鐘 晨

（惠州市德賽工業(yè)發(fā)展有限公司，惠州516000）

基于單片機(jī)技術(shù)的可穿戴智能手環(huán)設(shè)計(jì)

鐘 晨

（惠州市德賽工業(yè)發(fā)展有限公司，惠州516000）

為提高可穿戴手環(huán)的測(cè)量準(zhǔn)確性，延長(zhǎng)智能手環(huán)的待機(jī)時(shí)間，提出一種基于MSP430超低功耗芯片的智能穿戴手環(huán)系統(tǒng)。結(jié)合MSP430系列芯片的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在該基礎(chǔ)上引入移植μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)步算法進(jìn)行改進(jìn)；同時(shí)利用藍(lán)牙通信方式實(shí)現(xiàn)與Android手機(jī)的通信，并通過(guò)軟件界面將計(jì)步數(shù)顯示出來(lái)；最后對(duì)手環(huán)的計(jì)步精確度、待機(jī)功耗以及APP軟件進(jìn)行測(cè)試，并與目前主流產(chǎn)品進(jìn)行比較，表明在準(zhǔn)確度和待機(jī)時(shí)間方面都有很大提升，同時(shí)可很好的展示計(jì)步結(jié)果，具有一定推廣價(jià)值。

MSP430系列；可穿戴手環(huán)；計(jì)步算法；待機(jī)時(shí)間；APP界面

1 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，可穿戴智能設(shè)備發(fā)展迅速，并成為當(dāng)前行業(yè)研究的熱點(diǎn)?？纱┐髦悄茉O(shè)備產(chǎn)品種類涵蓋多個(gè)領(lǐng)域，從兒童監(jiān)護(hù)、健康、智能服飾，再到通信領(lǐng)域等，同時(shí)還引入體能監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音導(dǎo)航等多種功能。可智能穿戴設(shè)備是一種以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，具有高性能、低功耗的智能電子設(shè)備，區(qū)別于手機(jī)，而體現(xiàn)出的是一種可穿戴物品。其借助通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等與人體進(jìn)行交互，是在全新的理念下誕生的一款移動(dòng)智能設(shè)備。目前，市場(chǎng)針對(duì)可穿戴智能設(shè)備的種類很多，智能手環(huán)就是其中一種，如三星、華為、蘋(píng)果等都相繼開(kāi)發(fā)出了智能手環(huán)，成為當(dāng)前行業(yè)研究的標(biāo)桿。但研究認(rèn)為在智能手環(huán)領(lǐng)域，產(chǎn)品的同質(zhì)化問(wèn)題非常嚴(yán)重，同時(shí)智能手環(huán)的準(zhǔn)確度和待機(jī)時(shí)間成為影響用戶體驗(yàn)的重要因素[1]。對(duì)此，結(jié)合上述需求，提出一種低功耗的智能手環(huán)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)手機(jī)APP將結(jié)果展示出來(lái)，最后驗(yàn)證了方案的可行性。

2 MSP430系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 MSP430單片機(jī)結(jié)構(gòu)

隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以STM32、MSP430、ARM9等為代表的微處理器成為當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)。其中，MSP430作為一種16位微控制器，在微處理器中擁有較高的性價(jià)比。目前，隨著MSP430芯片的不斷改進(jìn)，已經(jīng)形成擁有MSP430x11～MSP430x55不同系列在內(nèi)的產(chǎn)品組合，可用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MSP430x55xx引腳圖

2.2 MSP430單片機(jī)特點(diǎn)

MSP430系列單片機(jī)之所以迅速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)橐韵绿攸c(diǎn)[2]：

（1）強(qiáng)大的處理能力

MSP430系列是由TI公司推出的一款16位的低功耗單片機(jī)，采用RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、27條強(qiáng)大內(nèi)核指令，擁有較高的運(yùn)算和處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下的周期為125ns，從而大大提高了編程效率。

（2）低功耗

MSP430系列單片機(jī)之所以具有超低的功耗，原因在于其擁有不同的工作模式。在芯片中，共有一種活動(dòng)模式 (AM)和五種不同等級(jí)的低功耗模式(LPMO～LPM4)，從而滿足不同狀態(tài)下的功能需求。而在等待情況下，最低用電可達(dá)0.1uA。

（3）豐富的外圍模塊

MSP430系列單片機(jī)擁有豐富的外圍功能，如看門(mén)狗、定時(shí)器 A(TimerA)、定時(shí)器 B(TimerB)、硬件乘法器、端口1～6(P1～P6)等不同模塊，通過(guò)這些模塊的組合，可滿足不同的功能需求，大大提高了芯片實(shí)用性。其中看門(mén)狗可在程序失去控制的時(shí)候迅速?gòu)?fù)位；16位的定時(shí)器具有捕獲/比較功能，可對(duì)寄存器進(jìn)行大量的捕獲/比較；具有多個(gè)I/O端口，最多可達(dá)到6*8條不同的I/O口線。由此，這些功能為系統(tǒng)解決方案提供了極大方便。

（4）高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境

在對(duì)MSP430進(jìn)行開(kāi)發(fā)中，只需要借助一臺(tái)電腦和一個(gè)JTAG調(diào)試器，并通過(guò)JTAG接口即可對(duì)程序編程、調(diào)試，大大方便開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)需要。

3 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合MSP430芯片特點(diǎn)和智能手環(huán)的功能需求，將該系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖2所示。

圖2 智能手環(huán)整體硬件架構(gòu)

通過(guò)圖2看出，該智能手環(huán)設(shè)計(jì)整體包含6個(gè)不同的功能模塊，MSP430F作為主控芯片對(duì)不同的功能進(jìn)行控制。

3.1 主控芯片選擇

本文選擇當(dāng)前最新的MSP430F5529作為主處理器，主要是因?yàn)樵撝骺匦酒哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：

（1）高性價(jià)比

MSP430F5529芯片內(nèi)擁有4個(gè)可通用串行接口，128KB閃存，8KB容量的SRAM，同時(shí)可支持、I2C、SPI和UART接口。

（2）低功耗

該芯片內(nèi)擁有兩種功耗模式，一種為激活模式，一種是待機(jī)模式，而在待機(jī)模式下，該芯片的功耗可低至2.1KA。

3.2 三軸加速度傳感器

三軸加速度選擇由西門(mén)子公司生產(chǎn)的ADXL345傳感器[3]，該傳感器內(nèi)置A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而可將搜集到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)SPI或者接口方式輸出，輸出范圍為：±2g、±4g、±8g、±16g，其中g(shù)表示地球引力加速度。

3.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊結(jié)合系統(tǒng)的低功耗需求，選擇CC2541型號(hào)。該型號(hào)是一款低功耗以及2.4GHz的功率優(yōu)化片載系統(tǒng)解決方案[4]。具有出色的RF收發(fā)器和可編程的8051MCU、8KB容量大小的RAM連接，從而使其具有功能強(qiáng)大、低功耗等特點(diǎn)，同時(shí)藍(lán)牙模塊與主控芯片的通信則通過(guò)UART接口。

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

4.1 低功耗設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高M(jìn)SP430F5529芯片的工作效率，本文在芯片上移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。同時(shí)在該智能手環(huán)的設(shè)計(jì)中，如果運(yùn)行μC/OS-II，則會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的低功耗要求。因此在系統(tǒng)運(yùn)行中，提出采用最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)Task_Enter LPM3（），從而讓系統(tǒng)在沒(méi)有程序運(yùn)行時(shí)，直接進(jìn)入到待機(jī)模式。具體調(diào)度程序如圖3所示。

圖3 μC/OS-II系統(tǒng)下的任務(wù)調(diào)度程序設(shè)計(jì)

4.2 計(jì)步算法設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能手環(huán)最為主要的功能就是計(jì)算步數(shù)，從而為不同的人提供運(yùn)動(dòng)信息。而計(jì)步的準(zhǔn)確性除依靠精度較高的傳感器外，還必須通過(guò)軟件對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行處理，從而計(jì)算步數(shù)[5]。而通過(guò)西門(mén)子公司生產(chǎn)的ADXL345傳感器采集到的信號(hào)具有很大的噪音，需要通過(guò)濾波方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。對(duì)此，結(jié)合上述思路，實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)為如圖4所示。

圖4 計(jì)步算法設(shè)計(jì)

4.3 基于Android的APP軟件設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高該智能手環(huán)的用戶體驗(yàn)，針對(duì)當(dāng)前用戶較多的Android手機(jī)開(kāi)發(fā)了一款A(yù)PP軟件，從而讓廣大用戶通過(guò)該界面即可查看相關(guān)信息。結(jié)合當(dāng)前的計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)[6-8]，系統(tǒng)將該APP的整體框架設(shè)計(jì)為如圖5所示。

圖5 智能手環(huán)APP整體框架

在該APP框架中，智能手環(huán)通過(guò)藍(lán)牙方式與APP通信，用戶只需要通過(guò)點(diǎn)擊交互界面中所需要功能，即可完成對(duì)計(jì)步數(shù)的查詢。通過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)還可根據(jù)用戶身高、體重、步數(shù)等對(duì)消耗的卡路里進(jìn)行計(jì)算。

5 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以得到如圖6所示的APP開(kāi)發(fā)界面。

同時(shí)為驗(yàn)證該手環(huán)設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，分別選取4個(gè)不同的人對(duì)其在1分鐘內(nèi)的步數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如表1所示的誤差結(jié)果。

圖6 智能手環(huán)APP開(kāi)發(fā)界面

表1 手環(huán)計(jì)步數(shù)準(zhǔn)確度統(tǒng)計(jì)

同時(shí)，對(duì)該智能手環(huán)的功耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到表2所示的結(jié)果。

表2 智能手環(huán)功耗測(cè)試統(tǒng)計(jì)

通過(guò)上述設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)無(wú)論在功能界面，還是在計(jì)步準(zhǔn)確度及功耗方面都有很大提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用MSP430F5529芯片在低功耗和性價(jià)比方面的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一款可用于智能手機(jī)的智能手環(huán)系統(tǒng)，從而讓人們通過(guò)手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)自己的運(yùn)動(dòng)步數(shù)和消耗能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，大大提高了智能化技術(shù)的應(yīng)用水平，為智能化的深入推廣提供了參考。

[1] 李易陸,陳洪波,蔣曉旭,李騰生,馮思浩.基于三軸加速度傳感器的人機(jī)交互智能手環(huán)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015，35(5):412-415.Li Yilu,Chen Hongbo,Jiang Xiaoxu.Li Tengsheng,Feng Sihao,Human computer interaction intelligent hand ring based on three axis acceleration sensor[J].Journal of Guilin University of Electronic Technology,2015(5):412-415.

[2] 何婷婷,郭建強(qiáng),李游,李芳,殷凱.基于MSP430單片機(jī)的光電跟蹤伺服系統(tǒng)的研究 [J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013（16）:143-145，148.He Tingting,Guo Jianqiang,Li You,Li Fang,Yin Kai.Research on the photoelectric tracking servo system based on MSP430 MCU[J].modern electronic technology,2013（16）:143-145，148.

[3] 李興法，尹冠飛．?dāng)?shù)字式加速度傳感器ADXL345的原理及應(yīng)用[J]．黑龍江科技信息，2010（36）：2-14．Li Xingfa,Yin Yin.Principle and application of digital acceleration sensor [J].ADXL345 Heilongjiang science and technology information,2010(36):2-14.

[4] 陳銀溢.基于CC2541和LIS3DSH的計(jì)步器設(shè)計(jì) [J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2014(6):96-98.Chen Yinyi.CC2541 and LIS3DSH [J].pedometer design of mechanical engineering and automation,based on the 2014(6):96-98.

[5] 謝如花.步數(shù)檢測(cè)方法及在手腕式計(jì)步器中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.Xie flowers.The step detection method and its application in the wrist pedometer[D].Lanzhou:LanZhou JiaoTong University,2013

[6] 楊慧亮，孫怡寧，李丹，等．基于Android手機(jī)平臺(tái)的人體能耗檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［J］．儀表技術(shù)，2013(7)：13-16．Yang Huiliang,Sun Yining,Li Dan,et al.Research and development of the human body energy consumption detection system based on Android mobile phone platform[J].Meter technology,2013(7):13-16.

[7] 韓文智,駱文亮.Android平臺(tái)的移動(dòng)APP開(kāi)發(fā)方法與應(yīng)用研究 [J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2015(3):22-26.Han Wenzhi,Luo et al.mobile APP development platform Android and its application[J].Journal of Sichuan University of Science and Engineering (NATURAL SCIENCE EDITION),2015,38(3):22-26.

[8] 王柯,馬宏斌.一種基于Android平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪與空間地理信息,2014(10):29-32.Wang Ke，Ma Hongbin.Design and implementation of a data acquisition system based on Android platform[J].mapping and spatial geographic information,2014,(10):29-32.

Design on Wearable Smart Bracelet Based on Single Chip Technology

Zhong Chen
（The DESAY Industry Development of Huizhou Co.,Ltd.,Huizhou 516000,China）

In order to improve the measurement accuracy of wearable bracelet and extend the standby time of smart bracelet，a main controller based on MSP430 ultra low power consumption chip is proposed.Combined with the characteristics of MSP430 series chips，the system architecture is designed and the C/OS-II system is introduced to improve the traditional algorithm.Finally，the step precision and standby power consumption of the bracelet are tested，compared with the current mainstream products，it has a certain application value because of a great improvement in terms of accuracy and standby time.

MSP430 series；Wearable bracelet；Step algorithm；Standby time；APP interface

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.016

TN919.5

A

1002-2279-（2017）03-0075-04

鐘晨（1967-），男，廣東省龍川市人，博士研究生，高級(jí)工程師，主研方向：新一代移動(dòng)通訊、IC設(shè)計(jì)等技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的軟件、系統(tǒng)集成等核心技術(shù)的研究。

2016-09-26