基于嵌入式系统智能手环的设计开发

   1.设计目的

　　随着科技的进步，智能化成为了人们关注的焦点，同时也越来越贴近人们的生活。人们对于健康生活方式的需求催生出了智能可穿戴设备，智能手环就属于其中的一种代表性产物。其主要应用于监测运动，监测睡眠以及智能化的安排人的生活作息方式等。是一款突出个性与人性的智能化产物。本文讲述一套初步的智能手环解决方案，对于智能手环的设计以及制造有可行性方案指导作用。

　　2.用户需求

　　智能手环是一种穿戴式智能设备。通过这款手环，用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠、部分还有饮食等实时数据，并将这些数据与手机、平板、ipod touch同步，起到通过数据指导健康生活的作用。

　　图一 智能手环样图

　　表一  热门智能手环对比

　　智能手环内置低功耗蓝牙4.0模块，可以与手机、平板、PC客户端进行连接，可以随时随地设置身高、体重、步幅等信息和上传运动数据。另外，智能手环还具备社交网络分享功能，比如用户可以将睡眠质量、饮食情况和锻炼情况以及心情记录等通过绑定微博等社交网络端进行分享。

　　3.性能指标

　　3.1MCU和蓝牙模块

　　nRF51822是一款为超低功耗无线应用(ULP wirelessapplications)设计的的多协议单芯片解决方案。芯片支持BLE4.0和2.4GHZ协议栈，整合了射频发射电路，一个ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。

　　图二  nRF51822性能参数

　　nRF51822性能优点：

　　（1）内部RC振荡器的误差是2%（30分钟/天），即使校准后只能达到250ppm（22秒/天）；

　　（2）外部晶振，一般能达到40ppm（3秒/天），误差非常小；

　　蓝牙BALUN可以使用分立器件，也可以使用ST定制的BAL-01D3。设计中我们使用了定制器件BAL-01D3，保证了信号的性能以及减小了的板卡尺寸。注意：如果更改nRF51822的封装，需要将定制器件型号改成BAL-02D3。

　　BALUN电路输出端，需要一个π形电路（起到阻抗匹配的作用），需要根据实际情况在三个位置上增加电容或者电感。调整的依据是根据史密斯圆图（如下图所示），把阻抗调整到中心点，达到最大的功率输出效果。

　　4.过程描述

　　智能手环功能实现流程图：

　　图三  智能手环功能实现流程图

　　5.系统结构

　　智能手环是由数据连接模块运动传感器

　　三轴加速度传感器

　　电池（可充电或纽扣电池）

　　闪存芯片

　　蓝牙通讯模块

　　震动马达

　　指示灯或显示屏幕（有些可能没有）

　　NFC

　　核心部件是：蓝牙传感器，ActiGraph体动记录仪等组成。其结构组成图如下：

　　图四   智能手环结构图

    6.系统任务关联

　　6.1 G-sensor工作原理

　　重力传感器是将运动或重力转换为电信号的传感器，主要用于倾斜角、惯性力、冲击及震动等参数的测量。在测量平台倾斜角时，将重力传感器垂直放置于在所测平台上，重力传感器的敏感轴应与倾斜平台的轴向一致，在水平状态下应与水平面平行，如图五 所示，其 中α 为平台沿某一方向的倾斜角。重力传感器的质量块由于受到重力加速度g 在倾斜方向上的分量α 的作用产生偏移，使重力传感器的输出电压发生变化。若重力传感器在水平状态下的输出为0 V ，倾角为α 时的输出为α V ，且在1g 加速度作用下的输出 为V ，则有：

　　V0 =V / g ×sinα ×1g +V α

　　即：

　　α = arcsin[(Vα −V0 ) /V ]  

　　图五 G-sensor工作原理

　　系统任务关联流程图如下：

　　图六  系统任务关联流程图

　　6.2跑步和运动速度监测

　　运动检测主要采用三轴加速传感器来实现，这也是手环的最核心的组件之一，这个组件的作用是计步测量。简单来说，三轴加速器的工作原理是，当人在正常行走时其实会产生水平和垂直两个加速度，当用户迈步时，单脚着地重心上提，垂直方向呈向上加速度，而继续往前走重心回落，加速度方向。而在水平方向，则是迈步时向前加速，收脚是减小。当用户迈步时，单脚着地重心上提，垂直方向呈向上加速度，并向前加速。而手环中的三轴加速器，就是通过人体这样不同的加速度变化可以绘制出一条正弦曲线。以垂直方向加速度正弦波为例，从波谷到波峰再到波谷就是正常人一个步伐的过程，如此就可以推算出用户行进的步数。

　　图七  运动检测实现原理

　　6.3睡眠监测

　　使用体动记录仪跟踪您的睡眠，监视您的微小运动，以确定您是处于清醒、浅度睡眠还是深度睡眠中。

　　睡眠深度一般是以身体活动减少和感觉灵敏度降低作为衡量指标的，目前对于睡眠深度的精确测量还是比较困难的。

　　睡眠监测是通过传感器监测人的动作，以系统的计算方式进行累计计算，每2分钟记录一次合计值，与此同时的姿势数据得到记录。通过计算来判断睡眠状态。

　　表二 睡眠质量判定

　　6.4 数据的同步

　　智能手环数据的同步主要有三种同步方式：蓝牙，NFC，USB。对于三种同步方式有不同的优缺点和实现手段如下表：

　　表三 智能手环数据传输方式的对照

　　7.主程序结构

　　图八 主程序结构流图

    7.1马达模块

　　（1）普通马达模块

　　（2）线性马达模块

　　7.2电量检测模块

　　电池的电量和电压有对应关系，系统只要检测到电池电压，即可映射成电池剩余电量。电路如下：   

　　图九  电池电压监测电路图

　　电池接入瞬间，大约半秒时间即可完成电容充电，输出的测量电压才是稳定的正确值，所以ROM初始化代码中需要延时一秒后采集电池电压。

　　7.3 LED显示模块

　　1、LED灯控制显示：以多个LED指示灯的组合形式进行简单的信息呈现。

　　2、LED点阵列显示： 以LED点阵列的形式显示手环的数据信息：时间、步数、卡路里消耗

　　7.3.1 LED灯控制显示

　　GPIO输出电平就可以控制。输出低电平点亮LED，输出高电平熄灭LED。对于不同颜色的LED灯的点亮可采用不同电压电量方式，可采用以下电压方法：

　　表四  LED不同颜色输出电压

　　7.3.2 LED点阵列显示

　　首先说明LED点亮的条件：LED阳极接正电压，阴极接负电压，即可点亮。所以

　　if（阴极==负电压）

　　{

　　If（阳极==正电压）light=on；

　　Else light=off；

　　}

　　Else light = off；

　　即使阳极接负电压，阴极接正电压，这种LED反接的情况下，LED不会点亮，也不会损坏灯。如果有一极是高阻（不输出能量），LED也不点亮。

　　7.4外部模块

　　7.4.1外部复位模块

　　7.4.2调试接口

　　（1）时钟检测点：系统无法运行时，先检测时钟；也可以测试偏频等问题；

　　（2）下载口：包括2.54mm间距（适合通用JLINK烧写器）和1.27间距（适合Nordic官方烧写器）；

　　（3）串口：用于LOG输出等；

　　7.4.3Layout

　　（1）Layout最先考虑摆放位置，而考虑天线的匹配电路

　　（2）周围净空区尽量的大

　　（3）天线匹配电路附近的GND尽量多打过孔或者镭射孔

　　图十 （1#片式天线；2#天线馈端标记；3#匹配电路焊盘）

　  8.关键技术及创新点

　　智能手环功能的实现以及创新是其作为一个产品的特殊符号，下表是智能手环创新点以及关键技术：

　　表五  关键技术及创新点

　　9.总结与展望

　　智能手环的设计充分体现出了科技与人生活的互联，移动可穿戴设施与移动终端之间的契合也变得越来越突出。随着智能手机中配置的感知器与高运算能力成为常态，穿戴电脑科技正在快速发展。这也使得穿戴式智能设备成为了电子商务企业下一个必争之地。