一、项目介绍和创意介绍

  我参加的是方向二：可穿戴设备的生命体征实时采集方向。本项目名为"基于 XIAO nRF52840 Sense的智能健康穿戴手表"，是一款集心率血氧监测、计步追踪、姿态识别与蓝牙无线传输于一体的可穿戴健康管理设备。

本项目的核心设计理念是"低功耗、高交互、专业化"：通过有限状态机（FSM）管理三个页面（主页、心率血氧页、息屏页），结合LSM6DS3六轴传感器的姿态识别能力，实现了抬腕亮屏、放平息屏、久坐提醒等自然交互体验；同时利用MAX30102光学传感器的反射式血氧检测原理，配合滑动平均滤波算法和经验校准策略，让一枚小小的开发板具备了心率血氧仪的测量能力。此外，通过 BLE 蓝牙协议栈，手表可以将心率、血氧、步数和当前时间等数据与手机App 进行双向通信，真正实现"测量→传输→记录"的完整数据闭环。

二、使用的硬件介绍

  1. Seeed Studio XIAO nRF52840 Sense（来自贸泽电子平台）：搭载 Nordic nRF52840 芯片，ARM Cortex-M4 内核，内建 BLE 5.0蓝牙协议栈。板载 LSM6DS3 六轴IMU传感器和PDM数字麦克风。尺寸仅 21×17.5mm，极为适合可穿戴场景。

  2. MAX30102/MAX30105 心率血氧传感器模块：集成红外LED（880nm）和红光LED（660nm），利用光电容积描记法（PPG）原理，通过检测皮肤下血管随心跳的透光率变化来计算心率与血氧饱和度。

  3. ST7789 240×135 TFT LCD 屏幕：1.14英寸彩色IPS显示屏，SPI通信接口，色彩细腻，作为手表的交互界面。

  4. 无源蜂鸣器：用于按键反馈、久坐报警等声音提示。

  5. 轻触按键：连接至 XIAO 的 D6 引脚，配合内部下拉电阻，用于页面切换操作。

三、方案框图和项目设计思路

  系统架构框图：

  设计思路：

  项目采用"有限状态机 (FSM) + 硬件中断 + 定时轮询"的混合架构。系统被划分为三个页面状态（主页 PAGE_HOME、心率页PAGE_HR、息屏页 PAGE_SLEEP），每个页面拥有独立的 run 函数。按键切换通过硬件中断实现，可以在任何时立即响应，解决了传统轮询式按键检测在阻塞算法中失灵的问题。

  IMU 数据采集在主循环的每个周期都会执行，保证了姿态识别的实时性。心率血氧算法则只在心率页被激活时运行为了休眠省电，采用滑动窗口更新来提高心率准确性。BLE蓝牙广播和通知在主循环中以非阻塞方式执行，不影响传感器读取和 UI 刷新。

四、原理图和PCB介绍

为了方便演示，我画了一个简单的PCB。按键和蜂鸣器各使用一个gpio控制，OLED连接spi外设控制，血氧传感器使用一路iic通讯。

原理图如下：

PCB连接图：

五、软件流程图和关键代码介绍

  软件流程图：

关键代码介绍：

（1）    buttonISR()

中断服务函数在按键上升沿时被硬件瞬间调用，内部只做最少量的工作（修改页面状态、设置标志位），200ms的去抖动逻辑确保不会因按键抖动而误触发。

 void buttonISR() {

  unsigned long interruptTime = millis();

  if (interruptTime - lastInterruptTime > 200) {

    lastPage = currentPage;

    currentPage++;

    if (currentPage > 2) currentPage = 0;


    needRedraw = true;

    buttonPressed = true;


    lastManualActionTime = interruptTime;

    lastInterruptTime = interruptTime;

  }

}

（2）    IMU 姿态识别算法：

通过反复测试，确定当屏幕竖起面向面部时，地球重力加速度使Y轴接近 -1.0G，因此使用 y < -0.6 && abs(x) < 0.5 && z> -0.2 && z < 0.6 的组合条件来精准识别抬腕动作。放平息屏则通过 Z 轴接近 1.0G（屏幕平放）来判断。

  float x = imu.readFloatAccelX();

  float y = imu.readFloatAccelY();

  float z = imu.readFloatAccelZ();

  if (currentPage == PAGE_SLEEP) {

    if (y < -0.6 && abs(x) < 0.5 && z > -0.2 && z < 0.6) {

      lastPage = currentPage;

      currentPage = PAGE_HOME;

      needRedraw = true;

    }

  }

  if (currentPage == PAGE_HOME) {

    if (millis() - lastManualActionTime > 2000) {

      if (z > 0.8 && abs(x) < 0.3 && abs(y) < 0.3) {

        lastPage = currentPage;

        currentPage = PAGE_SLEEP;

        needRedraw = true;

      }

    }

  }

（3）    心率血氧滑动窗口处理

使用100点循环缓冲区，首次进入时预填充全部数据，后续每次仅增量采样 25个新点，将旧数据前移。maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation() 算法负责从红外/红光两路 PPG信号中提取心率和血氧值。

  for (byte i = 25; i < 100; i++) {
    redBuffer[i - 25] = redBuffer[i];
    irBuffer[i - 25] = irBuffer[i];
  }
  for (byte i = 75; i < 100; i++) {
    while (particleSensor.available() == false) {
      particleSensor.check();
      if(currentPage != PAGE_HR) return; 
    }
    redBuffer[i] = particleSensor.getRed();
    irBuffer[i] = particleSensor.getIR();
    particleSensor.nextSample();
  }
  
  if (currentPage != PAGE_HR) return; 


  maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, bufferLength, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate);

（4）UI 局部刷新机制： 为避免全屏重绘导致的闪屏问题，采用"静态框架一次绘制 + 动态数据局部覆盖"的策略。时间、步数、心率 、血氧数值各自维护上一次显示值的缓存，仅在数据变化时才用背景色矩形覆盖旧值后写入新值：

void updateStatus(const char* msg) {

  tft.setTextSize(1);

  tft.setTextColor(0x07E0, COLOR_CARD);

  char buf[20];

  sprintf(buf, "%-15s", msg);

  tft.setCursor(140, 6);

  tft.print(buf);

}

 

void updateData(int hr, int ox) {

  tft.setTextSize(4);

  char buf[10];

  tft.setTextColor(COLOR_HR, COLOR_CARD);

  tft.setCursor(20, 80);

  if(hr == 0) tft.print("--  ");

  else { sprintf(buf, "%-3d ", hr); tft.print(buf); }

 
  tft.setTextColor(COLOR_SPO2, COLOR_CARD);

  tft.setCursor(140, 80);

  if(ox == 0) tft.print("--  ");

  else { sprintf(buf, "%-3d ", ox); tft.print(buf); }

}

六、功能展示图及说明

 未上电硬件图：

主页展示：

心率血氧测量：

放平自动息屏：

久坐提醒：

可通过BLE 连接手机查看数据、修改时间：

七、设计中遇到的难题和解决方法

  1.最初使用轮询式 checkButton() 函数，但在 100 次循环预填充传感器数据时，CPU被完全占用，按键检测被"饿死"。后来改用硬件中，按键信号可以在任何时刻强行打断CPU正在执行的任务，将页面切换逻辑放在 ISR 中直接完成才彻底解决问题。

  2.MAX30102 在某些情况下会因重搏波（dicrotic notch）将一次心跳误判为两次，导致读数为实际值的两倍。我通过多次测试，得出经验：当原始值超过 95 BPM 时，乘以 0.7 进行修正。同时引入 5点滑动平均滤波，消除短暂的信号干扰。

八、对本次竞赛的心得体会

  参加2026 M-Design设计竞赛，我第一次体验到了Seeed Studio XIAO nRF52840 Sense这款开发板，对比我之前使用的开发板，它小到极致，但是麻雀虽小五脏俱全，其他开发板该有的功能spi，iic，uart等功能他都具有，让我惊讶的是他板载了一个麦克风和imu，加上蓝牙功能，他的性能十分强大，让我收获远超预期。同时我也第一次接触使用Arduino进行开发，从最初"点亮屏幕、读取传感器数据"的基础目标，到最终实现抬腕亮屏、放平息屏、久坐提醒、BLE 蓝牙同步等交互功能，让我收获许多。