1、跑步練習智能手環總體設計方案撰寫：劉述亮、陳定罡、陳東、于旺、李進科大創客空間UESTCMAKERSPACE科大創客空間2021年11月目錄1、需求分析31.1 工程背景31.2 工程需求及關鍵技術點32、跑步練習智能手環總體設計42.1 設計原那么42.2 系統總體架構43、實現方案及關鍵技術63.1 整體設計63.2 嵌入式主控系統設計63.3 電源模塊設計63.4 北斗定位模塊63.5 脈搏、血氧檢測模塊設計83.5.1 脈搏、血氧檢測原理83.5.2 近紅外發射模塊83.5.3 光電二極管93.5.4 現有應用103.6 指南針模塊設計103.7 手環解開檢測模塊設計113.8 GSM

2、GPRS通信模塊設計123.9 人機界面設計133.10 跑步路程計算算法設計143.10.1 路徑直線差值求和法143.10.2 路徑曲線擬合積分法153.10.3 基于路徑的位置匹配路程計算法173.11 數據治理終端174、手環結構設計184.1 手環結構布局184.2 手環材料選擇194.3 手環外殼加工工藝194.4 手環效果圖205、關鍵技術總結及改良方案211、需求分析1.1 工程背景生命在于運動,而跑步鍛煉是人們最常采用的一種身體鍛煉方式.通過跑步到達強身健體的作用也要講求科學鍛煉.運動強度缺乏達不到鍛煉的效果,運動過度容易導致運動損傷,甚至出現過度運動猝死.為了使跑步練習更加

3、精確化定量化,對跑步練習過程中,跑步的時間、速度、路程、心率、血氧飽和度的測量反響就非常關鍵.特別是針對群體跑步練習的反饋和數據分析對于整體的練習具有很強的指導性.隨著可穿戴設備和智能硬件的開展,越來越多功能應用都可以通過可穿戴智能設備實現.通智能手環來監控反響跑步練習的參數,使得跑步練習更加科學化.1.2 工程需求及關鍵技術點跑步練習智能手環集成有北斗定位模塊,能夠得到跑步練習者在不同時刻的位置,通過記錄的位置時間信息便可以得到跑步練習者的速度,跑步的路程、心率、血氧等信息.再通過GSMGPRS通信將數據傳到后臺效勞器,進行進一步的治理分析,便于反響和調整使得練習更加科學化.在集體練習中還可

4、通過手環解開檢測來預防作弊以及手環喪失.本手環初步應用的于集體練習,練習工程包括：5公里長跑、400m障礙跑、100折返跑、100游泳.練習場地既可以是固定練習場地和野外.因此教練需要配備專門的手持式便攜數據治理終端,能夠通過GSMGPRS網絡通信,攜帶方便,不受因特網限制.方便教練及時了解練習成員的所有信息情況.在臨時斷電斷網,或者無網絡信號的地方正常使用.跑步練習智能手環主要完成以下功能：1北斗定位,跑步路程精確計算；2脈搏檢測3血氧檢測4指南針功能5手環解開檢測6通過GSMGPRS與后臺效勞器通信；7通過人機接口設置手環的工作模式,包括：5公里長跑、400m障礙跑、100折返跑、100游

5、泳；8顯示跑步練習的相關參數,如跑步速度、路程、時間；9報警提示,提示運動過度、犯規等數據治理效勞終端功能：1能夠接收各個練習手環返回的數據,數據包括手環的佩戴者、參加的練習工程、進度、成績、犯規情況、脈搏血氧等生理狀體.2能夠及時對犯規以及其他突發情況進行報警,提示教練；3對成績進行計入存儲治理查詢；4能夠將數據備份到電腦上傳云端,便于進一步保存治理數據.其中對跑步路程的精確計算、脈搏檢測和血氧檢測是本工程的關鍵難點.是決定手環是否有實用價值的決定條件.2、跑步練習智能手環總體設計2.1設計原那么跑步練習智能手環主要應用于室外集體跑步練習,室外天氣、氣溫不定,跑步練習者有可能摔倒碰撞.根據以

6、上特點,在研發和設計跑步練習智能手環時,需遵循如下原那么：1體積小,重量輕,佩戴舒適；2功耗低、待機時間長、一次充電使用時間長,方便充電；3能防水、對溫度適應性強；4操作簡單、顯示界面人性化；5和后臺通信穩定可靠；2.2系統總體架構2.0所以的跑步練習智能手環系根據用戶的需求和跑步練習智能手環工作實際,給出圖統及數據治理終端整體結構圖.外部電源數據治理終端電源模8K入式主控系統人機塊GSMGPRSjSf=模塊界面后臺救據庫外部電源GSfAGPRS通信模塊A機界面跑步訓1練電源搏氧.脈血一指南GPS定模塊測塊檜模決位模塊智能手環森入式主控系統圖2.0跑步練習智能手環及數據治理終端整體圖框跑步練習

7、手環系統組成：A.嵌入式主控系統：采用STM32F103作為主控,采用ucos操作系統.B.電源模塊：采用鋰電池作為手環的電源供給,充電模塊負責給電池充電；電源治理模塊負責,電池保護,包括過充保護、過放電保護、欠壓報警.C.北斗定位模塊：跑步路程精確計算；D.脈搏、血氧檢測模塊：采用660nm&880nm近紅外LED,向手腕組織發射紅外脈沖.用BPW34光電二極管接受手腕反射回來的紅外脈沖信號.實現脈搏檢測和血氧檢測.同時實現手環解開檢測.只有手環檢測到正常脈搏信號時才正常工作.E.指南針模塊：采用HMC5883L三軸數字羅盤,實現指南針功能.F.手環解開檢測模塊：如果利用脈搏檢測模塊

8、不能可靠實現手環解開檢測,可以采用開關型A3144E霍爾傳感器,檢測在使用過程中手環是否解開.預防作弊或者手環喪失.G.GSMGPRS通信模塊：采用SIM900A實現與數據治理終端通信.選用5元GPRS流量年卡.H.人機界面：采用貼片輕觸按鈕(3*6*2.5mm)作為開機、功能選擇按鈕.用1.5寸OLED液晶屏作為顯示界面.顯示功能模式、信號、跑步距離、速度、時間、是否犯規.采用蜂鳴器進行報警提示.人機接口構成如圖2.1圖2.1跑步練習智能手環人機接口功能圖框數據治理終端系統組成：A.嵌入式主控系統：采用STM32F429作為主控,自帶硬件液晶屏驅動,采用ucos操作系統.B.電源模塊：采用鋰

9、電池作為手持式便攜數據治理終端電源供給,充電模塊負責給電池充電；電源治理模塊負責,電池保護,包括過充保護、過放電保護、欠壓報警.C.GSMGPRS通信模塊：采用SIM900A實現與練習手環通信.選用5元GPRS流量年卡.D.人機界面：用7寸液晶觸摸電容屏作為顯示操作界面.用于查詢顯示參與練習手環返回的所有.3、實現方案及關鍵技術3.1 整體設計根據跑步練習智能手環的使用環境與任務要求,跑步練習智能手環主要包括：嵌入式主控系統、電源模塊、北斗定位模塊、脈搏血氧檢測模塊、指南針模塊、手環解開檢測模塊、SMGPRS通信模塊、人機界面、手環外殼.3.2 嵌入式主控系統設計嵌入式主控采用STM32F10

10、3C8T6作為處理器,采用實時操作系統科C/OS-II.STM32是基于ARMCortex-M3內核的32位處理器,具有杰出的功耗限制以及眾多的外設,最重要的是其性價比.圖3.1STM32F103C8T63.3 電源模塊設計本手環采用4.7v鋰電池供電.北斗定位模塊采用3.3V供申.GSM/GPRS模塊采用3.8V供電.采用REG117-3穩壓芯片為系統供3.3V電壓.用STM32進彳TAD采樣對電池過充和欠壓進行治理.3.4 北斗定位模塊北斗衛星導航系統BeiDouNavigationSatelliteSystem,英文縮寫BDS是中國正在實施的自主開展、獨立運行的全球衛星導航系統.系統建設

11、目標是：建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠的覆蓋全球的北斗衛星導航系統,促進衛星導航產業鏈形成,形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保證體系,推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用.從功能選擇上,和支撐我國自主定位產業開展角度考慮我們選擇了北斗定位系統,為手環定位.采用VK1612A9M3模塊.VK1612A9M3BeiDou模塊是一個完整的衛星定位接收設備,具備全方位功能,能滿足與業定位的嚴格要求.體積小巧,可以裝置在汽車內部任何位置,低功耗,能適應個人用戶的需要.該產品采用了新-代ARK699低功耗芯片,超高靈敏度,在城市峽谷、高架下等信號弱的地方,都能快速、準確的定位.

12、可廣泛應用開U又多種終端產品,如：汽車導航汽車保全系統、車輛監控以及其他衛星定位應用等.圖3.2VK1612A9M3BeiDou模塊模塊性能巷片ARK帶9顆軍GPSGALILEO,QZSS：LI157542MHz.C/ABEIDOUBl156109BIMHz悔諛NMEA01B3v2.3可用波特零48oa960alg200,3a400,§760ali2soobPS通m36錄敏虔跟蹤-ISOdEm滯后動平均33秒溫扇動平均3.秒制呂斯平用1枚<2,5mAutonomous5O<><3mSBAS般大高度18000米般火速即515m/s,大加迎1*3更新頻率l-4Hz

13、(KiAlHz)物理特性關型24pinstamphollas外形尺寸16.2mm.122m-m*2411nM電源33VDC±5%n母電壓35VDC耗電均IQUe再工作環境濕囤酒困5%te95%non-cond«nsing工作層即40-Ct.80七儲存提度-40(to80X表3.1VK1612A9M3BeiDou模塊性能3.5 脈搏、血氧檢測模塊設計在跑步練習過程中脈搏和血氧在一定程度上反映了跑步者運動的強度,如果運動強度不夠者達不到好的鍛煉效果,如果運動過于劇烈這會導致運動損傷,甚至危及到生命.脈搏即是心率,心率越快相對運動強隊越大,同時血氧含量相對減少.所以通過脈搏和血氧

14、含量能夠很好的調整運動強度,并且做到客觀,科學量化.3.5.1 脈搏、血氧檢測原理據朗伯比爾(LamberBeer)定律,物質在一定波長的吸光度是與濃度成正比.恒定波長的光照射人體組織時,光通過人體組織吸收后,反射衰減測量的光強度將在一定程度上反映出被照射部位組織的結構特征.光電傳感器具有反響速快、結構簡單和可靠性高以及能實現無創測量等優點.脈搏的搏動會改變血液在組織中的容積從而改變反射光的強度.從而提取出脈搏信號.基于氧合血紅蛋白勵HbO2與脫氧血紅蛋白Hb的光譜特性特征,近紅外血氧飽和度檢測通常選用波長在660nm到880nm之間的近紅外光線作為無創檢測的測量光源.由于在該波段區域內,氧合

15、血紅蛋白HbO2與脫氧血紅蛋白Hb對近紅外的吸收情況遠大于肌體組織內的水分、脂肪、蛋白質等其他物質的吸收量.近紅外無創血氧檢測中最常用到的是波長為660nm和880nm的兩種近紅外光波相結合的雙波長檢測法.在上述兩個波長處,氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的吸收差異最顯著,因而獲得的數據也最有代表性.3.5.2 近紅外發射模塊近紅外發射模塊采用用三腳雙波長紅外發射管LED660/880.3.3雙波長紅外發射管LED660/880此外市面上也有利用綠光來檢查脈搏心率,但不便于測量血氧.如綠光發射管MQ-HRT.此發射管利用血液中的血紅蛋白容易吸收綠:脈搏、心率測試用色等特定波長的光的特性,用LED照射

16、手指,現有現成模塊通過捕捉面部外表綠色成分的亮度變化噴僉測脈搏圖3.4綠光脈搏檢測模塊圖3.5綠光脈搏檢測模塊脈搏波形3.5.3 光電二極管光電二極管選用BPW34B,相關的光學靈敏度如下列圖,660nm和880nm的靈敏度都到達了80%.圖3.6光電二極管圖3.7光電二極管光學靈敏度曲線3.5.4 現有應用如：指夾式脈搏血氧儀,采用近紅外檢測脈搏和血氧.圖3.8指夾式脈搏血氧儀3.6 指南針模塊設計指南針模塊采用霍尼韋爾HMC5883L是一種外表貼裝的高集成模塊,并帶有數字接口的弱磁傳感器芯片,應用于低本錢羅盤和磁場檢測領域.HMC5883L包括最先進的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器,

17、并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度限制在1.2.的12位模數轉換器.簡易的I2C系列總線接口.HMC5883L是采用無鉛外表封裝技術,帶有16弓I腳,尺寸為3.0X3.0X0.9mm.HMC5883L的所應用領域有、筆記本電腦、消費類電子、汽車導航系統和個人導航系統.圖3.9HMC5883L電磁羅盤芯片HMC5883LHOSTCPU1SCLCnNlROL4.SIWO哪口VDDIOaPCSLAVEC2O22ptISDRt>¥ciANALOG10kahr10kSETF(DPT)I2CDATAI2CCLKOFFSEISTRAP口RI比R-|

18、2JELTIo.CU-G4SEIRESElSTfi所RI近RVDD1J1VtoVDDC30l|ifPCMASTER圖3.10HMC5883L芯片架構3.7 手環解開檢測模塊設計手環要解開必然要使手環的撐開或解開,會使手環局部發生相對位移,因此可以利用霍爾傳感器檢測磁鐵的移動來判斷手環是否解開過.霍爾傳感器選用A3144圖3.11A3144霍爾傳感器3.8 GSMGPRS通信模塊設計作為北斗數據回傳的一個最常見的方式,GSM/GPRS是應用最廣的方式,其實最主要的原因是GSM/GPRS可靠性很好,數據傳輸網絡也非常穩定,3G/WCDMA雖然數據傳輸快,但在很多情況下因沒有信號而作罷.SIMCom

19、推出新款緊湊型產品一SIM900A.它屬于雙頻GSM/GPRS模塊,完全采用SMT封裝形式,SIM900A僅適用于中國市場,其性能穩定,外觀精巧,性價比高,能滿足您的多種需求.SIM900A采用工業標準接口,工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz,可以低功耗實現語音、SMS、數據和信息的傳輸.另外,SIM900A的尺寸大小為24x24x3mm,能適用于M2M應用中的各類設計需求,尤其適用于緊湊型產品設計.圖3.12SIM900A主要特性* 雙頻900/1800MHz* GPRSmulti-slotclass10/8* GPRSmobilestationclassB*

20、 滿足GSM2/2+標準Class4(2W900MHz)-Class11W1800MHz* 尺寸：24*24*3mm* 重量：3.4g* 通過AT命令限制GSM07.07,07.05andSIMCOM增強AT命令集* SIM應用工具包* 供給電壓范圍：3.1.4.8V* 低功耗：1.5mA睡眠模式* 操作溫度范圍：-40°Cto+85°C3.9 人機界面設計人機界面是為了更好的人機操作和查看相關狀態.跑步練習智能手環需要的操作的有：開機、關機、練習模式選擇、開始練習、結束練習、練習過程中參數查詢.顯示屏需要顯示的的狀態有：是否有GSMGPRS信號、是否有GPS信號、練習模式

21、、跑步參數如路程、速度、時間；檢測脈搏和血氧含量等.采用貼片輕觸按鈕3*6*2.5mm作為開機、功能選擇按鈕.圖3.13貼片輕觸開關采用0.95寸彩色OLED屏作為顯示界面.顯示功能模式、信號、跑步距離、速度、時間、是否犯規.圖3.140.95寸彩色OLED屏采用壓電陶瓷蜂鳴器進行報警提示.壓電陶瓷蜂鳴器體積小節省空間.圖3.15壓電陶瓷蜂鳴器3.10 跑步路程計算算法設計北斗定位只能定位得到手環的地理坐標位置,要得到手環移動的路程,需要通過北斗測算出來的坐標點練成軌跡,對軌跡進行積分得到手環移動的路程.為了研究算法的可靠性精確性,這里采用蒙特卡洛算法,模擬北斗定位數據,來測試和驗證不同算法.

22、數據誤差的均方差為北斗定位模塊的定位精度即2.5m.通過軟件產生二隨機分布函數,疊加到模擬路徑中,均方差為2.5.3.10.1 路徑直線差值求和法路徑直線差值求和算法的思想是：認為北斗得到的坐標是精確坐標,且跑步訓練者總是沿直線路徑依次經過相鄰的坐標點.跑步練習者跑過路程是所有直線段長度的累加和.通過北斗定位得到的坐標總是帶有一定的噪聲誤差.真實的軌跡假設跑步練習者沿著半徑為100m的圓跑道跑一圈,用時100s,也就是速度為6.3m/s.總路程為628m跑完一圈后誤差約有20m誤差率約為3%五公里路程誤差為160rl通過進一步仿真分析得到下表:實際路程(m)速度(m/s)用時誤差(m)誤差率(

23、%)五公里誤差(m)6286.28100203.18159.246283.142008513.54676.756282.0930016526.271313.696281.5740031149.522476.116281.2650045071.663582.80表3.2直線差值求合法仿真結果由表3.2可知手環路程計算精度隨著跑步者的跑步速度下降而快速增加.速度降到1.26m/s時,跑五公里的誤差是3.5公里.顯然極度不合理.圖3.18運動實際軌跡與定位軌跡圖3.19路程誤差時間曲線圖當手環靜止時,由于定位誤差的存在,每次得到的位置都有所變化,通過本算法也會算出路程,如圖圖3.20靜止時定位軌跡圖

24、3.21路程誤差時間曲線圖跑步者靜止100s后的手環計算出跑步者跑了190m,誤差非常大.3.10.2 路徑曲線擬合積分法利用北斗定位得到的坐標點距離累加求和有較大的誤差,誤差的來源是由于圖3.22x、y坐標的時間曲線圖坐標時間序列曲線圖中曲線斜率即為速度,由于人的跑步的數度是有限的,所以曲線不會出現突變,相對平滑,所以可以利用一定長度的時間窗口內進行二次曲線擬合得到最正確逼近曲線,從而得到相對準確的路程.圖3.23x、y坐標的時間曲線圖圖3.24路程誤差時間曲線圖當速度為2m/s和6.28m/s時五公里長跑路程誤差如圖3-9-10、3-9-11圖3.252m/s時路程誤差時間曲線圖圖3.26

25、6.28m/s時路程誤差時間曲線圖與前一種算法相比,可以看出定位精度提升非常多.五公里誤差為在5m以內,并且精度和跑步練習者的速度關系不大.具有一定的實用價值.3.10.3 基于路徑的位置匹配路程計算法在實際跑步練習過程中,跑步練習者跑步的跑道是相對確定的,如長跑中固定的環形跑道,折返跑中固定的直線跑道.因此可以利用這些的路徑信息進一步修正北斗定位誤差,進一步提升手環計算路程的精度,理論上可以使路程計算的誤差接近北斗定位誤差.假設還要進一步提升精度,就必須與其他傳感器數據進一步融合.如加速度計陀螺儀等.3.11 數據治理終端A.嵌入式主控系統：采用STM32F429作為主控,自帶硬件液晶屏驅動

26、,采用ucos操作系統.圖3.27STM32F429IGT6STM32F429IGT6芯片簡介：內核：Cortex-M432-bitRISC;特性：單周期DSP指令；工作頻率：180MHz,225DMIPS/1.25DMIPS/MHz;工作電壓：1.8V-3.6V;封裝：LQFP176;存儲資源：1024kBFlash,256+4kBSRAM;資源：6xSPI,4xUSART,4xUART,2xI2S,1xSAI,3xI2C;1xFMC,1xSDIO,2xCAN;1xLCD-TFT;1xUSB2.0FS/HS限制器帶有專用DMA;1xUSBHSULPI用于外接USBHSPHY;1x10/100

27、EthernetMAC;1x8to14-bit攝像頭接口；3xAD12位,1us,分時24道,2xDA12位；調試下載：支持JTAG/SWD接口的調試下載,支持IAP.B.電源模塊：采用鋰電池作為手持式便攜數據治理終端電源供給,充電模塊負責給電池充電；電源治理模塊負責,電池保護,包括過充保護、過放電保護、欠壓報警.C.GSMGPRS通信模塊：采用SIM900A實現與練習手環通信.選用5元GPRS流量年卡.D.人機界面：用7寸液晶觸摸電容屏作為顯示操作界面.用于查詢顯示參與練習手環返回的所有.圖3.287寸觸摸電容屏電容屏參數如下:7inchCapacitiveTouchLCD(D)電容1024

28、x60024PINRGB/LVDSFT5206GE1MCU帶LCD限制器4、手環結構設計4.1手環結構布局按鍵圖4.1手環外觀結構顯.屏-止向布局手環結構是承載手環所有功能的根底,決定了手環佩戴舒適度、耐用性、防水性.圖4.2手環反面傳感器布局4.2 手環材料選擇手環要接受北斗定位信號、要和GSMGPRS基站通信,因此手環結構材料不能選用金屬.運動健身手環主要用在跑步練習游泳練習,跑步練習過程中手環會接觸到汗液,游泳過程中手環要長期浸泡在水中,因此手環材料要具有良好的密封性、耐腐蝕性、耐磨性.要保證佩戴的舒適性需要材料具有一定的彈性.要適應戶外溫度變化,從冰雪天氣到烈陽炙烤需要有一定的耐高溫低

29、溫特性.同時需要有良好的耐老化性,保證手環使用壽命.綜合全面考慮以上條件以及結合市面上現有手環材料初步選用全氟醍橡膠.全氟醛橡膠材料性能：全氟醛橡膠材料具有良好的電氣絕緣性能和良好的耐燃燒性能.同時氟橡膠具有非常好的氣密性、耐磨性；乎能承受一切化學介質的腐蝕,其中包括醛類、酮類、苯環類溶劑、強氧化劑、強酸、強堿等,有著在這方面全無敵的美譽；全氟醛橡膠具有最好的耐高溫性能,全氟醛橡膠Kalrez耐圖溫品級可在327c環境中使用,蘇威蘇萊克斯的耐圖溫品級可在310c左右使用,遠遠高于氟橡膠.全氟醛橡膠的低溫使用溫度可達-20C；主要應用領域有宇航工業、煉油、化工生產、電子工業、機械工業、高溫水蒸氣系統、天然氣石油開采、核電站、特殊儀器儀表等.4.3 手環外殼加工工藝主要采用注塑成型,成型周期短、生產率高、能一次成型、外形復雜、