无线 ECG 心率监测腕表：Arduino Nano + nRF24L01 + uECG 可穿戴方案

核心硬件

为何选择 uECG + 无线腕显？

传统胸带心率带需有线连接显示单元，跑步时线缆摆动干扰 ECG 信号，且胸前显示不在视野内。本方案：

• uECG 胸部贴片完成高精度 ECG 采集 (250Hz/12-bit) 与板载 BPM 运算
• 切换至 Raw Data Mode (长按按键) 后，通过 nRF24 兼容协议实时发射数据包
• 腕端 Nano + nRF24 接收，驱动 LED 环直观显示心率区间
• 完全无线，跑步/骑行无束缚，心率数据实时可见

硬件接线 (极简 12 线)

nRF24 → Arduino Nano:
GND  → GND
VCC  → 3.3V (严禁 5V!)
CE   → D9
CSN  → D8
SCK  → D13 (硬件 SPI)
MOSI → D11
MISO → D12

WS2812B LED Ring:
VDD  → 5V (Nano USB 供电或电池直供)
GND  → GND
DI   → D5

Battery:
+ → 5V (或 RAW 引脚经板载稳压)
- → GND

关键点： SPI 引脚 (D11/D12/D13) 固定不可改，其他引脚可在代码中修改定义。

固件核心逻辑

射频配置 (与 uECG 硬编码匹配)

• 管道地址：{0x0E,0xE6,0x0D,0xA7,0,0,0,0} —— **位反序** 后写入寄存器
• 信道：22 (2.422 GHz)
• 速率：1 Mbps
• 地址宽度：4 字节
• CRC：关闭 (uECG 兼容性要求)
• 自动应答/动态载荷：关闭
• 载荷长度：32 字节

数据包解析与滤波

• BPM 位于数据包第 5 字节 (索引 5，0-based)
• 无 CRC 保护，信道噪声会导致误包 → **5 次连续一致性投票滤波**
• uECG 发包率 ~100Hz，5 包仅 50ms 延迟，体感实时

心率可视化映射算法

// BPM → 颜色渐变 (蓝→绿→黄→粉→红)
t1=90, dd=25; // 基准 90bpm，每 25bpm 变一个色相
if(bpm < t1)       {R=0; G=0; B=max;}
else if(bpm < t1+dd) {R=0; G=max*(bpm-t1)/dd; B=max-G;}
else if(bpm < t1+2dd){R=max*(bpm-t1-dd)/dd; G=max-R; B=R/4;}
else if(bpm < t1+3dd){R=max; G=0; B=max/2 - max*(bpm-t1-2dd)/(2*dd);}
else               {R=max; G=0; B=0;}

// 点亮 LED 数 = (bpm - 80) / 8  (80bpm 以下全灭，突出高强度区间)
on_pixels = max(0, (bpm-80)/8);

实测体验与发现

• 作者实测跑步几分钟心率即达 192bpm (全亮红色)，远超同年龄理论最大值 (220-age)
• 停止运动后心率缓慢下降，非瞬间回落 → 传感器可靠，非运动伪迹
• 引发思考：长期高强度训练是否提升了最大心率耐受？或存在隐性心脏风险？
• 副产品发现：uECG 作为 EMG (肌电) 传感器控制机械手表现优异

腕带组装工艺

1. 热熔胶固定 Nano (外径贴合 LED 环内环)、nRF24 (塞入 LED 环中心)、电池 (夹层)
2. 缝制至废弃防静电腕带 (或运动腕带)，佩戴舒适牢固
3. 所有焊点涂覆热缩管/绝缘漆防汗腐蚀

代码与原理图

完整固件 bpm_watch.ino 已内嵌，含 Adafruit_NeoPixel、RF24 库依赖。Fritzing 原理图文件 nrf24_led_ring.fzz 可下载。

复现关键提示

1. uECG 必须长按进入 Raw Data Mode (默认 BLE 模式 nRF24 不可收)
2. 管道地址位反序函数 swapbits() 必须正确，否则永远收不到包
3. nRF24 供电加 10μF 陶瓷电容贴片在模块焊盘上
4. LED 环供电建议直连电池 (经 Schottky 二极管防反接)，避免 Nano 稳压器过流