基于嵌入式系統(tǒng)智能手環(huán)的設(shè)計(jì)開發(fā)

1.設(shè)計(jì)目的

隨著科技的進(jìn)步，智能化成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，同時也越來越貼近人們的生活。人們對于健康生活方式的需求催生出了智能可穿戴設(shè)備，智能手環(huán)就屬于其中的一種代表性產(chǎn)物。其主要應(yīng)用于監(jiān)測運(yùn)動，監(jiān)測睡眠以及智能化的安排人的生活作息方式等。是一款突出個性與人性的智能化產(chǎn)物。本文講述一套初步的智能手環(huán)解決方案，對于智能手環(huán)的設(shè)計(jì)以及制造有可行性方案指導(dǎo)作用。

2.用戶需求

智能手環(huán)是一種穿戴式智能設(shè)備。通過這款手環(huán)，用戶可以記錄日常生活中的鍛煉、睡眠、部分還有飲食等實(shí)時數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與手機(jī)、平板、ipod touch同步，起到通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活的作用。

圖一 智能手環(huán)樣圖

表一 熱門智能手環(huán)對比

智能手環(huán)內(nèi)置低功耗藍(lán)牙4.0模塊，可以與手機(jī)、平板、PC客戶端進(jìn)行連接，可以隨時隨地設(shè)置身高、體重、步幅等信息和上傳運(yùn)動數(shù)據(jù)。另外，智能手環(huán)還具備社交網(wǎng)絡(luò)分享功能，比如用戶可以將睡眠質(zhì)量、飲食情況和鍛煉情況以及心情記錄等通過綁定微博等社交網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行分享。

3.性能指標(biāo)

3.1MCU和藍(lán)牙模塊

nRF51822是一款為超低功耗無線應(yīng)用(ULP wirelessapplications)設(shè)計(jì)的的多協(xié)議單芯片解決方案。芯片支持BLE4.0和2.4GHZ協(xié)議棧，整合了射頻發(fā)射電路，一個ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。

圖二 nRF51822性能參數(shù)

nRF51822性能優(yōu)點(diǎn)：

(1)內(nèi)部RC振蕩器的誤差是2%(30分鐘/天)，即使校準(zhǔn)后只能達(dá)到250ppm(22秒/天);

(2)外部晶振，一般能達(dá)到40ppm(3秒/天)，誤差非常小;

藍(lán)牙BALUN可以使用分立器件，也可以使用ST定制的BAL-01D3。設(shè)計(jì)中我們使用了定制器件BAL-01D3，保證了信號的性能以及減小了的板卡尺寸。注意：如果更改nRF51822的封裝，需要將定制器件型號改成BAL-02D3。

BALUN電路輸出端，需要一個π形電路(起到阻抗匹配的作用)，需要根據(jù)實(shí)際情況在三個位置上增加電容或者電感。調(diào)整的依據(jù)是根據(jù)史密斯圓圖(如下圖所示)，把阻抗調(diào)整到中心點(diǎn)，達(dá)到最大的功率輸出效果。

4.過程描述

智能手環(huán)功能實(shí)現(xiàn)流程圖：

圖三 智能手環(huán)功能實(shí)現(xiàn)流程圖

5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能手環(huán)是由數(shù)據(jù)連接模塊運(yùn)動傳感器

三軸加速度傳感器

電池(可充電或紐扣電池)

閃存芯片

藍(lán)牙通訊模塊

震動馬達(dá)

指示燈或顯示屏幕(有些可能沒有)

NFC(目前只看見 Fitbit Flex有)

核心部件是：藍(lán)牙傳感器，ActiGraph體動記錄儀等組成。其結(jié)構(gòu)組成圖如下：

圖四 智能手環(huán)結(jié)構(gòu)圖

6.系統(tǒng)任務(wù)關(guān)聯(lián)

6.1 G-sensor工作原理

重力傳感器是將運(yùn)動或重力轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，主要用于傾斜角、慣性力、沖擊及震動等參數(shù)的測量。在測量平臺傾斜角時，將重力傳感器垂直放置于在所測平臺上，重力傳感器的敏感軸應(yīng)與傾斜平臺的軸向一致，在水平狀態(tài)下應(yīng)與水平面平行，如圖五 所示，其 中α 為平臺沿某一方向的傾斜角。重力傳感器的質(zhì)量塊由于受到重力加速度g 在傾斜方向上的分量α 的作用產(chǎn)生偏移，使重力傳感器的輸出電壓發(fā)生變化。若重力傳感器在水平狀態(tài)下的輸出為0 V ，傾角為α 時的輸出為α V ，且在1g 加速度作用下的輸出 為V ，則有：

V0 =V / g ×sinα ×1g +V α

即：

α = arcsin[(Vα −V0 ) /V ]

圖五 G-sensor工作原理

系統(tǒng)任務(wù)關(guān)聯(lián)流程圖如下：

圖六 系統(tǒng)任務(wù)關(guān)聯(lián)流程圖

6.2跑步和運(yùn)動速度監(jiān)測

運(yùn)動檢測主要采用三軸加速傳感器來實(shí)現(xiàn)，這也是手環(huán)的最核心的組件之一，這個組件的作用是計(jì)步測量。簡單來說，三軸加速器的工作原理是，當(dāng)人在正常行走時其實(shí)會產(chǎn)生水平和垂直兩個加速度，當(dāng)用戶邁步時，單腳著地重心上提，垂直方向呈向上加速度，而繼續(xù)往前走重心回落，加速度方向。而在水平方向，則是邁步時向前加速，收腳是減小。當(dāng)用戶邁步時，單腳著地重心上提，垂直方向呈向上加速度，并向前加速。而手環(huán)中的三軸加速器，就是通過人體這樣不同的加速度變化可以繪制出一條正弦曲線。以垂直方向加速度正弦波為例，從波谷到波峰再到波谷就是正常人一個步伐的過程，如此就可以推算出用戶行進(jìn)的步數(shù)。

圖七 運(yùn)動檢測實(shí)現(xiàn)原理

6.3睡眠監(jiān)測

使用體動記錄儀跟蹤您的睡眠，監(jiān)視您的微小運(yùn)動，以確定您是處于清醒、淺度睡眠還是深度睡眠中。

睡眠深度一般是以身體活動減少和感覺靈敏度降低作為衡量指標(biāo)的，目前對于睡眠深度的精確測量還是比較困難的。

睡眠監(jiān)測是通過傳感器監(jiān)測人的動作，以系統(tǒng)的計(jì)算方式進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，每2分鐘記錄一次合計(jì)值，與此同時的姿勢數(shù)據(jù)得到記錄。通過計(jì)算來判斷睡眠狀態(tài)。

表二 睡眠質(zhì)量判定

6.4 數(shù)據(jù)的同步

智能手環(huán)數(shù)據(jù)的同步主要有三種同步方式：藍(lán)牙，NFC，USB。對于三種同步方式有不同的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)手段如下表：

表三 智能手環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式的對照

7.主程序結(jié)構(gòu)

圖八 主程序結(jié)構(gòu)流圖

7.1馬達(dá)模塊

(1)普通馬達(dá)模塊

(2)線性馬達(dá)模塊

7.2電量檢測模塊

電池的電量和電壓有對應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)只要檢測到電池電壓，即可映射成電池剩余電量。電路如下：

圖九 電池電壓監(jiān)測電路圖

電池接入瞬間，大約半秒時間即可完成電容充電，輸出的測量電壓才是穩(wěn)定的正確值，所以ROM初始化代碼中需要延時一秒后采集電池電壓。

7.3 LED顯示模塊

1、LED燈控制顯示：以多個LED指示燈的組合形式進(jìn)行簡單的信息呈現(xiàn)。

2、LED點(diǎn)陣列顯示： 以LED點(diǎn)陣列的形式顯示手環(huán)的數(shù)據(jù)信息：時間、步數(shù)、卡路里消耗

7.3.1 LED燈控制顯示

GPIO輸出電平就可以控制。輸出低電平點(diǎn)亮LED，輸出高電平熄滅LED。對于不同顏色的LED燈的點(diǎn)亮可采用不同電壓電量方式，可采用以下電壓方法：

表四 LED不同顏色輸出電壓

7.3.2 LED點(diǎn)陣列顯示

首先說明LED點(diǎn)亮的條件：LED陽極接正電壓，陰極接負(fù)電壓，即可點(diǎn)亮。所以

if(陰極==負(fù)電壓)

{

If(陽極==正電壓)light=on;

Else light=off;

}

Else light = off;

即使陽極接負(fù)電壓，陰極接正電壓，這種LED反接的情況下，LED不會點(diǎn)亮，也不會損壞燈。如果有一極是高阻(不輸出能量)，LED也不點(diǎn)亮。

7.4外部模塊

7.4.1外部復(fù)位模塊

7.4.2調(diào)試接口

(1)時鐘檢測點(diǎn)：系統(tǒng)無法運(yùn)行時，先檢測時鐘;也可以測試偏頻等問題;

(2)下載口：包括2.54mm間距(適合通用JLINK燒寫器)和1.27間距(適合Nordic官方燒寫器);

(3)串口：用于LOG輸出等;

7.4.3Layout

(1)Layout最先考慮擺放位置，而考慮天線的匹配電路

(2)周圍凈空區(qū)盡量的大

(3)天線匹配電路附近的GND盡量多打過孔或者鐳射孔

圖十 (1#片式天線;2#天線饋端標(biāo)記;3#匹配電路焊盤)

8.關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

智能手環(huán)功能的實(shí)現(xiàn)以及創(chuàng)新是其作為一個產(chǎn)品的特殊符號，下表是智能手環(huán)創(chuàng)新點(diǎn)以及關(guān)鍵技術(shù)：

表五 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

9.總結(jié)與展望

智能手環(huán)的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)出了科技與人生活的互聯(lián)，移動可穿戴設(shè)施與移動終端之間的契合也變得越來越突出。隨著智能手機(jī)中配置的感知器與高運(yùn)算能力成為常態(tài)，穿戴電腦科技正在快速發(fā)展。這也使得穿戴式智能設(shè)備成為了電子商務(wù)企業(yè)下一個必爭之地。

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