陳家祺，黃詩(shī)佳，冉浩，何仁豪，張燕

（電子科技大學(xué) 成都學(xué)院，四川成都，611731）

0 引言

隨著智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，智能手環(huán)因其輕便性深受關(guān)注，但現(xiàn)有手環(huán)定位功能多依賴手機(jī)連接，無(wú)法滿足用戶輕便運(yùn)動(dòng)時(shí)的定位需求。為解決此痛點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一款不依賴手機(jī)即可獨(dú)立定位的智能手環(huán)?；诖?，本文目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款基于ESP32 和多系統(tǒng)定位模塊的自主定位智能手環(huán)，實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)軌跡定位。同時(shí)，通過(guò)添加紅外發(fā)射控制模塊，擴(kuò)展手環(huán)的家電控制功能，以滿足用戶的更多應(yīng)用需求。本設(shè)計(jì)旨在突破智能手環(huán)定位的依賴限制，拓展其應(yīng)用范圍，為智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域提供新思路。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

本文采用模塊化設(shè)計(jì)的思路，分別是主控模塊、顯示模塊、感器模塊、時(shí)鐘模塊、外部控制模塊和定位模塊。

如圖1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖所示，多個(gè)傳感器模塊獲取各項(xiàng)環(huán)境信息，電源管理模塊檢測(cè)并采集電池電壓數(shù)據(jù)，傳入ESP32 主控處理再于OLED 顯示屏展示。通過(guò)外部控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊之間的功能變換以及系統(tǒng)調(diào)節(jié)，利用RMT紅外38kHz 載波設(shè)備，發(fā)射紅外控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)紅外設(shè)備的控制。

圖1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 核心模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

為滿足智能手環(huán)系統(tǒng)整體高性能和低功耗的應(yīng)用需求，選用ESP32 PICO D4 作為主控芯片，ESP32 支持MicroPython 開(kāi)發(fā)，利用ESP32 的低功耗深度睡眠模式可以顯著減少能耗，并且周期性喚醒可以實(shí)現(xiàn)該設(shè)備低占空比，配合調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出功率，可以實(shí)現(xiàn)通信距離、數(shù)據(jù)率和功耗之間的最佳平衡。

采用中斷回調(diào)函數(shù)配合軟件去抖技術(shù)實(shí)現(xiàn)按鍵輸入控制，時(shí)鐘芯片和加速度傳感器通過(guò)發(fā)出中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鬧鐘定時(shí)、時(shí)間校準(zhǔn)、雙擊或抬手喚醒等功能的檢測(cè)，并通過(guò)RF射頻電路創(chuàng)建藍(lán)牙WiFi 主設(shè)備或者加入現(xiàn)有的藍(lán)牙和WiFi網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行對(duì)外界的控制通信，選擇的藍(lán)牙V4.2 完整標(biāo)準(zhǔn)包含了傳統(tǒng)的BR/EDR 藍(lán)牙和低功率的BLE 藍(lán)牙，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集成中斷檢測(cè)、去抖控制、無(wú)線通信為一體的智能手環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)不同模塊協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間管理、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、外部設(shè)備連接等多種功能的融合控制。

2.2 時(shí)鐘模塊

本模塊選用NXP 的PCF8563 低功耗CMOS 實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，通過(guò)I2C 進(jìn)行通訊，提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出，一個(gè)掉電檢測(cè)器，并以極低的功耗（3V 時(shí)低至0.25μA）進(jìn)行高精度走時(shí)。將時(shí)鐘芯片的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)送中斷給ESP32 主控模塊來(lái)檢測(cè)鬧鐘定時(shí)、時(shí)間校準(zhǔn)等功能。

2.3 定位模塊

定位模塊原理圖如圖2 所示，采用AIR512G 模塊、BDS 北斗模塊，AIR512G 支持北斗/GPS/GLONASS 等衛(wèi)星定位系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，精度比較高，可以10Hz 的頻率接受來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，通過(guò)串口UART 向主控傳輸NMEA0183 格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并附帶一個(gè)備用電源（法拉電容或鋰電池時(shí)），將啟動(dòng)時(shí)間縮小至10s 以下，極大提高實(shí)時(shí)性。

圖2 定位模塊原理圖

2.4 外部控制模塊

外部控制模塊電路原理圖如圖3 所示，外部控制模塊由安裝在手環(huán)側(cè)邊的2 個(gè)常開(kāi)按鍵和2 個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵組成，其中2 個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵控制分別用于控制設(shè)備電源的開(kāi)關(guān)/功能的切換，2 個(gè)常開(kāi)按鍵分別用于實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備功能的退出/進(jìn)入。

圖3 外部控制模塊電路原理圖

2.5 傳感器模塊

傳感器模塊電路原理圖如圖4 所示，傳感器模塊分別由三軸加速度計(jì)傳感器ADXL345、氣壓溫度傳感器BMP2840、光傳感器TEMT6000、地磁傳感器QMC5883組成。

圖4 傳感器模塊電路原理圖

三軸加速度計(jì)傳感器ADXL345 其分辨率較高（13 位），測(cè)量范圍達(dá)±16g，非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用通過(guò)I2C 數(shù)字接口進(jìn)行訪問(wèn)，提供兩個(gè)中斷輸出，在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度以及測(cè)量運(yùn)動(dòng)或受沖擊時(shí)的動(dòng)態(tài)加速度，其高分辨率（3.9mg/LSB）能夠測(cè)量低于1.0°的傾斜角度變化[3]?；谶\(yùn)動(dòng)的智能電源管理支持低功耗模式，以極低的功耗（3.3V 時(shí)低至30μA）進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量，采用滑動(dòng)窗口濾波形式解算+濾波，模擬3 軸陀螺儀計(jì)，實(shí)現(xiàn)水平儀的功能。

氣壓溫度傳感器BMP280 通過(guò)hypsometric 測(cè)高法，融合數(shù)據(jù)推算當(dāng)前海拔，獲取實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)。光傳感器TEMT6000 輸出環(huán)境光模擬量，通過(guò)建模獲得模擬量與人眼辨識(shí)亮度線性關(guān)系調(diào)整屏幕亮度以降低設(shè)備總功耗。地磁傳感器QMC588 測(cè)量XYZ 三軸的地磁強(qiáng)度以及航向角大小信息以實(shí)現(xiàn)指南針功能。

2.6 顯示模塊

本模塊采用分辨率為128×64 的1.3 寸OLED 屏，通過(guò)SPI 協(xié)議耗費(fèi)少量I/O 資源進(jìn)行高速通訊。采用FrameBuffer 幀緩沖區(qū)的方式，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)480Hz 的屏幕刷新率，獲得流暢的圖標(biāo)與功能切換、進(jìn)入和退出的顯示。

2.7 紅外及照明模塊

本模塊選用38kHz 紅外載波設(shè)備按照對(duì)應(yīng)編碼協(xié)議，發(fā)送特定的亮滅脈沖以控制家中紅外設(shè)備，并且編碼協(xié)議可在線下載實(shí)現(xiàn)全紅外設(shè)備平臺(tái)覆蓋。

2.8 電源控制模塊

電源管理模塊原理圖如圖5 所示，電源控制模塊由XC6206P332MR 穩(wěn)壓器、 XT4054 單片鋰離子電池恒流/恒壓線形電源管理芯片和ADS1115ADC 轉(zhuǎn)換器組成。

圖5 電源管理模塊原理圖

XT4054 電源管理芯片可以在高能量運(yùn)行和高外圍溫度時(shí)，通過(guò)負(fù)反饋控制充電電流以降低芯片溫度，同時(shí)當(dāng)充電達(dá)到目標(biāo)電壓時(shí)會(huì)自動(dòng)結(jié)束充電過(guò)程，以保護(hù)設(shè)備[4]。XC6206 穩(wěn)壓器以極低的電壓提供穩(wěn)定的大電流，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。ADS115ADC 轉(zhuǎn)換設(shè)備，進(jìn)行電池電壓檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備低電壓提醒功能。

3 測(cè)試檢驗(yàn)

3.1 測(cè)試整體思路

在測(cè)試過(guò)程中，首先連接PCB板與顯示屏接口，將ESP32 主控芯片與PC 機(jī)建立USB 連接，確認(rèn)系統(tǒng)硬件連接可靠后，通過(guò)串口調(diào)試軟件截取模塊數(shù)據(jù)，發(fā)送配置指令，并將指令存入flash，實(shí)現(xiàn)模塊自動(dòng)配置。主要對(duì)定位模塊、多傳感器模塊和顯示模塊的功能進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。

3.2 BDS 北斗定位模塊測(cè)試

目標(biāo)：驗(yàn)證北斗定位模塊的定位精度。

方法：?jiǎn)?dòng)設(shè)備，開(kāi)啟北斗定位模塊，室內(nèi)無(wú)法接收到完整數(shù)據(jù)，將模塊移至窗邊還是效果不佳，最后在開(kāi)闊區(qū)域測(cè)試，效果仍然不佳，在天線優(yōu)化后，窗口邊可接收20 顆以上衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 結(jié)果：采集到20 顆以上衛(wèi)星數(shù)據(jù)，定位效果圖如圖6 所示。

圖6 定位效果圖

3.3 顯示模塊測(cè)試

目標(biāo)：驗(yàn)證顯示模塊刷新率。

方法：解析圖像信息生成二進(jìn)制碼存入幀緩沖區(qū)，OLED 通過(guò)SPI 直接讀取顯示。

結(jié)果：顯示模塊實(shí)現(xiàn)480Hz 的高刷新率，動(dòng)畫(huà)效果流暢，顯示模塊簡(jiǎn)易實(shí)物圖如圖7 所示。

圖7 顯示模塊簡(jiǎn)易實(shí)物圖

3.4 多傳感器模塊測(cè)試

目標(biāo)：驗(yàn)證加速度計(jì)、電池電壓采集等傳感器效果。

方法：采用滑動(dòng)濾波算法濾波傳感器數(shù)據(jù)，提高穩(wěn)定性，電池電壓采用卡爾曼濾波。

結(jié)果：測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定精準(zhǔn)，指南針功能正常隨手環(huán)位置變化，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.5 紅外遙控模塊測(cè)試

目標(biāo)：驗(yàn)證紅外發(fā)射控制精度。

方法：編寫(xiě)控制代碼，向紅外發(fā)射管發(fā)送指定編碼的脈沖信號(hào)。

結(jié)果：可準(zhǔn)確控制電視、空調(diào)等家電，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

3.6 WiFi 通信模塊測(cè)試

目標(biāo)：驗(yàn)證WiFi 連接穩(wěn)定性。

方法：掃描網(wǎng)絡(luò)，連接指定路由器，發(fā)送并接收測(cè)試數(shù)據(jù)包。

結(jié)果：智能手環(huán)可穩(wěn)定連接WiFi 網(wǎng)絡(luò)，上傳下載數(shù)據(jù)正常。

總體而言，各模塊功能測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)優(yōu)化天線，解決了定位效果不佳的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了精確自主定位、家電控制等核心創(chuàng)新功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就智能手環(huán)需要依賴手機(jī)才能獲取運(yùn)動(dòng)軌跡而無(wú)法滿足輕便運(yùn)動(dòng)需求的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于ESP32 微控制器，并集成定位模塊和紅外控制模塊，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需手機(jī)即可進(jìn)行高精度獨(dú)立定位以及對(duì)家電的遠(yuǎn)程控制兩個(gè)核心功能，既可準(zhǔn)確記錄運(yùn)動(dòng)軌跡，又可提供生活便利，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)與完備功能的有效結(jié)合。