跑步訓(xùn)練智能手環(huán)技術(shù)方案

1、跑步訓(xùn)練智能手環(huán) 總體設(shè)計(jì)方案 撰寫：劉述亮、陳定罡、陳東、于旺、李進(jìn) 科大創(chuàng)客空間 WFTC MAKFR PACE 科大創(chuàng)客空間 2014年11月 目錄 1、需求分析 3 1.1 項(xiàng)目背景 3 1.2 項(xiàng)目需求及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn) 3 2、跑步訓(xùn)練智能手環(huán)總體設(shè)計(jì) 4 2.1 設(shè)計(jì)原則 4 2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu) 4 3、實(shí)現(xiàn)方案及關(guān)鍵技術(shù) 6 3.1 整體設(shè)計(jì) 6 3.2 嵌入式主控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 3.3 電源模塊設(shè)計(jì) 6 3.4 北斗定位模塊 6 3.5 脈搏、血氧檢測模塊設(shè)計(jì) 8 3.5.1 脈搏、血氧檢測原理 8 3.5.2 近紅外發(fā)射模塊 8 3.5.3 光電二極管 9 3.5.4 現(xiàn)有應(yīng)用

2、10 3.6 指南針模塊設(shè)計(jì) 10 3.7 手環(huán)解開檢測模塊設(shè)計(jì) 11 3.8 GSMGPRS 通信模塊設(shè)計(jì) 12 3.9 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 13 3.10 跑步路程計(jì)算算法設(shè)計(jì) 14 3.10.1 路徑直線差值求和法 14 3.10.2 路徑曲線擬合積分法 16 3.10.3 基于已知路徑的位置匹配路程計(jì)算法 17 3.11 數(shù)據(jù)管理終端 17 4、手環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 4.1 手環(huán)結(jié)構(gòu)布局 18 4.2 手環(huán)材料選擇 19 4.3 手環(huán)外殼加工工藝 20 4.4 手環(huán)效果圖 20 5、關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)及改進(jìn)方案 22 1、需求分析 1.1 項(xiàng)目背景 生命在于運(yùn)動(dòng)，而跑步鍛煉是人們最常采用的一種身體鍛

3、煉方式。通過跑步達(dá)到強(qiáng)身健 體的作用也要講求科學(xué)鍛煉。 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不足達(dá)不到鍛煉的效果， 運(yùn)動(dòng)過度容易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷， 甚至出現(xiàn)過度運(yùn)動(dòng)猝死。 為了使跑步訓(xùn)練更加精確化定量化， 對跑步訓(xùn)練過程中， 跑步的時(shí) 間、速度、路程、心率、血氧飽和度的測量反饋就非常關(guān)鍵。特別是針對群體跑步訓(xùn)練的反 饋和數(shù)據(jù)分析對于整體的訓(xùn)練具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性。 隨著可穿戴設(shè)備和智能硬件的發(fā)展，越來越多功能應(yīng)用都可以通過可穿戴智能設(shè)備實(shí) 現(xiàn)。通智能手環(huán)來監(jiān)控反饋跑步訓(xùn)練的參數(shù)，使得跑步訓(xùn)練更加科學(xué)化。 1.2 項(xiàng)目需求及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn) 跑步訓(xùn)練智能手環(huán)集成有北斗定位模塊， 能夠得到跑步訓(xùn)練者在不同時(shí)刻的位置， 通過 記錄的位置時(shí)間

4、信息便可以得到跑步訓(xùn)練者的速度，跑步的路程、 心率、 血氧等信息。再通 過 GSMGPRS 通信將數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)行進(jìn)一步的管理分析，便于反饋和調(diào)整使得 訓(xùn)練更加科學(xué)化。在集體訓(xùn)練中還可通過手環(huán)解開檢測來防止作弊以及手環(huán)丟失。 本手環(huán)初步應(yīng)用的于集體訓(xùn)練， 訓(xùn)練項(xiàng)目包括： 5 公里長跑、 400m 障礙跑、 100 折返跑、 100 游泳。 訓(xùn)練場地既可以是固定訓(xùn)練場地和野外。 因此教練需要配備專門的 手持式便攜數(shù) 據(jù)管理終端 ，能夠通過 GSMGPRS 網(wǎng)絡(luò)通信，攜帶方便，不受因特網(wǎng)限制。方便教練及時(shí) 了解訓(xùn)練成員的所有信息情況。在臨時(shí)斷電斷網(wǎng)，或者無網(wǎng)絡(luò)信號的地方正常使用。 跑步訓(xùn)練

5、智能手環(huán)主要完成以下功能： 1）北斗定位，跑步路程精確計(jì)算； 2）脈搏檢測 3）血氧檢測 4）指南針功能 5）手環(huán)解開檢測 6）通過 GSMGPRS 與后臺(tái)服務(wù)器通信； 7）通過人機(jī)接口設(shè)置手環(huán)的工作模式， 包括： 5 公里長跑、 400m 障礙跑、 100 折返跑、 100 游泳； 8）顯示跑步訓(xùn)練的相關(guān)參數(shù)，如跑步速度、路程、時(shí)間； 9）報(bào)警提示，提示運(yùn)動(dòng)過度、犯規(guī)等 數(shù)據(jù)管理服務(wù)終端功能： 1）能夠接收各個(gè)訓(xùn)練手環(huán)返回的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括手環(huán)的佩戴者、參加的訓(xùn)練項(xiàng)目、進(jìn)度、 成績、犯規(guī)情況、脈搏血氧等生理狀體。 2）能夠及時(shí)對犯規(guī)以及其他突發(fā)情況進(jìn)行報(bào)警，提示教練； 3）對成績進(jìn)行計(jì)入存儲(chǔ)管

6、理查詢； 4）能夠?qū)?shù)據(jù)備份到電腦上傳云端，便于進(jìn)一步保存管理數(shù)據(jù)。 其中對跑步路程的精確計(jì)算、脈搏檢測和血氧檢測是本項(xiàng)目的關(guān)鍵難點(diǎn)。是決定手環(huán)是 否有實(shí)用價(jià)值的決定條件。 2、跑步訓(xùn)練智能手環(huán)總體設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)原則 跑步訓(xùn)練智能手環(huán)主要應(yīng)用于室外集體跑步訓(xùn)練，室外天氣、氣溫不定，跑步訓(xùn)練者有 可能摔倒碰撞。根據(jù)以上特點(diǎn)，在研發(fā)和設(shè)計(jì)跑步訓(xùn)練智能手環(huán)時(shí)，需遵循如下原則： 1）體積小，重量輕，佩戴舒適； 2）功耗低、待機(jī)時(shí)間長、一次充電使用時(shí)間長，方便充電； 3）能防水、對溫度適應(yīng)性強(qiáng)； 4）操作簡單、顯示界面人性化； 5）和后臺(tái)通信穩(wěn)定可靠； 2.2系統(tǒng)總體架構(gòu) 根據(jù)用戶的需求和跑步訓(xùn)練智能

7、手環(huán)工作實(shí)際，給出圖2.0所以的跑步訓(xùn)練智能手環(huán)系 統(tǒng)及數(shù)據(jù)管理終端整體結(jié)構(gòu)圖。 外部 電源 數(shù)據(jù)管理終端 電源權(quán) 塊 嵌入式主控系統(tǒng) GSMGPRS 通營 后臺(tái)數(shù) 據(jù)庫 外部 電廉 GSMGPRS通信檯塊 脈博 血筆 模塊 指南 針賽 塊 GPS f立複按 范步 訓(xùn)練 智能 手環(huán) 圖2.0跑步訓(xùn)練智能手環(huán)及數(shù)據(jù)管理終端整體圖框 跑步訓(xùn)練手環(huán)系統(tǒng)組成： A. 嵌入式主控系統(tǒng)：采用STM32F103作為主控，采用ucos操作系統(tǒng)。 B.電源模塊： 采用鋰電池作為手環(huán)的電源供給，充電模塊負(fù)責(zé)給電池充電；電源管理模塊負(fù) 責(zé)，電池保護(hù)，包括過充保護(hù)、過放電保護(hù)、欠壓報(bào)警。 C. 北斗定位模塊： 跑步路

8、程精確計(jì)算； D. 脈搏、血氧檢測模塊： 采用660nm 電源管理模塊負(fù)責(zé)，電池保護(hù)，包括過充保護(hù)、過放電保護(hù)、欠壓報(bào)警。 C. GSMGPRS 通信模塊： 采用SIM900A實(shí)現(xiàn)與訓(xùn)練手環(huán)通信。選用5兀GPRS流量年卡。 D.人機(jī)界面：用7寸液晶觸摸電容屏作為顯示操作界面。用于查詢顯示參與訓(xùn)練手環(huán)返回 的所有。 圖3.28 7寸觸摸電容屏 電容屏參數(shù)如下: 7inch Capacitive Touch LCD (D) 電容 1024x600 24PIN RGB/LVDS FT5206GE1 MCU帶 LCD 控制器 4、手環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1手環(huán)結(jié)構(gòu)布局 手環(huán)結(jié)構(gòu)是承載手環(huán)所有功能的基礎(chǔ)，決定

9、了手環(huán)佩戴舒適度、耐用性、防水性。 按謔顯示屏 圖4.1手環(huán)外觀結(jié)構(gòu)-正面布局 圖4.2手環(huán)背面?zhèn)鞲衅鞑季?4.2手環(huán)材料選擇 手環(huán)要接受北斗定位信號、要和GSMGPRS基站通信，因此手環(huán)結(jié)構(gòu)材料不能選用金 屬。運(yùn)動(dòng)健身手環(huán)主要用在跑步訓(xùn)練游泳訓(xùn)練，跑步訓(xùn)練過程中手環(huán)會(huì)接觸到汗液，游泳過 程中手環(huán)要長期浸泡在水中，因此手環(huán)材料要具有良好的密封性、耐腐蝕性、耐磨性。 要保 證佩戴的舒適性需要材料具有一定的彈性。要適應(yīng)戶外溫度變化，從冰雪天氣到烈陽炙烤需 要有一定的耐高溫低溫特性。同時(shí)需要有良好的耐老化性，保證手環(huán)使用壽命。 綜合全面考 慮以上條件以及結(jié)合市面上現(xiàn)有手環(huán)材料初步選用全氟醚橡膠。 全

10、氟醚橡膠材料性能： 全氟醚橡膠材料具有良好的電氣絕緣性能和良好的耐燃燒性能。同時(shí)氟橡膠具有非常好 的氣密性、耐磨性；乎能承受一切化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，其中包括醚類、酮類、苯環(huán)類溶劑、強(qiáng) 氧化劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等，有著在這方面全無敵的美譽(yù)；全氟醚橡膠具有最好的耐高溫性能， 全氟醚橡膠 Kalrez耐高溫品級可在 327 C環(huán)境中使用，蘇威蘇萊克斯的耐高溫品級可在 310C左右使用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氟橡膠。全氟醚橡膠的低溫使用溫度可達(dá)-20 C；主要應(yīng)用領(lǐng)域 有宇航工業(yè)、煉油、化工生產(chǎn)、電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、高溫水蒸氣系統(tǒng)、天然氣石油開采、 核電站、特殊儀器儀表等。 4.3手環(huán)外殼加工工藝 主要采用注塑成型，成型周期

11、短、生產(chǎn)率高、能一次成型、外形復(fù)雜、尺寸精確或帶有 金屬嵌件的塑件；制品表面粗糙度低，后加工量少，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)適應(yīng)性強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于各種塑件的生產(chǎn)，其產(chǎn)量約占塑料制品總量的30%。尤其是塑料作為 工程結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)，注射塑件的用途已從民用擴(kuò)大到生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，并逐步呈上升趨勢。 4.4手環(huán)效果圖 初步通過SolidWorks對手環(huán)進(jìn)行建模，和效果渲染，設(shè)計(jì)效果圖如下: 5、關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)及改進(jìn)方案 性能，提高定位和路程計(jì)算精度： 由于本手環(huán)利用衛(wèi)星定位，因此一定程度上制約了手環(huán)的應(yīng)用范圍，如果跑步訓(xùn)練的路 段有部分或全部接受不到北斗信號則路程計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此可以利用

12、慣性傳感器 來進(jìn)行補(bǔ)償。由于人的跑步運(yùn)動(dòng)是有一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，而不是隨意運(yùn)動(dòng)。因此可以通過識別 跑步運(yùn)動(dòng)的一些特征來校正慣性傳感器計(jì)算位移時(shí)的誤差累計(jì)。比如利用運(yùn)動(dòng)的周期性，在 一個(gè)周期中開始和結(jié)束的地方速度為零且往往加速度最大。因此就可以消除速度誤差的不斷 累加，從而減少路程積分誤差。在算法上，不斷優(yōu)化算法，如通過開展卡漫濾波、辛普森積 分等等提高數(shù)值計(jì)算的精度，減少誤差。 功能，提高檢測的智能性。 手環(huán)不僅能戴在手上也可戴在腳上?？梢詫κ趾湍_的運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測。 通過加速度和角速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析可以得到手環(huán)的運(yùn)動(dòng)軌跡特征。根據(jù)數(shù)據(jù)特征 智能識別運(yùn)動(dòng)模式如： 行走、正步、跑步、游泳等。根據(jù)這些特征對運(yùn)動(dòng)的規(guī)范性進(jìn)行評估。 從而達(dá)到輔助訓(xùn)練的目的。此時(shí)的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)大到正步訓(xùn)練、舞蹈訓(xùn)練、高爾夫訓(xùn)練等 等場合。 此時(shí)可以采用九軸傳感器 MPU-9150替換HMC5883L三軸磁傳感器。 RnlMc: cpom GIL 24 2? 22 21 as 1 z 3 z MPU-9150 1G 三 5 14 t 1 3 7 10 4 CLKIIM RESU VDD RESW RESV GND GND HSV GND RESV VDD 一弓 Rfoou 呵 ADU CT8-0 nlJS GL LG A 嗎flrtflix 4mm i