“大健康”概念提出以后，作為醫(yī)院外補(bǔ)充醫(yī)療的可穿戴設(shè)備掀起一股發(fā)展熱潮，心率監(jiān)測儀作為一款常見的監(jiān)測設(shè)備很受歡迎。它不僅價格便宜，而且體積小攜帶方便，隨時隨地都能測試，并給用戶提供實時監(jiān)測結(jié)果，讓用戶及時了解健康狀況并采取合適的治療方式。那么對于開發(fā)者來說，如何快速開發(fā)一款心率監(jiān)測儀?今天，我們就手把手教你采用Zephy操作系統(tǒng)在Arduino 101開發(fā)板上搭建一款心率監(jiān)測儀。

先來了解一下心率檢測儀的組成部分，一般包括硬件部分和軟件部分。硬件部門主要完成的功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)顯示，軟件部分主要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析。我們采用的Arduino 101開發(fā)板上有一個英特爾居里模塊，英特爾Quark SE處理器有兩個核：一個用于控制傳感器子系統(tǒng)的ARC內(nèi)核，一個用于控制藍(lán)牙低功耗芯片的X86內(nèi)核。Zephyr操作系統(tǒng)非常適用于資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，從簡單的嵌入式環(huán)境傳感器和LED可穿戴設(shè)備，到精密的智能手表和物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)都能覆蓋。與其它實時操作系統(tǒng)相比，Zephyr操作系統(tǒng)支持豐富的I/O驅(qū)動，具有高可配置性，編譯時可進(jìn)行資源定義，這使得它非常適用于快速原型開發(fā);對于特殊應(yīng)用案例易于優(yōu)化。同時，它不僅支持板上的所有傳感器接口，還能夠通過IPM機(jī)制實現(xiàn)雙核之間以及藍(lán)牙到其它設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此在資源配置方面，Arduino 101開發(fā)板和Zephyr操作系統(tǒng)可以滿足心率監(jiān)測儀的設(shè)計需求。

我們將從以下幾點(diǎn)來展示心率監(jiān)測器的設(shè)計過程，包括：如何從脈沖傳感器讀取模擬數(shù)據(jù)并監(jiān)測心率?如何在Grove RGB LCD上現(xiàn)實心率和心跳?如何通過低功耗藍(lán)牙連接發(fā)送心率數(shù)據(jù)到智能手機(jī)?所有的源代碼主要基于Zephyr提供的樣例，通過這個設(shè)計用戶將會更加了解Zephyr操作系統(tǒng)的詳細(xì)使用方法。

硬件搭建

與其它Arduino開發(fā)板類似，必須用到USB type B連接線把應(yīng)用程序燒制到Arduino101開發(fā)板的系統(tǒng)閃存，它同時給開發(fā)板供電。FTDI USB TTL串行連接線在調(diào)試時從串行接口中抓取數(shù)據(jù)。Grove RGB LCD的工作電壓為5V，采用SCL和SDA線通過I2C總線與Arduino 101進(jìn)行通信。Arduino 101開發(fā)板在工作電壓為3.3V時，沒有內(nèi)部上拉電路，我們需要創(chuàng)建一個：

將3.3V引腳連接到兩個10K 歐姆的電阻上;

將SCL和SDA引腳連接到上拉電路上;

將SCL和SDA引腳將轉(zhuǎn)到Grove RGB LCD顯示屏的對應(yīng)引腳上;

把5V和地引腳分別從開發(fā)板上連接到顯示屏上的對應(yīng)引腳;

脈沖傳感器能夠在3.3V或5V電壓下工作，在Arduino 101開發(fā)板上我們采用3.3V。有三路線連接到傳感器，紅線連到3.3V，黑線接地，紫色線接到模擬輸入 A2，開發(fā)者能夠通過ADC-CHANNEL 在代碼種定義任何引腳，從A0到A5。注意： 手指上的汗水可能會導(dǎo)致短路，從而損壞傳感器，需采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，避免造成短路。

Arduino 101開發(fā)板采用數(shù)字引腳0和1發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)，連接下面的引腳和線：

板子上的引腳0(RX)連接到橘紅色線，USB FTDI的引腳5(TX);

板子上的引腳1(TX)連接到黃線，USB FTDI線纜的引腳4(RX);

最后把地連接到黑線，F(xiàn)TDI線纜的引腳0(GND)

圖1: 面包板搭建電路

圖1展示了一個如何使用面包板連線到設(shè)備的案例。兩個10K歐姆的電阻用于搭建上拉電路。它們一端連接到3.3V輸出，另一端連接到SCL和SDA，這將信號傳輸?shù)絃CD。脈沖傳感器與上拉電路(紅色電纜)共用3.3V線，并使用A2引腳將模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到電路板。棕色和橙色跳線的一端連接到引腳0和引腳1，另一端分別連接到USB FTDI卡的TX和RX。

圖2：Proto Shield的后側(cè)(左圖)和前側(cè)(右側(cè))

圖2展示了Arduino Proto Shield rev. 3，電路原理和面包板類似，只是被焊接板代替了。Shield為電路提供了方便的5V和GND連接。7引腳連接器的引腳0和引腳1彎折后連接到3.3V和地引腳，而其它五個引腳進(jìn)入模擬輸入端口。

圖3：硬件設(shè)置(左)和心率監(jiān)測器內(nèi)部示例(右)

圖3展示了硬件內(nèi)部植入一個案例之前和之后的設(shè)置。Proto Shield具有Arduino 101開發(fā)板完全相同的外形尺寸，因此你可以使用一些長的M3螺栓將它們固定在一起。這樣硬件就設(shè)置好了，接下來開始進(jìn)行軟件搭建。

軟件搭建

Zephyr編程環(huán)境需要設(shè)置，以用來構(gòu)建和燒錄應(yīng)用程序。Arduino 101開發(fā)板帶有一顆Nordic半導(dǎo)體的nRF51藍(lán)牙低功耗控制器。Zephyr不支持此控制器上的Arduino 101出廠安裝固件，因此需要將其新閃存按照Zephyr網(wǎng)站上的說明，將新固件燒錄到板上。步驟如下：

獲得應(yīng)用資源代碼：

$ git clone https://gerrit.zephyrproject.org/r/heartrate-monitor

構(gòu)建并燒錄ARC應(yīng)用，代碼如下：

$ cd heartrate-monitor

$ make pristine && make BOARD=arduino_101_sss_factory ARCH=arc

$ sudo -E dfu-util -a sensor_core -D output/zephyr.bin

構(gòu)建并燒錄X86應(yīng)用，代碼如下：

$ make pristine && make BOARD=arduino_101_factory ARCH=x86

$ sudo -E dfu-util -a x86_app -D output/zephyr.bin

連接智能設(shè)備

支持BLE的便攜設(shè)備可以用于連接到Arduino 101開發(fā)板。這個示例已經(jīng)被iPhone的默認(rèn)健康A(chǔ)PP和安卓設(shè)備的nRF 工具盒子測試過了。

圖4：iOS健康A(chǔ)PP(左)和nRF工具盒子APP(右)屏幕截圖

在iPhone上，按照以下流程操作：

1.打開“設(shè)置>藍(lán)牙”掃描并與Zephyr健康心率監(jiān)測器配對;

2.啟動健康A(chǔ)PP;

3. “健康數(shù)>器官>心率”;

4.將手指放在脈沖傳感器上;

5.過幾秒，心率數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在Grove LCD和健康A(chǔ)PP的屏幕上;

安卓手機(jī)上，按照以下流程操作：

1.打開nRF工具盒子;

2.轉(zhuǎn)到HRM，并啟用藍(lán)牙功能;

3.選擇連接，并將手機(jī)與Zephyr健康心率監(jiān)測器配對;

4.將手指放在脈搏傳感器上;

5.幾秒鐘后，心率數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)Grove LCD和應(yīng)用程序屏幕。

圖5：數(shù)據(jù)流傳輸

圖5描述了實例中的數(shù)據(jù)流。應(yīng)用程序在ARC處理器上運(yùn)行，通過ADC接口從脈沖傳感器采集數(shù)據(jù)。它分析數(shù)據(jù)并判斷這個數(shù)據(jù)是否代表心率。當(dāng)ARC APP監(jiān)測到心跳時，它會在Grove LCD上顯示心率，并且刷新LCD顯示的節(jié)拍。同時，應(yīng)用程序APP會通過IPM將心率數(shù)據(jù)發(fā)送到X86端。然后，X86應(yīng)用程序接收心率數(shù)據(jù)并且通過IPC控制nRF51藍(lán)牙芯片，使用BLE心率描述規(guī)范給已連接的設(shè)備通知更新數(shù)值。

怎么樣?看完以上的幾個步驟，作為開發(fā)者你還覺得設(shè)計心率監(jiān)測器很難嗎?有Zephyr操作系統(tǒng)和Arduino 101開發(fā)板就夠了，同時Zephyr還提供很多傳感器APP示例程序，Arduino 101開發(fā)板資源配置豐富，而且簡單易用。你的心率監(jiān)測器設(shè)計之路從這里開始吧!

關(guān)于Zephyr項目

Zephyr 項目是一款小型且可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)，尤其適用于資源受限的系統(tǒng)，可支持多種架構(gòu);該系統(tǒng)高度開源，對于開發(fā)人員社區(qū)完全開放，開發(fā)人員可根據(jù)需要對該系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，以支持最新硬件、工具和設(shè)備驅(qū)動程序;該系統(tǒng)高度模塊化平臺，可輕松集成任何架構(gòu)的第三方庫和嵌入式設(shè)備。

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網(wǎng)址: 手把手教你開發(fā)一款基于Zephyr操作系統(tǒng)的心率監(jiān)測器 http://www.u1s5d6.cn/newsview1248849.html