使用嵌入式知识打造智能手环：nRF52蓝牙开发实战（C++/BLE/传感器）

news2024/9/22 1:22:26

项目概述

现代人越来越注重健康管理，智能穿戴设备应运而生。本项目旨在利用低功耗蓝牙芯片nRF52832，结合加速度计、心率传感器、陀螺仪等传感器，开发一款功能完善、性能稳定的智能运动手环。该手环能够实时采集用户的运动数据和生理指标，并通过蓝牙将数据传输至手机APP，方便用户查看和分析，从而更好地进行运动管理和健康监测。

系统设计

1. 硬件设计

硬件架构:

主要硬件:

微控制器: Nordic nRF52832，ARM Cortex-M4内核，低功耗蓝牙5.0支持，提供丰富的外设接口。
传感器:
- 加速度传感器 LIS3DH: 高精度三轴加速度传感器，测量运动加速度，用于计步、运动状态识别、姿态检测等。
- 心率传感器 MAX30102: 集成心率和血氧传感器，利用光电容积脉搏波描记法(PPG)测量心率，用于运动强度评估、睡眠监测等。
- 陀螺仪 MPU6050: 三轴陀螺仪和三轴加速度计集成芯片，测量角速度和加速度，用于姿态识别、运动轨迹记录、防抖动等。
蓝牙模块: nRF52832内置蓝牙5.0模块，支持BLE协议，用于与手机APP进行低功耗数据传输和指令交互。
其他: 0.96寸OLED显示屏用于显示时间、步数、心率等信息，震动马达用于消息提醒，锂电池供电。

2. 软件设计

软件架构:

主要模块:

传感器数据采集模块:
- 配置并初始化LIS3DH、MAX30102、MPU6050等传感器。
- 周期性读取传感器数据，并进行初步的滤波处理。
蓝牙通信模块:
- 基于BLE协议，实现与手机APP的数据传输和指令交互。
- 定义数据格式，例如使用JSON格式封装传感器数据。
- 处理蓝牙连接、断开等事件。
数据处理模块:
- 对传感器数据进行预处理，包括滤波、去噪、校准等。
- 根据需要进行数据融合，例如结合加速度和陀螺仪数据进行姿态解算。
- 提取特征值，为后续的算法分析提供数据基础。
算法库:
- 集成运动状态识别算法，例如支持步行、跑步、静止等状态的识别。
- 睡眠质量评估算法，根据心率、运动数据等指标评估睡眠质量。
- 心率分析算法，分析心率变异性(HRV)，评估心脏健康状况。
数据显示模块:
- 将时间、步数、心率、运动状态等信息显示在OLED屏幕上。
- 设计友好的用户界面，方便用户查看数据。
数据存储模块:
- 将传感器数据和分析结果存储到Flash中，方便用户查看历史数据。
- 可选择不同的数据存储策略，例如循环存储、事件触发存储等。

代码实现

1. 传感器数据采集

#include "nrf_drv_twi.h" // TWI驱动
#include "lis3dh.h"     // LIS3DH驱动
#include "max30102.h"    // MAX30102驱动
#include "mpu6050.h"     // MPU6050驱动

// ... 定义传感器数据结构 ...

// 初始化LIS3DH加速度传感器
void init_lis3dh(nrf_drv_twi_t twi_instance) {
  ret_code_t err_code;
  lis3dh_config_t lis3dh_config;

  // 设置LIS3DH配置参数
  lis3dh_config.output_data_rate = LIS3DH_ODR_100HZ; // 数据输出频率100Hz
  lis3dh_config.full_scale = LIS3DH_FULL_SCALE_2G;   // 量程 ±2g
  // ... 其他配置 ...

  err_code = lis3dh_init(&twi_instance, &lis3dh_config);
  APP_ERROR_CHECK(err_code);
}

// 读取LIS3DH加速度数据
void read_lis3dh(int16_t* acc_x, int16_t* acc_y, int16_t* acc_z) {
  lis3dh_acceleration_t acc_data;
  ret_code_t err_code = lis3dh_acceleration_read(&acc_data);
  APP_ERROR_CHECK(err_code);

  *acc_x = acc_data.x;
  *acc_y = acc_data.y;
  *acc_z = acc_data.z;
}

// 初始化MAX30102心率传感器
void init_max30102(void) {
  // ... 配置MAX30102，设置LED电流、采样率等参数 ...
}

// 读取MAX30102心率数据
uint8_t read_max30102(uint32_t* red_led, uint32_t* ir_led) {
  // ... 读取红光和红外光通道数据 ...
  return heart_rate; // 返回计算得到的心率值
}

// 初始化MPU6050陀螺仪
void init_mpu6050(nrf_drv_twi_t twi_instance) {
  // ... 配置MPU6050，设置量程、滤波参数等 ...
}

// 读取MPU6050陀螺仪数据
void read_mpu6050(int16_t* gyro_x, int16_t* gyro_y, int16_t* gyro_z) {
  mpu6050_gyro_t gyro_data;
  ret_code_t err_code = mpu6050_gyro_read(&gyro_data);
  APP_ERROR_CHECK(err_code);

  *gyro_x = gyro_data.x;
  *gyro_y = gyro_data.y;
  *gyro_z = gyro_data.z;
}

// 传感器数据采集任务
void sensor_task(void * p_context) {
  static nrf_drv_twi_t twi_instance = NRF_DRV_TWI_INSTANCE(0); // 使用TWI0
  int16_t acc_x, acc_y, acc_z;
  int16_t gyro_x, gyro_y, gyro_z;
  uint32_t red_led, ir_led;
  uint8_t heart_rate;

  // 初始化传感器
  init_lis3dh(twi_instance);
  init_max30102();
  init_mpu6050(twi_instance);

  while (true) {
    // 读取传感器数据
    read_lis3dh(&acc_x, &acc_y, &acc_z);
    read_mpu6050(&gyro_x, &gyro_y, &gyro_z);
    heart_rate = read_max30102(&red_led, &ir_led);

    // ... 对传感器数据进行初步处理，例如滤波 ...

    // ... 将传感器数据打包，准备发送到手机APP ...

    // ... 发送传感器数据到手机APP ...

    nrf_delay_ms(10); // 采样周期，根据需要调整
  }
}

2. 蓝牙通信

#include "ble_advertising.h"
#include "ble_conn_params.h"
#include "ble_nus.h"

// ... 定义BLE服务和特征值UUID ...

BLE_NUS_DEF(m_nus, NRF_SDH_BLE_TOTAL_LINK_COUNT); // 定义Nordic UART服务

// ... 定义BLE事件处理函数 ...

// 初始化蓝牙
void init_ble(void) {
  ret_code_t err_code;

  // 初始化BLE协议栈
  // ...

  // 添加Nordic UART服务
  ble_nus_init_t nus_init = {0};
  nus_init.data_handler = nus_data_handler; // 设置数据处理函数
  err_code = ble_nus_init(&m_nus, &nus_init);
  APP_ERROR_CHECK(err_code);

  // 设置蓝牙设备名称
  // ...

  // 设置连接参数
  // ...

  // 开始广播
  advertising_start();
}

// BLE数据处理函数
void nus_data_handler(ble_nus_evt_t * p_evt) {
  if (p_evt->type == BLE_NUS_EVT_RX_DATA) {
    // 接收到手机APP数据
    uint8_t *data = p_evt->params.rx_data.p_data;
    uint16_t length = p_evt->params.rx_data.length;

    // ... 处理接收到的数据 ...
  }
}

// 发送数据到手机APP
void send_data(uint8_t *data, uint16_t length) {
  ret_code_t err_code = ble_nus_data_send(&m_nus, data, &length, m_conn_handle);
  APP_ERROR_CHECK(err_code);
}

3. 数据处理

// 数据预处理，例如使用滑动平均滤波
void filter_data(int16_t* data, uint16_t length) {
  const uint8_t FILTER_WINDOW_SIZE = 5;
  int32_t sum = 0;
  for (uint16_t i = 0; i < length; i++) {
    sum += data[i];
    if (i >= FILTER_WINDOW_SIZE) {
      sum -= data[i - FILTER_WINDOW_SIZE];
    }
    data[i] = sum / min(i + 1, FILTER_WINDOW_SIZE);
  }
}

// ... 其他数据处理函数，例如计步算法、运动状态识别算法等 ...