基于嵌入式系统智能手环的设计开发

1.设计目的

随着科学技术的进步，智能化已成为人们关注的焦点，也越来越贴近人们的生活。人们对健康生活方式的需求催生了智能可穿戴设备，智能手镯是代表性产品之一。它主要用于监测运动、睡眠和智能安排人们的生活方式。是突出个性和人性的智能产品。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

智能手镯是一种可穿戴的智能设备。通过这款手镯，用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠、部分饮食等实时数据，并将这些数据与手机、平板电脑、ipod touch同步，通过数据指导健康生活。

图一 智能手环样图

表一 对比流行的智能手镯

智能手镯内置低功耗蓝牙4.可与手机、平板电脑、PC连接客户端，可以随时随地设置身高、体重、步幅等信息，上传运动数据。此外，智能手镯还具有社交网络共享功能，如睡眠质量、饮食、锻炼和情绪记录。

3.性能指标

3.1MCU和蓝牙模块

nRF51822是一款超低功耗无线应用(ULP wirelessapplications)多协议单芯片解决方案的设计。芯片支持BLE4.0和2.4GHZ协议栈集成了射频发射电路，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即使校准后只能达到250，振荡器的误差也是2%(30分钟/天)ppm(22秒/天)；

(2)外部晶振一般可达40ppm(3秒/天)误差很小；

蓝牙BALUN分立器件也可以使用ST定制的BAL-01D3.我们在设计中使用定制设备BAL-01D3.确保信号性能和减小板卡尺寸。注：如果更改nRF51822包装需要将定制设备型号改为BAL-02D3。

BALUN电路输出端，需要一个π形状电路（起到阻抗匹配的作用）需要根据实际情况在三个位置增加电容或电感。调整的基础是根据史密斯圆图（如下图所示）将阻抗调整到中心点，以达到最大功率输出效果。

4.过程描述

实现智能手环功能流程图：

图三 智能手环功能实现流程图

5.系统结构

智能手镯是数据连接模块运动传感器

三轴加速度传感器

电池(可充电或按钮电池)

闪存芯片

蓝牙通信模块

震动马达

指示灯或显示屏(有些可能不是)

NFC(目前只看到 Fitbit Flex有)

核心部件是：蓝牙传感器，ActiGraph体动记录仪等。其结构组成图如下：

图四 智能手镯结构图

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，主要用于测量倾斜角、惯性力、冲击和振动。测量平台倾斜角时，将重力传感器垂直放置在测量平台上。重力传感器的敏感轴应与倾斜平台的轴向一致，并在水平状态下与水平面平行，如图5所示 所示，其 中α 沿一定方向倾斜平台。由于重力加速，重力传感器的质量块g 倾斜方向上的重量α 重力传感器的输出电压发生偏移。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 输出在加速度的作用下 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

三轴加速传感器主要用于运动检测，这也是手镯的核心部件之一，其作用是步骤测量。简单地说，三轴加速器的工作原理是，当人们正常行走时，他们实际上会产生两个水平和垂直的加速度。当用户行走时，重心单脚上升，垂直方向上升，重心继续下降，加速方向。在水平方向上，迈步时向前加速，收脚时减少。用户迈步时，单脚着地重心上升，垂直方向上升，向前加速。手镯中的三轴加速器可以通过人体不同的加速度变化画出正弦曲线。以垂直加速度正弦波为例，从谷到峰再到谷是正常人的一个步伐过程，这样就可以计算出用户的步数。

图七 实现运动检测原理

6.3睡眠监测

用体动记录仪跟踪你的睡眠，监视你的小运动，以确定你是清醒、浅睡眠还是深度睡眠。

睡眠深度一般以减少身体活动和降低感觉灵敏度为衡量指标，目前很难准确测量睡眠深度。

睡眠监测是通过传感器监测人的动作，通过系统计算进行累计计算，每2分钟记录一次总值，同时记录姿势数据。通过计算来判断睡眠状态。

表二 睡眠质量判断

6.4 数据的同步

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 智能手能手环数据传输模式

7.主程序结构

图八 主程序结构流图

7.1马达模块

(1)普通电机模块

(2)线性电机模块

7.2电量检测模块

只要系统检测到电池电压，电池的电量和电压就可以映射成电池的剩余电量。电路如下：

图九 电池电压监测电路图

电电池接入时，电容器充电可以在大约半秒内完成，输出的测量电压是稳定的正确值，因此ROM电池电压需要在初始化代码中延迟一秒钟。

7.3 LED显示模块

1、LED灯光控制显示：多个LED简单地呈现指示灯的组合形式。

2、LED点阵列显示： 以LED手镯的数据信息以点阵列的形式显示：时间、步数和卡路里消耗

7.3.1 LED灯控制显示

GPIO可控制输出电平。低输出电平点亮LED，高输出电平熄灭LED。不同颜色的LED照明灯可采用不同的电压电量方式，可采用以下电压方法：

表四 LED输出电压的颜色不同

7.3.2 LED点阵列显示

首先说明LED照明条件：LED阳极接正电压，阴极接负电压，可点亮。

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，这个LED反接时，LED不会点亮，也不会损坏灯。假如有一极高阻(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:系统不能运行时，先检测时钟；偏频等问题也可以测试；

(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首先，考虑天线的匹配电路

(2)周围净空区尽可能大

(3)天线与电路附近的天线匹配GND尽量多打孔或激光孔

图十 (1#片式天线；2#天线馈端标记；3#配电路焊盘)

8.关键技术和创新点

智能手镯功能的实现和创新是其作为产品的特殊符号，下表是智能手镯的创新点和关键技术：

表五 关键技术和创新点

9.总结和展望

智能手镯的设计充分反映了技术与人类生活的互联，移动可穿戴设施与移动终端的契合也越来越突出。随着智能手机中传感器的配置和高计算能力的正常发展，可穿戴计算机技术正在迅速发展。这也使得可穿戴智能设备成为电子商务企业的下一个竞争场所。