閱設備的在線幫助或者文檔

2. 選擇HRM打開一個新的窗口，你會看到一些數(shù)據(jù)：設備地址、當前狀態(tài)、數(shù)據(jù)輸出

3. 點擊右上方的“連接”按鈕允許連接到這個設備，在下拉菜單中你可以查看對應的服務列表

4. 最后選擇“心率測量”，你會看到界面上開始顯示數(shù)據(jù)（圖9）

圖9：當你選擇“心率測量”選項時，你就會看到屏幕上顯示數(shù)據(jù)

如果你更新了代碼，包括正確的API和變量token，那么你現(xiàn)在應該能夠登錄你的Ubidots賬戶查看該設備上傳的數(shù)據(jù)，點擊“設備”選項。

現(xiàn)在你可以創(chuàng)建一個控制面板，根據(jù)你的要求可以按照不同的格式來查看數(shù)據(jù)信息（圖10）。Ubidots最近推出了一個beta版本的Android App，你可以選擇在智能手機或者平板電腦上進行安裝來查看你的設備和數(shù)據(jù)（圖11）。

圖10：Ubidots安卓應用控制面板

圖11：Ubidots網(wǎng)頁控制面板總結

可穿戴設備是非常有用的工具，它可以為我們的日常生活添加很多的便利。這些設備能夠提供給用戶各種反饋數(shù)據(jù)，比如睡眠質量、最大攝氧量（VO2）、運動水平、步行和跑步節(jié)奏等數(shù)據(jù)。此外，它們還可以幫助你監(jiān)測你的健康情況，并且可以將你的信息（比如每日血壓、血糖水平）發(fā)動給醫(yī)療機構進行溝通。

設計可穿戴設備需要添加外圍設備來進行感應、顯示、存儲和檢索數(shù)據(jù)，Pegasus Rapid開發(fā)平臺集成了關鍵的外設設備，大大簡化了系統(tǒng)開發(fā)，700-MAXREFDES117#心率監(jiān)測器參考設計也可以提供直接的借鑒作用。Mbed OS、Ubidots和Android Studio軟件分別針對基于云編程、云服務和云接口等技術進行了完善。