基于嵌入式的智能手表設(shè)計

時間：2021-09-30 13:40:45

關(guān)鍵字：可穿戴嵌入式計步器藍(lán)牙通信手勢識別

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[導(dǎo)讀]摘要：本課題結(jié)合市場的實際需求，論述了一種基于STM32的智能手表系統(tǒng)的設(shè)計方案。本設(shè)計基于STM32硬件開發(fā)平臺，通過移植 C/OS-III實時操作系統(tǒng)以及emWin圖形軟件庫設(shè)計了手表的GUI界面。整個系統(tǒng)采用MPU6050模塊實現(xiàn)計步器功能，采用藍(lán)牙模塊進(jìn)行手表與安卓手機(jī)的雙向通訊，以實現(xiàn)來電短信提示、防丟功能以及短信報警定位功能。此外，該手表可以手勢識別，當(dāng)手臂抬起時屏幕自動變亮，放下時則自動變暗，設(shè)計十分人性化。

引言

隨著移動設(shè)備技術(shù)的日益發(fā)展，可穿戴設(shè)備愈加受到重視?？纱┐髟O(shè)備具有各種類的產(chǎn)品形態(tài)，可佩戴于人體的多個部位，比如服飾、手表、眼鏡、手環(huán)、飾品等。而可穿戴電子外套也正在研發(fā)，隨著日后研發(fā)的深入，嵌入到人體皮膚內(nèi)的電子文身、佩戴的眼鏡都有機(jī)會用到可穿戴技術(shù)。得益于各種新技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備將愈發(fā)不被人感知，將以更加自然的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，為用戶更好的提供服務(wù)。

智能手表是可穿戴設(shè)備最重要的發(fā)展方向之一，它是一種內(nèi)置操作系統(tǒng)，具有手機(jī)來電、短信提醒、釋放音樂等功能，并且可以配備各種傳感器的手表形態(tài)的智能穿戴設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)包含硬件工作系統(tǒng)與軟件功能系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)包含MCU(STM32) 主控模塊、電源供電充電模塊、藍(lán)牙模塊、陀螺儀MPU6050 模塊等。軟件系統(tǒng)則包含下位機(jī)嵌入式軟件程序與上位機(jī)( 安卓App) 軟件程序。圖1 所示為系統(tǒng)組成框圖。

基于嵌入式的智能手表設(shè)計

2 功能實現(xiàn)

本次設(shè)計的智能手表主要實現(xiàn)以下幾個功能：

(1) 時間功能。具有 RTC實時時鐘功能，可以通過手表看時間。

(2) 手勢識別。加入手勢識別功能，當(dāng)人的手臂抬起時屏幕會自動變亮，而放下時則自動熄滅。

(3) 計步器。通過陀螺儀MPU6050與濾波、計步算法得出較為準(zhǔn)確的步數(shù)，同時算出距離與消耗的卡路里。

(4) 藍(lán)牙通信。手表與安卓手機(jī)通過藍(lán)牙進(jìn)行雙向通信。在安卓手機(jī)上編寫App應(yīng)用軟件，該 App軟件里包含 3個小功能單元，可以分別實現(xiàn)來電短信提醒的手機(jī)助手功能、防丟功能以及在發(fā)生危險情況時可通過按下手表按鍵的方式向指定的手機(jī)號發(fā)送實時更新的定位信息功能。

3 硬件設(shè)計

硬件框圖如圖 2 所示。硬件組成框圖主要介紹了智能手表的硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成，包括基于 Cortex_M3 架構(gòu)的意法半導(dǎo)體的 CPU 芯片 STM32F103ZET6 的 STM32 最小系統(tǒng)、電源模塊、3.2 寸液晶觸摸屏、陀螺儀以及藍(lán)牙模塊。

基于嵌入式的智能手表設(shè)計

4 嵌入式軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包含了 C/OS-III 實時操作系統(tǒng)的移植、應(yīng)用程序的界面設(shè)計、STM32 嵌入式軟件設(shè)計以及安卓 App 的相關(guān)設(shè)計等內(nèi)容。其中還有系統(tǒng)運(yùn)行流程、計步器算法、與手機(jī)藍(lán)牙通信以及手勢識別等部分。嵌入式軟件框圖如圖 3 所示。

基于嵌入式的智能手表設(shè)計

5 安卓 App設(shè)計

App 界面運(yùn)用WindowsPhone 的經(jīng)典風(fēng)格，整體以方塊形式出現(xiàn)，界面簡潔清爽，內(nèi)含必要的提示信息。App 主要實現(xiàn)手機(jī)助手、防丟功能以及安全衛(wèi)士三種功能。

5.1 藍(lán)牙通信

利用藍(lán)牙技術(shù)能夠有效簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信。從智能手表與手機(jī)終端通信的短距離和簡易性考慮，我們選擇藍(lán)牙通信方式。主要處理以下內(nèi)容：

(1) 藍(lán)牙連接線程。

(2) 藍(lán)牙連接與斷開廣播，在重寫的方法里做特定處理。

(3) 呼吸監(jiān)測代碼，由于手表端較難檢測藍(lán)牙是否斷開，所以我們采用一種特殊的方式，一旦藍(lán)牙連接上，便向下位機(jī)以一定頻率發(fā)送特定字符，當(dāng)下位機(jī)收到字符信息時代表藍(lán)牙連接，一旦無法接收到字符則代表藍(lán)牙斷開。

5.2 GPS定位

現(xiàn)在的安卓智能手機(jī)大多帶有GPS 模塊，通過 GPS 我們可以獲取當(dāng)前位置。這個功能主要用于發(fā)生危情時能將帶有當(dāng)前位置與地圖的信息發(fā)出，對于得到及時援救有重要作用。主要處理以下內(nèi)容：

(1) 實例化 LocationManager打開 GPS。

(2) 獲得最佳搜索條件。

(3) 獲取最后獲得的位置。

(4) 請求實時更新 Location數(shù)據(jù)。

5.3 短信和來電提示

采用廣播方式檢測新的短信和來電，采用監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫的方法來判斷短信和來電是否已讀。主要步驟如下：

（1）注冊接收到新短信和未接來電的廣播，在重寫方法中發(fā)送特定字符給下位機(jī)。

（2）廣播判斷是否有短信。

（3）監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫判斷是否有未接來電。

（4）發(fā)送短信的方法。

6 性能測試

6.1 與手機(jī)通信功能測試

與手機(jī)進(jìn)行通信時需測試如下幾項：

（1）手表與手機(jī)通信響應(yīng)時間小于 0.1 s。

（2）藍(lán)牙斷開后自動連接所需時間小于 0.5 s。

（3）手表觸發(fā)后，手機(jī)以 30 s 間隔實時更新地圖位置并將其以短信形式發(fā)出。

6.2 計步器和手勢識別測試

計步器和手勢識別需測試如下幾項：

（1）如果以標(biāo)準(zhǔn)的步伐動作和手臂擺動動作計步，計步誤差在 5% 以內(nèi)。

（2）手勢識別控制手表屏幕顯示反應(yīng)時間小于 0.5 s。

6.3 其它功能測試

其他測試包含如下兩項：

（1）手表顯示時間功能誤差幾乎為 0。

（2）手表溫度顯示誤差在 2 攝氏度以內(nèi)。

7 結(jié) 語

本文從市場需求出發(fā)，設(shè)計融合了嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、Android 應(yīng)用技術(shù)以及硬件設(shè)計技術(shù)，介紹了一種基于嵌入式的智能手表的設(shè)計方法。實際性能測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠、功能強(qiáng)大，基本可以滿足設(shè)計要求。