基於嵌入式系統智慧手環的設計開發

1.設計目的

隨著科技的進步， 智慧化成為了人們關注的焦點， 同時也越來越貼近人們的生活。 人們對於健康生活方式的需求催生出了智慧可穿戴設備， 智慧手環就屬於其中的一種代表性產物。 其主要應用於監測運動， 監測睡眠以及智慧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物。 本文講述一套初步的智慧手環解決方案， 對於智慧手環的設計以及製造有可行性方案指導作用。

2.用戶需求

智慧手環是一種穿戴式智慧設備。 通過這款手環， 使用者可以記錄日常生活中的鍛煉、睡眠、部分還有飲食等即時資料，

並將這些資料與手機、平板、ipod touch同步， 起到通過資料指導健康生活的作用。

圖一 智能手環樣圖

表一 熱門智能手環對比

3.性能指標

3.1MCU和藍牙模組

nRF51822是一款為超低功耗無線應用(ULP wirelessapplications)設計的的多協定單晶片解決方案。 晶片支援BLE4.0和2.4GHZ協定棧， 整合了射頻發射電路， 一個ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。

圖二 nRF51822性能參數

nRF51822性能優點：

(1)內部RC振盪器的誤差是2%(30分鐘/天)， 即使校準後只能達到250ppm(22秒/天);

(2)外部晶振， 一般能達到40ppm(3秒/天)， 誤差非常小;

藍牙BALUN可以使用分立器件， 也可以使用ST定制的BAL-01D3。 設計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)，

需要根據實際情況在三個位置上增加電容或者電感。 調整的依據是根據史密斯圓圖(如下圖所示)， 把阻抗調整到中心點， 達到最大的功率輸出效果。

4.過程描述

智慧手環功能實現流程圖：

圖三 智慧手環功能實現流程圖

5.系統結構

智慧手環是由資料連接模組運動感測器

三軸加速度感測器

電池(可充電或紐扣電池)

快閃記憶體晶片

藍牙通訊模組

震動馬達

指示燈或顯示幕幕(有些可能沒有)

NFC(目前只看見 Fitbit Flex有)

核心部件是：藍牙感測器， ActiGraph體動記錄儀等組成。 其結構組成圖如下：

圖四 智能手環結構圖

6.系統任務關聯

6.1 G-sensor工作原理

重力感測器是將運動或重力轉換為電信號的感測器， 主要用於傾斜角、慣性力、衝擊及震動等參數的測量。

在測量平臺傾斜角時， 將重力感測器垂直放置於在所測平臺上， 重力感測器的敏感軸應與傾斜平臺的軸向一致， 在水準狀態下應與水平面平行， 如圖五 所示， 其 中α 為平臺沿某一方向的傾斜角。 重力感測器的品質塊由於受到重力加速度g 在傾斜方向上的分量α 的作用產生偏移， 使重力感測器的輸出電壓發生變化。 若重力感測器在水準狀態下的輸出為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

系統任務關聯流程圖如下：

圖六 系統任務關聯流程圖

6.2跑步和運動速度監測

運動檢測主要採用三軸加速感測器來實現， 這也是手環的最核心的元件之一， 這個元件的作用是計步測量。

簡單來說， 三軸加速器的工作原理是， 當人在正常行走時其實會產生水準和垂直兩個加速度， 當用戶邁步時， 單腳著地重心上提， 垂直方向呈向上加速度， 而繼續往前走重心回落， 加速度方向。 而在水準方向， 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， 並向前加速。 而手環中的三軸加速器， 就是通過人體這樣不同的加速度變化可以繪製出一條正弦曲線。 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。

圖七 運動檢測實現原理

6.3睡眠監測

使用體動記錄儀跟蹤您的睡眠， 監視您的微小運動，

以確定您是處於清醒、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的， 目前對於睡眠深度的精確測量還是比較困難的。

睡眠監測是通過感測器監測人的動作， 以系統的計算方式進行累計計算， 每2分鐘記錄一次合計值， 與此同時的姿勢資料得到記錄。 通過計算來判斷睡眠狀態。

表二 睡眠品質判定

6.4 資料的同步

智慧手環資料的同步主要有三種同步方式：藍牙， NFC， USB。 對於三種同步方式有不同的優缺點和實現手段如下表：

表三 智慧手環資料傳輸方式的對照

7.主程序結構

圖八 主程序結構流圖

7.1馬達模組

(1)普通馬達模組

(2)線性馬達模組

7.2電量檢測模組

電池的電量和電壓有對應關係， 系統只要檢測到電池電壓，即可映射成電池剩餘電量。電路如下：

圖九 電池電壓監測電路圖

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定的正確值，所以ROM初始化代碼中需要延時一秒後採集電池電壓。

7.3 LED顯示模組

1、LED燈控制顯示：以多個LED指示燈的組合形式進行簡單的資訊呈現。

2、LED點陣列顯示： 以LED點陣列的形式顯示手環的資料資訊：時間、步數、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。對於不同顏色的LED燈的點亮可採用不同電壓電量方式，可採用以下電壓方法：

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 light=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外部模組

7.4.1外部重定模組

7.4.2調試介面

(1)時鐘檢測點：系統無法運行時，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：用於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)周圍淨空區儘量的大

(3)天線匹配電路附近的GND儘量多打過孔或者鐳射孔

圖十 (1#片式天線;2#天線饋端標記;3#匹配電路焊盤)

8.關鍵技術及創新點

智慧手環功能的實現以及創新是其作為一個產品的特殊符號，下表是智慧手環創新點以及關鍵技術：

表五 關鍵技術及創新點

9.總結與展望

智慧手環的設計充分體現出了科技與人生活的互聯，移動可穿戴設施與移動終端之間的契合也變得越來越突出。隨著智慧手機中配置的感知器與高運算能力成為常態，穿戴電腦科技正在快速發展。這也使得穿戴式智慧設備成為了電子商務企業下一個必爭之地。

參考文獻：

【1】.G.C.Hua， F.C.Lee. Soft-switching technique in PWM converter[J].IEEE Trans. On Industrial Electronics 995，42(6)：595-603. 2013

【2】SamsungElectronics.S3C6410X_UM_Rev[EB/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資料庫及其在電廠生產即時資料平臺系統中的應用[J].工業控制電腦，2007，20(12)：35-37

【5】.溫全剛.嵌入式系統電路的原理及應用[M].北京航空航太大學出版，2009

【6】CORBETJ，RUBINIA，KROAH-HARTMANG.Linux設備驅動程式[M].3rded.魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京：中國電力出版社，2009.

【7】金純，許光辰，孫睿.藍牙技術[M].北京：電子工業出版社，2010.316-3311

【8】 朱允民.多感測器分散式統計判決[M].科學出版社，2000.

系統只要檢測到電池電壓，即可映射成電池剩餘電量。電路如下：

圖九 電池電壓監測電路圖

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定的正確值，所以ROM初始化代碼中需要延時一秒後採集電池電壓。

7.3 LED顯示模組

1、LED燈控制顯示：以多個LED指示燈的組合形式進行簡單的資訊呈現。

2、LED點陣列顯示： 以LED點陣列的形式顯示手環的資料資訊：時間、步數、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。對於不同顏色的LED燈的點亮可採用不同電壓電量方式，可採用以下電壓方法：

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 light=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外部模組

7.4.1外部重定模組

7.4.2調試介面

(1)時鐘檢測點：系統無法運行時，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：用於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)周圍淨空區儘量的大

(3)天線匹配電路附近的GND儘量多打過孔或者鐳射孔

圖十 (1#片式天線;2#天線饋端標記;3#匹配電路焊盤)

8.關鍵技術及創新點

智慧手環功能的實現以及創新是其作為一個產品的特殊符號，下表是智慧手環創新點以及關鍵技術：

表五 關鍵技術及創新點

9.總結與展望

智慧手環的設計充分體現出了科技與人生活的互聯，移動可穿戴設施與移動終端之間的契合也變得越來越突出。隨著智慧手機中配置的感知器與高運算能力成為常態，穿戴電腦科技正在快速發展。這也使得穿戴式智慧設備成為了電子商務企業下一個必爭之地。

參考文獻：

【1】.G.C.Hua， F.C.Lee. Soft-switching technique in PWM converter[J].IEEE Trans. On Industrial Electronics 995，42(6)：595-603. 2013

【2】SamsungElectronics.S3C6410X_UM_Rev[EB/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資料庫及其在電廠生產即時資料平臺系統中的應用[J].工業控制電腦，2007，20(12)：35-37

【5】.溫全剛.嵌入式系統電路的原理及應用[M].北京航空航太大學出版，2009

【6】CORBETJ，RUBINIA，KROAH-HARTMANG.Linux設備驅動程式[M].3rded.魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京：中國電力出版社，2009.

【7】金純，許光辰，孫睿.藍牙技術[M].北京：電子工業出版社，2010.316-3311

【8】 朱允民.多感測器分散式統計判決[M].科學出版社，2000.