張晴，鄧軍，張娟，張妤婕，楊丹妮，閆夢真

（南京師范大學(xué)中北學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212300）

1 概述

■1.1 國內(nèi)外研究背景

國外：到2014 年底之前，智能手環(huán)的產(chǎn)品類型已經(jīng)超過50 多種，在全球市場中，智能手環(huán)對(duì)外出貨量達(dá)到年均1300 萬只。據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)測，截止到2017 年底，智能手環(huán)對(duì)外年出貨量將會(huì)突破到3600 萬只。

國內(nèi)：我國智能手環(huán)自2013年開始出現(xiàn)，市場發(fā)展迅速，出現(xiàn)了華為、榮耀、三星以及小米等為主導(dǎo)的國內(nèi)電子市場，目前位列關(guān)注榜前15的幾乎都是國產(chǎn)品牌，國內(nèi)手環(huán)市場進(jìn)一步開拓。

國內(nèi)手環(huán)的類型主要有榮耀手環(huán)，其功能是全觸控操作，可以血氧檢測、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、睡眠監(jiān)測、擁有健康數(shù)據(jù)系統(tǒng)；小米手環(huán)，其主要功能是智能語音、游泳監(jiān)測、鬧鐘、多運(yùn)動(dòng)模式、卡路里消耗；華為運(yùn)動(dòng)版手環(huán)，主要功能即為運(yùn)動(dòng)監(jiān)測；蘋果智能手環(huán)，主要功能跟其他手環(huán)不同，它可以支持第三方應(yīng)用下載，簡單直接地解鎖電腦，可以配合Airpods 使用聽歌，在沒有手機(jī)的情況下，也能進(jìn)行收發(fā)微信、接打電話的操作[1]。

■1.2 設(shè)計(jì)思路及創(chuàng)新點(diǎn)

市場現(xiàn)有手環(huán)的功能對(duì)于老人來說使用較復(fù)雜且針對(duì)性不強(qiáng)，結(jié)合問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，我們對(duì)于手環(huán)的交通出行功能做了提升，以定位功能為基礎(chǔ)，延伸出一鍵叫車及到站提醒功能。

2 總體技術(shù)方案

■2.1 非接觸式IC 卡系統(tǒng)

該手環(huán)采用Mifare S50 射頻薄卡飛利浦(NXP)原裝IC芯片，這種芯片的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，操作方便,加密性能好，快速的防沖突機(jī)制。

刷卡功能實(shí)現(xiàn)方式：LC 諧振電路。IC 芯片主要用于存儲(chǔ)信息，感應(yīng)天線用于充電和通信。它具體的工作原理如下：在卡內(nèi)形成的LC 串聯(lián)諧振電路中，其接收來自射頻讀寫器發(fā)出的固定頻率電磁波組，電磁波頻率與讀寫器發(fā)射頻率一致，電路受到電磁波的激勵(lì)作用共振產(chǎn)生電荷，使卡內(nèi)的電容攜帶電荷；在電荷的對(duì)面連接一個(gè)單向?qū)娮颖?，把這個(gè)泵作為橋梁，將電容內(nèi)的電荷運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)電容內(nèi)并存儲(chǔ)，當(dāng)這個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)的電壓超過2V 時(shí)，這個(gè)電容可當(dāng)做電源，在電路中提供工作電壓，向外發(fā)送卡內(nèi)數(shù)據(jù)的同時(shí)也能夠接收來自讀寫器的數(shù)據(jù)。

圖1 IC 卡電路

■2.2 定位子系統(tǒng)

定位電子手環(huán)一般采用兩種定位方式，即GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)和LBS 基站定位。本手環(huán)設(shè)計(jì)方案采用GPS 定位芯片UBLOX 7020，其可靠性較高、體積小，可以對(duì)定位者準(zhǔn)確定位，確定距離，并且不會(huì)輕易透露出定位者的定位情況。

■2.3 電池選型

該手環(huán)采用SR626 電池，該電池容量大、性價(jià)比較高、使用壽命長且被廣泛應(yīng)用，相較于一般電池直徑更小，滿足設(shè)計(jì)中微型的需求。不管在高溫還是低溫時(shí)，電池表現(xiàn)都非常良好，超過市面上大多數(shù)的汞鋅電池。

■2.4 到站震動(dòng)功能

該手環(huán)采用0820 扁平馬達(dá)，它的優(yōu)點(diǎn)是體積小并且重量輕、平面上是徑向或周向旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡單、噪音較低且功耗小、震動(dòng)的感覺強(qiáng)烈、擁有很強(qiáng)的可靠性且響應(yīng)時(shí)間很短。

圖2 GPS 電路圖

到站震動(dòng)的功能主要是通過震動(dòng)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，考慮到設(shè)計(jì)手環(huán)的輕便性，微型的震動(dòng)馬達(dá)就是我們的最優(yōu)選擇。微型震動(dòng)馬達(dá)是直流有刷電機(jī)的一種，電機(jī)軸的上方存在一個(gè)偏心輪，在馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，偏心軸的圓心偏離電機(jī)的轉(zhuǎn)心，導(dǎo)致馬達(dá)一直在不平衡的情況下工作，再由于慣性的作用發(fā)生震動(dòng)[2]。

■2.5 到站提醒功能

這一功能為本系統(tǒng)核心模塊，控制件采用STC89C52型8 位單片機(jī)[3]，電路如圖3 所示，通過設(shè)定的程序?qū)⑿畔⑽淖肿x取后在液晶屏上顯示出來，人們即可獲得所需的站臺(tái)數(shù)和站名信息，并通過按鍵控制手環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行下一步操作。

圖3 手環(huán)控制系統(tǒng)電路

語音功能采用的是ISD1730 芯片，這種芯片包含了新信息提示、多信息管理系統(tǒng)以及雙運(yùn)作模式等，還有可定制的信息操作指示音效。芯片的內(nèi)部包括麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、自動(dòng)增益控制、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線路、振蕩器與內(nèi)存等的全方位整合系統(tǒng)功能?？刂品绞接袃煞N，分別是錄音輸入方式、放音輸出方式；在信息處理方面該芯片可以處理255 段或以上的信息；其工作狀態(tài)顯示是非常多樣的；它有很多種錄放時(shí)間，而每一種錄放時(shí)間都有著相對(duì)應(yīng)的采樣頻率；這種芯片的音質(zhì)較其他芯片比較突出，電壓的范圍相對(duì)廣一些，應(yīng)用比較靈活，相對(duì)于市場上其他的芯片來講，它的性價(jià)比是最高的[4]。

語音信號(hào)會(huì)在系統(tǒng)進(jìn)行語音錄制時(shí)，通過電路送給語音合成電路中的語音芯片，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)字化的信息儲(chǔ)存到存儲(chǔ)芯片里，就此建立語音庫。語音功能采用ISD1730 語音芯片設(shè)計(jì)錄放電路，其綜合性能更強(qiáng)，語音的錄制和播放均由按鍵直接進(jìn)行控制，電路的穩(wěn)定性和可靠程度都很高，符合設(shè)計(jì)需求，語音功能電路如圖4 所示。

圖4 語音提示模塊

采用4 個(gè)按鍵開關(guān)來選擇電路當(dāng)前的執(zhí)行狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 功能選擇電路

如流程圖6 所示，當(dāng)程序開始后，系統(tǒng)開始初始化，While（1）其中1 代表一個(gè)常量表達(dá)式，它永遠(yuǎn)不會(huì)等于0，所以循環(huán)會(huì)一直執(zhí)行下去。執(zhí)行以下循環(huán)：若按下鍵達(dá)到目的，此時(shí)液晶顯示清屏，若沒有達(dá)到目的，則繼續(xù)按鍵，此時(shí)液晶顯示此站及下一站、語音播報(bào)此站及下一站，若還未達(dá)到目的，則繼續(xù)按鍵，此時(shí)液晶顯示此站及上一站、語音播報(bào)此站及上一站，若目的仍未達(dá)到，則重新繼續(xù)上述循環(huán)直到達(dá)到目的。

圖6 設(shè)計(jì)流程圖

按照程序流程圖，編寫程序如下：

■2.6 一鍵叫車系統(tǒng)

該手環(huán)提供了一種新型的網(wǎng)約車一鍵呼叫器，這種呼叫器內(nèi)設(shè)有信號(hào)觸發(fā)器、信號(hào)收發(fā)裝置、存儲(chǔ)裝置以及信號(hào)顯示裝置，它們的主要功能分別為：觸發(fā)預(yù)約的需求、傳輸預(yù)約需求、儲(chǔ)存預(yù)約需求和反饋預(yù)約需求。該裝置的表面設(shè)有一個(gè)呼叫按鈕，人們可以通過選擇按鈕來發(fā)出出行的指令。其呼叫器內(nèi)部設(shè)有藍(lán)牙模塊，解決了呼叫器與移動(dòng)通訊設(shè)備間的信號(hào)傳輸，其呼叫器上還設(shè)有信號(hào)顯示裝置，出行人可以直觀的了解網(wǎng)約車目前的狀態(tài)。

圖7 一鍵叫車功能流程圖

■2.7 手環(huán)外觀

市面上大多數(shù)的智能手環(huán)采用的都是醫(yī)用橡膠材質(zhì)，無毒無味，天然無害，我們智能手環(huán)的主體選取的也是醫(yī)用橡膠材質(zhì)，考慮到該手環(huán)的主要受眾群體是老人，相較于別的外觀獨(dú)特且復(fù)雜的智能手環(huán)，我們手環(huán)的外觀設(shè)計(jì)相對(duì)簡約，但卻又不失時(shí)尚感，我們?cè)谑汁h(huán)的兩端設(shè)有卡鎖，使佩戴者戴起來更加舒適。

圖8 手環(huán)外觀及功能模塊

在該智能手環(huán)的內(nèi)置區(qū)設(shè)有震動(dòng)馬達(dá)、GPS 芯片、續(xù)航時(shí)間較長的紐扣電池，和一個(gè)配合交通乘運(yùn)設(shè)備使用的IC 芯片，外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)置區(qū)的芯片配合，在處理器的支撐下發(fā)揮各自的作用，使手環(huán)能夠正常運(yùn)作。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案是在調(diào)研老人出行需求的基礎(chǔ)上提出的，增加了一鍵叫車等功能，具有較強(qiáng)的功能針對(duì)性和使用性，結(jié)合其他功能型手環(huán)的設(shè)計(jì)方案，選擇采用適合于本系統(tǒng)的功能芯片，并設(shè)計(jì)了各功能的電路，具有可行性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。