基于單片機(jī)技術(shù)的可穿戴智能手環(huán)設(shè)計

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

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)的測量準(zhǔn)確性，延長智能手環(huán)的待機(jī)時間，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，對系統(tǒng)整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并在該基礎(chǔ)上引入移植μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)對傳統(tǒng)的計步算法進(jìn)行改進(jìn)；同時利用藍(lán)牙通信方式實現(xiàn)與Android手機(jī)的通信，并通過軟件界面將計步數(shù)顯示出來；最后對手環(huán)的計步精確度、待機(jī)功耗以及APP軟件進(jìn)行測試，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)時間方面都有很大提升，同時可很好的展示計步結(jié)果，具有一定推廣價值。

MSP430系列；可穿戴手環(huán)；計步算法；待機(jī)時間；APP界面

1 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和移動通信技術(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?？纱┐髦悄茉O(shè)備產(chǎn)品種類涵蓋多個領(lǐng)域，從兒童監(jiān)護(hù)、健康、智能服飾，再到通信領(lǐng)域等，同時還引入體能監(jiān)測、語音導(dǎo)航等多種功能?？芍悄艽┐髟O(shè)備是一種以移動互聯(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智能設(shè)備。目前，市場針對可穿戴智能設(shè)備的種類很多，智能手環(huán)就是其中一種，如三星、華為、蘋果等都相繼開發(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)化問題非常嚴(yán)重，同時智能手環(huán)的準(zhǔn)確度和待機(jī)時間成為影響用戶體驗的重要因素[1]。對此，結(jié)合上述需求，提出一種低功耗的智能手環(huán)設(shè)計方案，并通過手機(jī)APP將結(jié)果展示出來，最后驗證了方案的可行性。

2 MSP430系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)及特點

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。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

MSP430系列單片機(jī)之所以迅速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用，主要是因為以下特點[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，擁有較高的運算和處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動下的周期為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，共有一種活動模式 (AM)和五種不同等級的低功耗模式(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，如看門狗、定時器 A(TimerA)、定時器 B(TimerB)、硬件乘法器、端口1～6(P1～P6)等不同模塊，通過這些模塊的組合，可滿足不同的功能需求，大大提高了芯片實用性。其中看門狗可在程序失去控制的時候迅速復(fù)位；16位的定時器具有捕獲/比較功能，可對寄存器進(jìn)行大量的捕獲/比較；具有多個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）高效的開發(fā)環(huán)境

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

3 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計方案

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

圖2 智能手環(huán)整體硬件架構(gòu)

通過圖2看出，該智能手環(huán)設(shè)計整體包含6個不同的功能模塊，MSP430F作為主控芯片對不同的功能進(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，主要是因為該主控芯片具有以下優(yōu)勢：

（1）高性價比

MSP430F5529芯片內(nèi)擁有4個可通用串行接口，128KB閃存，8KB容量的SRAM，同時可支持、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)字信號通過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。該型號是一款低功耗以及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，同時藍(lán)牙模塊與主控芯片的通信則通過UART接口。

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

4.1 低功耗設(shè)計

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實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。同時在該智能手環(huán)的設(shè)計中，如果運行μC/OS-II，則會破壞整個系統(tǒng)運行的低功耗要求。因此在系統(tǒng)運行中，提出采用最低優(yōu)先級的任務(wù)Task_Enter LPM3（），從而讓系統(tǒng)在沒有程序運行時，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

4.2 計步算法設(shè)計

本文設(shè)計的智能手環(huán)最為主要的功能就是計算步數(shù)，從而為不同的人提供運動信息。而計步的準(zhǔn)確性除依靠精度較高的傳感器外，還必須通過軟件對得到的信號進(jìn)行處理，從而計算步數(shù)[5]。而通過西門子公司生產(chǎn)的ADXL345傳感器采集到的信號具有很大的噪音，需要通過濾波方式對信號進(jìn)行處理。對此，結(jié)合上述思路，實現(xiàn)算法設(shè)計為如圖4所示。

圖4 計步算法設(shè)計

4.3 基于Android的APP軟件設(shè)計

為進(jìn)一步提高該智能手環(huán)的用戶體驗，針對當(dāng)前用戶較多的Android手機(jī)開發(fā)了一款A(yù)PP軟件，從而讓廣大用戶通過該界面即可查看相關(guān)信息。結(jié)合當(dāng)前的計算機(jī)開發(fā)技術(shù)[6-8]，系統(tǒng)將該APP的整體框架設(shè)計為如圖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)通過藍(lán)牙方式與APP通信，用戶只需要通過點擊交互界面中所需要功能，即可完成對計步數(shù)的查詢。通過系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫還可根據(jù)用戶身高、體重、步數(shù)等對消耗的卡路里進(jìn)行計算。

5 系統(tǒng)測試

通過利用計算機(jī)技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，可以得到如圖6所示的APP開發(fā)界面。

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

圖6 智能手環(huán)APP開發(fā)界面

表1 手環(huán)計步數(shù)準(zhǔn)確度統(tǒng)計

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

表2 智能手環(huán)功耗測試統(tǒng)計

通過上述設(shè)計和實驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)無論在功能界面，還是在計步準(zhǔn)確度及功耗方面都有很大提升。

6 結(jié)束語

利用MSP430F5529芯片在低功耗和性價比方面的優(yōu)勢，設(shè)計了一款可用于智能手機(jī)的智能手環(huán)系統(tǒng)，從而讓人們通過手機(jī)即可實現(xiàn)對自己的運動步數(shù)和消耗能量進(jìn)行統(tǒng)計，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。

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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，高級工程師，主研方向：新一代移動通訊、IC設(shè)計等技術(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