So easy！Zephyr操作系统+Arduino开发板变成一款心率监测器

“大健康”概念提出以后，作为医院外补充医疗的可穿戴设备掀起一股发展热潮，心率监测仪作为一款常见的监测设备很受欢迎。它不仅价格便宜，而且体积小携带方便，随时随地都能测试，并给用户提供实时监测结果，让用户及时了解健康状况并采取合适的治疗方式。那么对于开发者来说，如何快速开发一款心率监测仪？今天，我们就手把手教你采用Zephy操作系统在Arduino 101开发板上搭建一款心率监测仪。

先来了解一下心率检测仪的组成部分，一般包括硬件部分和软件部分。硬件部门主要完成的功能包括数据采集、数据传输和数据显示，软件部分主要进行数据转换和分析。我们采用的Arduino 101开发板上有一个英特尔居里模块，英特尔Quark SE处理器有两个核：一个用于控制传感器子系统的ARC内核，一个用于控制蓝牙低功耗芯片的X86内核。Zephyr操作系统非常适用于资源受限的物联网设备，从简单的嵌入式环境传感器和LED可穿戴设备，到精密的智能手表和物联网无线网关都能覆盖。与其它实时操作系统相比，Zephyr操作系统支持丰富的I/O驱动，具有高可配置性，编译时可进行资源定义，这使得它非常适用于快速原型开发；对于特殊应用案例易于优化。同时，它不仅支持板上的所有传感器接口，还能够通过IPM机制实现双核之间以及蓝牙到其它设备之间进行数据交换。因此在资源配置方面，Arduino 101开发板和Zephyr操作系统可以满足心率监测仪的设计需求。

我们将从以下几点来展示心率监测器的设计过程，包括：如何从脉冲传感器读取模拟数据并监测心率？如何在Grove RGB LCD上现实心率和心跳？如何通过低功耗蓝牙连接发送心率数据到智能手机？所有的源代码主要基于Zephyr提供的样例，通过这个设计用户将会更加了解Zephyr操作系统的详细使用方法。

硬件搭建
与其它Arduino开发板类似，必须用到USB type B连接线把应用程序烧制到Arduino101开发板的系统闪存，它同时给开发板供电。FTDI USB TTL串行连接线在调试时从串行接口中抓取数据。Grove RGB LCD的工作电压为5V，采用SCL和SDA线通过I2C总线与Arduino 101进行通信。Arduino 101开发板在工作电压为3.3V时，没有内部上拉电路，我们需要创建一个：

    将3.3V引脚连接到两个10K 欧姆的电阻上；
    将SCL和SDA引脚连接到上拉电路上；
    将SCL和SDA引脚将转到Grove RGB LCD显示屏的对应引脚上；
    把5V和地引脚分别从开发板上连接到显示屏上的对应引脚；

脉冲传感器能够在3.3V或5V电压下工作，在Arduino 101开发板上我们采用3.3V。有三路线连接到传感器，红线连到3.3V，黑线接地，紫色线接到模拟输入 A2，开发者能够通过ADC-CHANNEL 在代码种定义任何引脚，从A0到A5。注意： 手指上的汗水可能会导致短路，从而损坏传感器，需采取适当的预防措施，避免造成短路。
 

Arduino 101开发板采用数字引脚0和1发送和接收串行数据，连接下面的引脚和线：
    板子上的引脚0（RX）连接到橘红色线，USB FTDI的引脚5（TX）；
    板子上的引脚1（TX）连接到黄线，USB FTDI线缆的引脚4（RX）；
    最后把地连接到黑线，FTDI线缆的引脚0（GND）

 

图1: 面包板搭建电路

图1展示了一个如何使用面包板连线到设备的案例。两个10K欧姆的电阻用于搭建上拉电路。它们一端连接到3.3V输出，另一端连接到SCL和SDA，这将信号传输到LCD。脉冲传感器与上拉电路（红色电缆）共用3.3V线，并使用A2引脚将模拟数据发送到电路板。棕色和橙色跳线的一端连接到引脚0和引脚1，另一端分别连接到USB FTDI卡的TX和RX。
 

图2：Proto Shield的后侧（左图）和前侧（右侧）

图2展示了Arduino Proto Shield rev. 3，电路原理和面包板类似，只是被焊接板代替了。Shield为电路提供了方便的5V和GND连接。7引脚连接器的引脚0和引脚1弯折后连接到3.3V和地引脚，而其它五个引脚进入模拟输入端口。

 

图3：硬件设置（左）和心率监测器内部示例（右）

图3展示了硬件内部植入一个案例之前和之后的设置。Proto Shield具有Arduino 101开发板完全相同的外形尺寸，因此你可以使用一些长的M3螺栓将它们固定在一起。这样硬件就设置好了，接下来开始进行软件搭建。

软件搭建
Zephyr编程环境需要设置，以用来构建和烧录应用程序。Arduino 101开发板带有一颗Nordic半导体的nRF51蓝牙低功耗控制器。Zephyr不支持此控制器上的Arduino 101出厂安装固件，因此需要将其新闪存按照Zephyr网站上的说明，将新固件烧录到板上。步骤如下：

获得应用资源代码：
$ git clone https://gerrit.zephyrproject.org/r/heartrate-monitor

构建并烧录ARC应用，代码如下：
    $ cd heartrate-monitor
    $ make pristine && make BOARD=arduino_101_sss_factory ARCH=arc
$ sudo -E dfu-util -a sensor_core -D output/zephyr.bin

构建并烧录X86应用，代码如下：
$ make pristine && make BOARD=arduino_101_factory ARCH=x86
$ sudo -E dfu-util -a x86_app -D output/zephyr.bin

连接智能设备
支持BLE的便携设备可以用于连接到Arduino 101开发板。这个示例已经被iPhone的默认健康APP和安卓设备的nRF 工具盒子测试过了。

   

图4：iOS健康APP（左）和nRF工具盒子APP（右）屏幕截图

在iPhone上，按照以下流程操作：
1.打开“设置>蓝牙”扫描并与Zephyr健康心率监测器配对；
2.启动健康APP；
3. “健康数>器官>心率”；
4.将手指放在脉冲传感器上；
5.过几秒，心率数据会出现在Grove LCD和健康APP的屏幕上；

安卓手机上，按照以下流程操作：
1.打开nRF工具盒子；
2.转到HRM，并启用蓝牙功能；
3.选择连接，并将手机与Zephyr健康心率监测器配对；
4.将手指放在脉搏传感器上；
5.几秒钟后，心率数据就会出现Grove LCD和应用程序屏幕。

 

图5：数据流传输

图5描述了实例中的数据流。应用程序在ARC处理器上运行，通过ADC接口从脉冲传感器采集数据。它分析数据并判断这个数据是否代表心率。当ARC APP监测到心跳时，它会在Grove LCD上显示心率，并且刷新LCD显示的节拍。同时，应用程序APP会通过IPM将心率数据发送到X86端。然后，X86应用程序接收心率数据并且通过IPC控制nRF51蓝牙芯片，使用BLE心率描述规范给已连接的设备通知更新数值。

怎么样？看完以上的几个步骤，作为开发者你还觉得设计心率监测器很难吗？有Zephyr操作系统和Arduino 101开发板就够了，同时Zephyr还提供很多传感器APP示例程序，Arduino 101开发板资源配置丰富，而且简单易用。你的心率监测器设计之路从这里开始吧！