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(目前只看见 Fitbit Flex有)

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。

参考文献：

【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】王秋东，金达，徐治皋.PI数据库及其在电厂生产实时数据平台系统中的应用[J].工业控制计算机，2007，20(12)：35-37

【5】.温全刚.嵌入式系统电路的原理及应用[M].北京航空航天大学出版，2009

【6】CORBETJ，RUBINIA，KROAH-HARTMANG.Linux设备驱动程序[M].3rded.魏永明，耿岳，钟书毅，译.北京：中国电力出版社，2009.

【7】金纯，许光辰，孙睿.蓝牙技术[M].北京：电子工业出版社，2010.316-3311

【8】 朱允民.多传感器分布式统计判决[M].科学出版社，2000.

100万个奥运手环“义乌制造”，既是世界生意更是文化纽带

极目新闻评论员 吴双建

实习生 韩佳璇

随着巴黎奥运会的临近，由义乌一家工艺品公司生产的100万个巴黎奥运会官方手环也将亮相巴黎。小小的奥运手环既是世界生意，更是文化纽带。（据7月16日央视新闻报道）

相关视频报道截图

去年六月，义乌一家工艺品公司收到了来自巴黎奥运会官方手环的图稿，凭借着在包装供应链上的优势，公司提前完成打样，成功拿下了100万个奥运官方手环的“世界订单”。如今，这些手环将亮相巴黎，抢在奥运会开幕前上市。

其实，这已不是义乌第一次做“世界生意”。据公开报道显示，卡塔尔世界杯期间，从32强旗帜到喇叭、哨子，从足球到球衣、围巾，再到大力神杯的摆件和抱枕，“义乌制造”几乎占到了整个世界杯周边商品市场份额的70%。

“义乌制造”能够一次次赢得世界性赛事的青睐，正源自“中国制造”不断提升的品质与品牌。小商品背后也有大技术，如今的义乌坚持“兴商建市”“贸工联动”，不断推动工艺技术进步革新，生产出的商品兼具效率与品质。义乌不仅是推动中国商品走向世界的重要门户，更逐渐成为见证“中国制造”迭代升级的世界窗口。

除了开展世界生意，义乌还是链接中国与世界的文化纽带。作为世界超市，“尊重、包容、开放、融洽”是不少外国商人对义乌的共同评价，成为来自不同国家的人选择留在义乌的重要原因，义乌一社区甚至还有着“联合国社区”之称。这座浙中小城正被多种多样的文化元素交织，以充满活力的面貌向世界讲述着中国故事。

从义乌开出的“义新欧”班列，搭载着太阳能光伏板、智能设备等货物，奔驰在“一带一路”沿线。班列源源不断地用中国商品惠及沿线国家与地区，也满载着一批批“洋货”而归，为不少中国商人创造了致富的“东风”。高效畅通的国际物流运输网络不仅为全球商品流通搭建了坚实的桥梁，更为维护全球产业链供应链稳定贡献出了一份中国力量，成为连接东西方的一座“金桥”。

当“义乌制造”跨越国界，送到世界各地人们的手中，也正悄然成为世界人民了解中国、认识中国的重要途径之一。正如义乌生产奥运手环的公司负责人所说：“不同语言、不同国家的人戴着这个手环，我们自己看到也会很骄傲，因为这个就是我们义乌做的。看到他们戴着内心也感到自豪，小小的手环也是文化的一种纽带。”每一个小商品都承载着大梦想，蕴含着中国制造业的蓬勃生机，让世界感受到中国人民的智慧与勤劳。

从浙江义乌，到中国义乌，再到世界义乌。义乌正以它独有的方式，讲述着中国与世界紧密相连、共同发展的美好未来。

（来源：极目新闻）

更多精彩资讯请在应用市场下载“极目新闻”客户端，未经授权请勿转载，欢迎提供新闻线索，一经采纳即付报酬。24小时报料热线027-86777777。

相关问答

关于极氪007的制造成本,我不太清楚具体的数字,可以大致给你介绍一下。极氪007是一款高端的智能手环,它具有多项功能和技术,包括健康监测、运动追踪、通知提...

[回答]为了给玩具手机提供充足的电源,在电池盒盖11的内侧设置有电池,本实施例中,优选的,电池盒盖11的内侧设置有电池。为了方便调节手环4的大小,在手环4的...

[回答]通过推广希望您可以关注到手环的产品介绍并致电咨询;手环简介手环是一种配饰,在不同时期不同场合对于不同的人物具有不同的意义。市场上有各种材质,...

口罩做成戒指和手环需要经过一系列的加工处理,首先需要将口罩剪成合适的大小和形状,然后进行清洗消毒。接着,选择适合口罩材料的金属或塑料材质,将口罩包覆...

华为B7手环上市日期是在2020年11月3日正式上市的。华为手环B7配备1.47英寸AMOLED臻彩全面屏,正面采用无按键设计。华为手环7最具突破性的升级点是配备了1.47...

[最佳回答]B解答本题,容易排除C、D,关键是要区分清楚A和B。生产全球化强调同一产品的不同生产环节分属不同的国家或地区,贸易全球化强调的是产品的跨国交易。...

手环的时间误差可能有以下几个原因:1.系统时间同步延迟:手环的时间是通过连接手机或电脑来同步的,如果同步过程中出现延迟,手环的时间就会有一定的误差。2...

华为b7手环上市的时间是2022年8月份。其运动记录功能可以记录步数、跑步、骑行等多种运动方式,精准测量运动数据,让使用者更好地管理自身的运动状态。通知提...

[最佳回答]目前，包括智能手环、智能手表在内的智能可穿戴设备悄然兴起...

根据我所了解,ifvfvi手环是中国制造的。中国是全球最大的制造业国家之一,拥有先进的制造技术和设备,以及丰富的劳动力资源。许多国际知名品牌都选择在中国生产...