基于嵌入式智能手環(huán)的設(shè)計與開發(fā)

1、基于嵌入式系統(tǒng)智能手環(huán)的設(shè)計開發(fā)姓名：楊賽 專業(yè)：信號與信息處理 學(xué)號：61419040111.設(shè)計目的 隨著科技的進步，智能化成為了人們關(guān)注的焦點，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、部分還有飲食等實時數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與手機、平板、ipod

2、 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)樣圖名稱側(cè)重點數(shù)據(jù)傳輸亮點不足推薦指數(shù)Jawbone upFashion3.5mm耳機孔設(shè)計感突出大小不可調(diào)4星Nike-Fuelband運動藍牙多樣運動趣味功能少3星Bong自動同步藍牙Ipx7防水充電不便3星Mi手環(huán)MIUI藍牙便宜設(shè)計是硬傷4星表一 熱門智能手環(huán)對比 智能手環(huán)內(nèi)置低功耗藍牙4.0模塊，可以與手機、平板、PC客戶端進行連接，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)端進行分享。3.性

3、能指標3.1MCU和藍牙模塊 nRF51822是一款為超低功耗無線應(yīng)用(ULP wirelessapplications)設(shè)計的的多協(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： （1）內(nèi)部RC振蕩器的誤差是2%（30分鐘/天），即使校準后只能達到250ppm（22秒/天）； （2）外部晶振，一般能達到40ppm（3秒/天），誤差非常?。?藍牙BALUN可以使用分立器件，也可以使用ST定制的BAL-01D3。設(shè)計中我們使

4、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，需要一個形電路（起到阻抗匹配的作用），需要根據(jù)實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，達到最大的功率輸出效果。4. 過程描述智能手環(huán)功能實現(xiàn)流程圖：智能手環(huán)G-sensorLED 計步 睡眠 藍牙時間 馬達 同步 提醒 圖三 智能手環(huán)功能實現(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）閃存芯片藍牙通訊模塊震動馬達指示燈

5、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：藍牙傳感器，ActiGraph體動記錄儀等組成。其結(jié)構(gòu)組成圖如下： G-sensorM線性馬達驅(qū)動普通馬達驅(qū)動LED點陣驅(qū)動 MCU+BT 外部復(fù)位 按鍵MLED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 為平臺沿某一方向的傾斜角。重力

6、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 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 時的輸出為 V ，且在1g 加速度作用下的輸出 為V ，則有： V0 =V / g ×sin ×1g +V  即：  = arcsin(V 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跑步和運動速度監(jiān)測 運動檢測主要采用三軸加速傳感器來實現(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步測量。簡單來說，三軸加速器

7、的工作原理是，當人在正常行走時其實會產(chǎn)生水平和垂直兩個加速度，當用戶邁步時，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的步數(shù)。正弦曲線垂直加速度三軸加速 器正弦曲線水平加速度 圖七 運動檢測實現(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)視您的微小運動，以確定您是處于清醒、淺

8、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)的計算方式進行累計計算，每2分鐘記錄一次合計值，與此同時的姿勢數(shù)據(jù)得到記錄。通過計算來判斷睡眠狀態(tài)。程度時間（h） 03 36 69 淺度 是 否 否 中度 否 是 否 深度 否 否 是 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：藍牙，NFC，USB。對于三種同步方式有不同的優(yōu)缺點和實現(xiàn)手段如下表：類型方式 藍牙 NFC USB優(yōu)點應(yīng)用范圍廣，可操作性強傳輸數(shù)據(jù)更加快捷可同步大存儲量文

9、件，數(shù)據(jù)缺點傳輸速度慢，終端的識別和連接慢只能傳輸存儲量很小的數(shù)據(jù)，可操作終端很少需要硬件成本高，增加硬件體積操作方式與移動終端實現(xiàn)藍牙連接近場信息數(shù)據(jù)傳輸用usb作為連接工具作為與終端連接傳輸數(shù)據(jù)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馬達模塊（1）普通馬達模塊 （2）線性馬達模塊 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

10、模塊 1、 LED燈控制顯示:以多個LED指示燈的組合形式進行簡單的信息呈現(xiàn)。 2、 LED點陣列顯示: 以LED點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。輸出低電平點亮LED，輸出高電平熄滅LED。對于不同顏色的LED燈的點亮可采用不同電壓電量方式，可采用以下電壓方法：顏色電壓VVVV紅色藍色翠綠黃色黃綠白色粉色紫色 表四 LED不同顏色輸出電壓7.3.2 LED點陣列顯示 首先說明LED點亮的條件：LED陽極接正電壓，陰極接負電壓，即可點亮。所以if（陰極=負電壓）If（陽極=正電壓）light=on；Else ligh

11、t=off；Else light = off； 即使陽極接負電壓，陰極接正電壓，這種LED反接的情況下，LED不會點亮，也不會損壞燈。如果有一極是高阻（不輸出能量），LED也不點亮。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：系統(tǒng)無法運行時，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； （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

12、式天線；2#天線饋端標記；3#匹配電路焊盤）8.關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點 智能手環(huán)功能的實現(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)新點以及關(guān)鍵技術(shù)： 創(chuàng)新點 關(guān)鍵技術(shù) 1G-sensor作用于計步以及速度的感知G-sensor及心率傳感器 2加入了對于心率，呼吸以及卡路里消耗的計量振動馬達 3LED顯示運用多色晶體顯示LED 4加入數(shù)據(jù)記錄以及完備作息培養(yǎng)計劃nRF5182 MCU表五 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點9.總結(jié)與展望 智能手環(huán)的設(shè)計充分體現(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。隨著智能手機中配置的感知器與高運算能力成為常態(tài)，穿戴電腦科技正在快速發(fā)展。

13、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。參考文獻：【1】.G.C.Hua, F.C.Lee. Soft-switching technique in PWM converterJ.IEEE Trans. On Industrial Electronics 995,42(6):595-603. 2013 【2】SamsungElectronics.S3C6410X_UM_RevEB/OL.2010【3】Internet reference ：BISG.specification of the Bluetooth system（core）version1.2,45（4）：233-311. 2011【4】王秋東，金達，徐治皋PI數(shù)據(jù)庫及其在電廠生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)中的應(yīng)用J工業(yè)控制計算機，2007，20（12）：