可穿戴設(shè)備運動手表智能運動手表報告智能手表設(shè)計

1、電子設(shè)計大賽題目名稱：可穿戴設(shè)備設(shè)計運動手表隊長姓名: 學(xué) 校： 聯(lián)系電話： 通訊地址： 郵政編碼： 結(jié)題日期： 2014年9月2日 項目組成員：序號姓名性別年級專業(yè)學(xué)號 摘 要本設(shè)計是一款智能運動手表，以微控制器ATmega644PA為控制核心，利用PCF8563時鐘芯片、三維加速度傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器采集運動數(shù)據(jù)，并使用OLED顯示屏實現(xiàn)顯示時間功能、顯示溫度、氣壓、海拔高度功能、計步功能，結(jié)合藍(lán)牙2.1模塊，實現(xiàn)與安卓手機的通信功能；團隊開發(fā)了一款安卓APP與智能手表結(jié)合使用，智能手表可以將數(shù)據(jù)傳送到安卓手機，通過APP對數(shù)據(jù)進(jìn)行2次處理，實現(xiàn)運動步數(shù)、卡路里消耗量、運動距離、

2、運動時間、運動規(guī)律的記錄與分析，能根據(jù)數(shù)據(jù)為使用者提供健康方面的建議。一、 任務(wù)制作具備一定創(chuàng)新和實際應(yīng)用綜合功能的可穿戴軟硬件電子系統(tǒng)（注：以軟件開發(fā)為主的，需結(jié)合外部硬件平臺實現(xiàn)特定系統(tǒng)功能）2、 系統(tǒng)功能分析我們的主題，決定我們的設(shè)計的系統(tǒng)的功能如下：1、顯示時間、包括年份月份日期、星期以及實時時間；2、顯示溫度、氣壓、海拔高度；3、記錄走路或者跑步步數(shù)并顯示；4、將傳感器數(shù)據(jù)傳送到安卓手機；5、安卓手機軟件接收數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；6、安卓手機軟件分析數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶設(shè)定，計算出跑步距離，消耗卡路里等，并儲存數(shù)據(jù)，通過分析歷史數(shù)據(jù)，得出用戶的運動狀況，并能給用戶跑步方便的

3、建議。7.記錄睡覺時的數(shù)據(jù)，分析睡眠狀況；8、手機短信提醒、來電提醒功能。三、產(chǎn)品的對象 我們的產(chǎn)品在設(shè)計上在保證原有的手表顯示時間的基礎(chǔ)之上，加上運動模塊元素，可以對用戶的運動數(shù)據(jù)采集，配套相應(yīng)APP，可以實現(xiàn)對運動數(shù)據(jù)的分析處理。適合廣泛的熱愛運動的人群使用，以及廣大的旅游愛好者使用。四、方案論證為了完成上面所涉及的各種功能，將整個電路分成三個部分：電源模塊、主控模塊、傳感器模塊、顯示模塊和藍(lán)牙模塊?？驁D如圖1所示。供電系統(tǒng)顯示部分傳感器模塊主控部分藍(lán)牙模塊 安卓手機 圖1 原理方框圖考慮到我們的產(chǎn)品作為一款手表，要充分考慮到產(chǎn)品的體積問題，我們在各個模塊的選擇上盡可能采用小的部件。在實現(xiàn)

4、傳統(tǒng)手表的功能的基礎(chǔ)上加入運動的元素，我們的手表支持運動的功能，就要考慮手表的實用性。在數(shù)據(jù)傳輸方面，我們采用藍(lán)牙傳輸方式，將運動過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙的方式傳輸?shù)轿覀兊囊苿咏K端，從而實現(xiàn)對運動數(shù)據(jù)的處理。（1）供電系統(tǒng)整個系統(tǒng)由3.7V鋰電池供電，通過升壓模塊升到5.0V給單片機以及其他模塊使用。在供電方面的選擇上，因為要考慮到手表的體積，我們采用了體積較小的鋰電池。因為采用oled顯示，而且還支持手表與移動終端的通信，這樣在能耗方面就比傳統(tǒng)的手表要大得多，所以選擇可以多次充電的鋰電池是理想的選擇。鋰電池與充放電電路具有保護電路，保證了產(chǎn)品的安全性。選用的充電器接口為microusb接

5、口，能夠與眾多的電源設(shè)配器使用，增加了產(chǎn)品使用的普遍性。（2）控制方式的選擇方案一：采用AT89C51作為控制器采用AT89C51單片機進(jìn)行控制。AT89C51價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，而且資料豐富；但是51單片機系統(tǒng)資源有限，8位控制器，運算能力有限，且沒有內(nèi)置AD/DA轉(zhuǎn)換器，需要外接大量外圍電路，而且程序的編寫相對復(fù)雜。方案二：采用ATmega644PA作為控制器采用ATmega644PA單片機進(jìn)行控制。ATmega328單片機具有強大功能的8位微控制器，它內(nèi)部集成8路10為ADC，可以直接用于傳感器數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)字控制輸出；采用ATmega644PA單片機，能將相當(dāng)一部分外圍器件結(jié)合到一起

6、，使用方便，抗干擾性能提高。因此，我們選用方案二。（3）開發(fā)環(huán)境的選擇方案一：AVRstdio開發(fā)環(huán)境AVRstdio是ALMEL公司的一個免費集成開發(fā)環(huán)境，只支持匯編語言。方案二：Arduino開發(fā)環(huán)境Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple i/o接口板并且具有使用類似Java,C語言的IDE集成開發(fā)環(huán)境。Arduino的理念是開源。針對周邊I/O設(shè)備的Arduino編程，很多常用的I/O設(shè)備都已經(jīng)帶庫文件或者樣例程序，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的修改，即可編寫出比較復(fù)雜的程序。因此，我們選用方案二。（4）傳感器的選擇1. MPU6050智能手表的記步功能可以通過兩種不同方式來實

7、現(xiàn)，方式A： 通過GPS傳感器采集GPS數(shù)據(jù)，通過分析采集GPS采集回來的經(jīng)緯度信息，計算得出運動距離，再根據(jù)用戶設(shè)定的步長，來反推步數(shù)；這種方式除了可以計步，還能記錄實時位置，但是這種方式出來的結(jié)果可能不太準(zhǔn)確，特別是當(dāng)跑步距離較短的時候，精準(zhǔn)定位難度大，距離計算難道大。方式B：通過3D加速度傳感器采集加速度數(shù)據(jù)，步行運動中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時間大致為一個正弦曲線，而且在某點有一個峰值，其中垂直方向的加速度變化最大，通過對軌跡的峰值進(jìn)行檢測計算和加速度閾值決策，即可實時計算用戶運動的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。這種方式計算出來的步數(shù)比較準(zhǔn)確，方法簡單，所以我們采用方式B，傳

8、感器用的是MPU6050傳感器。2. BMP180可用量程：300hPa至1100hPa (對應(yīng)海拔-500m到+9000m)絕對精度最低可以達(dá)到0.03hPa，另外還能測量溫度值；此傳感器可用來采集氣壓和溫度，顯示到屏幕上。（5）顯示模塊顯示模塊考慮LCD顯示或者OLED顯示，分析如下：1.OLED是主動放光顯示器件，可以實現(xiàn)比LCD更高的效率，更好的視角。LCD由于開口率，5層透光光學(xué)結(jié)構(gòu)限制，其發(fā)光的有效率始終超不過10。2.OLED是元器件的主動發(fā)光器件，就像做集成電路二極管一樣，可以做的像素很小，所以分辨率可以很大，加上材料高分子有機材料，能夠做成很薄很輕的設(shè)計，這是主要的優(yōu)點，適合

9、用于體積要求較高的可穿戴電子設(shè)備。綜合上面分析所以我們選擇體積小、省電、實用性大的OLED模塊。（6）通信模塊通信方式的選擇可以有多種，例如有線傳輸和無線傳輸，考慮到用戶使用體驗，決定采用無線傳輸方式，而無線傳輸方式中適合單片機與安卓智能手機通信的有藍(lán)牙通信和WIFI通信。 wifi通信模塊適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，而且傳輸?shù)乃俣纫草^快，最大的的弱點就是功耗高，其穩(wěn)定性也不夠高，而藍(lán)牙技術(shù)也比較成熟，在短距離傳輸方面其穩(wěn)定性要好，而且其功耗也相對較小，可以很方便的實現(xiàn)點對點通信。作為我們的智能可穿戴的設(shè)備，我們盡可能要尋找低功耗的模塊，而且我們的設(shè)備主要是傳送用戶的運動信息，信息量不是很大，所需要傳

10、送的距離也不是很大，不需要wifi的無線局域網(wǎng)，我們的要求是能夠穩(wěn)定的傳送，所以藍(lán)牙模塊是我們比較理想的選擇。五、硬件電路在硬件的選擇上，我們均采用了與arduino開發(fā)環(huán)境兼容的microduino系列模塊作為我們的主要硬件電路。之所以選擇該系列的模塊，是因為Microduino系列模塊體積小、可層疊式搭配使用，總體積將在3CM*3CM*3CM之內(nèi)。在我們的設(shè)計的手表的可接受范圍之內(nèi)，總的電路的體積不會太大。Microduino系列模塊有常見的各種配套模塊，基本符合智能運動手表的需要的硬件支持。1.核心模塊選擇了搭載了Atmel ATmega644PA的Microduino-Core+，該模

11、塊具備了Digital I/O 數(shù)字輸入/輸出端共 023，A0A7。Analog I/O 模擬輸入/輸出端共 A0A7 。支持六路PWM輸出端口，支持ISP下載功能。三路路外部中斷。主控芯片的最小系統(tǒng)：2.采用Microduino系列的矢量傳感器模塊，集成了磁場強度強度傳感器，氣壓傳感器，三軸加速度傳感器以及三軸陀螺儀，并且可通過I2C接口與Core/Core+核心模塊通信。利用該模塊所具有的傳感器，就可以實現(xiàn)我們的對溫度、氣壓、海拔以及運動步數(shù)的測量。磁場強度傳感器（HMC5883L）3.三軸加速度+三軸陀螺儀傳感器（MPU6050），此模塊為實現(xiàn)手表計步等功能的主要模塊，通過讀取加速度數(shù)

12、據(jù)，可以得到運動時的震動曲線，通過對曲線的分析可以得出運動狀態(tài)。另外，若用戶睡眠時戴著手表，我們能通過讀取加速度數(shù)據(jù)來判斷使用者的睡眠狀況。4.Microduino-BT模塊是一塊支持藍(lán)牙串口透明傳輸模塊，利用該模塊可以實現(xiàn)我們的運動手表與移動終端設(shè)備的通信，把數(shù)據(jù)傳給手機，通過手機端的APP對用戶的運動數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而反映出用戶的運動狀況。藍(lán)牙與手機的通信電路圖：5.Microduino-RTC時鐘模塊是基于 PCF8563芯片的時鐘模塊，模塊還附加AT24c32芯片，提供額外的EEPROM功能。IIC接口通信。 超級電容提供了一定的掉電計時能力。PCF8563使用一個外部晶體和電容，并有

13、1個中斷輸出，可以定時觸發(fā)中斷，用途十分廣泛。顯示模塊Microduino - OLED 12864 是基于 SSD1306 的 0.96 吋 12864 OLED 顯示模塊。采用I2C接口，3.3V 電源。Microduino-USB2TTL/zh方便與計算機的通信，通過該模塊可以實現(xiàn)對程序的燒寫，方便系統(tǒng)的更新以及算法的優(yōu)化。用Arduino實現(xiàn)數(shù)控功能的框圖如圖2所示：按鍵1復(fù)位鍵按鍵2采集電路D15D14D16ATmega644PA 溫度氣壓CPU發(fā)出指令內(nèi)置ADC加速度RX TXD2-D5 藍(lán)牙通信電路顯示電路 圖2 用ATmega644PA實現(xiàn)數(shù)控功能的方框圖六、軟件的設(shè)計（1）單

14、片機程序框圖開始 初始化省電界面是否按鍵1按下？時間界面按鍵1？否是按鍵1？環(huán)境顯示界面是否是連續(xù)計步，顯示計步界面按鍵2按下？否按鍵1？否是否藍(lán)牙串口是發(fā)送數(shù)據(jù)到手機端（2）一、安卓手機客戶端程序功能框圖藍(lán)牙連接手表制定運動計劃健康資訊查看歷史數(shù)據(jù)0. 內(nèi)置自動提醒功能1. 登陸界面a) 動態(tài)添加用戶選項b) 點擊用戶選項進(jìn)行登陸2. 主界面a) 今日計劃p1. 展示每日的建議以及統(tǒng)計量p2. 展示每周的計劃要求以及統(tǒng)計量p3. 完成度的統(tǒng)計p4. 分享功能b) 計劃制定p1. 自定義鍛煉計劃共4種方案/ 1 /以鍛煉時間為基準(zhǔn)設(shè)置每周的運動時間（小時）詳情：考慮到以天為單位的鍛煉計劃缺乏彈

15、性，以周為單位的鍛煉計劃更加合理。而且周六日的空閑時間會比較多，所以在今日計劃的建議中分配的權(quán)重會相對工作日更大。/ 2 /以跑步距離為基準(zhǔn)設(shè)置每周的跑步距離（公里）詳情：考慮到以天為單位的鍛煉計劃缺乏彈性，以周為單位的鍛煉計劃更加合理。而且周六日的空閑時間會比較多，所以在今日計劃的建議中分配的權(quán)重會相對工作日更大。/ 3 /以降低體重為基準(zhǔn)設(shè)置計劃減低的體重（斤）設(shè)置此計劃用時（天）詳情：考慮到減肥具有很強的目的性，所以提供降低的體重和計劃用時兩個選項讓用戶進(jìn)行選擇。然后在后臺利用“動態(tài)體重估測模型”（見下）進(jìn)行模擬，提供參考價值高的建議/ 4 /以消耗的卡里路為基準(zhǔn)設(shè)置每天需要通過運動消耗

16、的卡路里（卡路里）詳情：考慮到選擇此選項的人會對卡路里的攝入比較關(guān)心，所以我們以天為一個設(shè)置單位。p2. 已制定的計劃展示已制定的計劃c) 歷史記錄手段：讀寫數(shù)據(jù)庫p1. 展示最近一周（從本周一開始展示）的記錄/ 1 /分類方法：歷史記錄最近一周內(nèi)每天的總統(tǒng)計每天的每個時間端的統(tǒng)計每個時間段的各項數(shù)據(jù)以及各種細(xì)節(jié)/ 2 /獲取最近一周的天氣情況結(jié)合智能手表中的藍(lán)牙數(shù)據(jù)，動態(tài)顯示天氣的情況p2. 一周前的記錄按照月份進(jìn)行組織設(shè)計同上，不過進(jìn)行了一定的簡化。d) 健康資訊p1. 自動跳轉(zhuǎn)至一個講解跑步鍛煉相關(guān)的知識的網(wǎng)站3. 賬號管理界面a) 查看本機的賬號，進(jìn)行更刪改查b) 跳轉(zhuǎn)至賬號注冊界面4

17、. 賬號注冊界面a) 輸入基本數(shù)據(jù)b) 把用戶與智能手表進(jìn)行綁定c) 把用戶的基本信息寫入用戶信息數(shù)據(jù)庫5. 數(shù)據(jù)同步界面a) 利用藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步b) 將獲得的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫七、算法亮點1. 動態(tài)體重估測模型：對體重變化進(jìn)行非線性模擬對有需要減肥的朋友提供更靠譜的指導(dǎo)使用固定的減少飲食或增加運動的減肥策略，減肥效果會越來越差，因為減重的效果并非線性遞減，而是逐漸趨緩的。告訴你想在X天內(nèi)減肥Y千克，飲食跟運動習(xí)慣該如何調(diào)整，可不是簡單的1千克含幾千卡熱量所以減肥幾千克要少吃幾千卡這種簡單的四則運算。模型以及算法的詳細(xì)說明：2. 計步算法： 我們利用了其三軸加速計（x,y,z軸代表方向如圖）的

18、特性來分析。分別用以檢測人步行中三個方向的加速度變化。  用戶在水平步行運動中，垂直和前進(jìn)兩個加速度會呈現(xiàn)周期性變化，如圖所示，在步行收腳的動作中，由于重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時減小，在邁步時增加。因為用戶在運動中可能手平持設(shè)備或者將設(shè)備置于口袋中，所以設(shè)備的放置方向不定，為此我們通過計算三個加速度的矢量長度，獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡。第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運動方向，通過矢量長度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較，如果是相反的

19、，即是剛過峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計步邏輯進(jìn)行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數(shù)累加可得到用戶步行步伐。最后是去干擾，手持設(shè)備會有一些低幅度和快速的抽動狀態(tài)，或是我們俗稱的手抖，或者某個惡作劇用戶想通過短時快速反復(fù)搖動設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會影響記步的準(zhǔn)確值，對于這種干擾，我們可以通過給檢測加上閾值和步頻判斷來過濾。算法如下：for (int m=0;m<N_FFT;m+) accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); /讀取6050數(shù)據(jù) Ax=ax/16384.00; A

20、y=ay/16384.00; Az=az/16384.00; data_of_N_FFTm.real = sqrt(Ax*Ax)+(Ay*Ay)+(Az*Az);/輸入采樣數(shù)據(jù) data_of_N_FFTm.imag = 0; FFT();/進(jìn)行 FFT計算 /進(jìn)行低通濾波，濾掉高頻部分for(intii=20;ii<N_FFT;ii+)data_of_N_FFTii.imag=0;data_of_N_FFTii.real/*IFFT();/進(jìn)行 IFFT計算 data_of_N_FFTN_FFT.real =data_of_N_FFTN_FFT-1.real;/輸入采樣數(shù)據(jù) stepc

21、=stepc+countstep(N_FFT);int countstep( int n)int count=0; int maxi=0,mini=0;double dataMAX=IFFT_RESULT(0); double dataMIN=IFFT_RESULT(0);double theTop=IFFT_RESULT(0); double theLow=IFFT_RESULT(0);/bool findTop=0,findLow=0;for(int i=1;i<n-1;i+)if(IFFT_RESULT(i)>=dataMAX)/求波峰 dataMAX=IFFT_RESULT

22、(i); if(IFFT_RESULT(i+1)<dataMAX) /在這個數(shù)據(jù)比上一個最大值還大時，看下一個值是不是比這個值小，小的話這里的就是波峰 / if(i>n-1) count=count+1; theTop=dataMAX; maxi=i;dataMIN=IFFT_RESULT(i);/%重新設(shè)置比較的起點 if(IFFT_RESULT(i+1)<=dataMIN)dataMIN=IFFT_RESULT(i); mini=i+1; if(IFFT_RESULT(i+2)>dataMIN) /%在這個數(shù)據(jù)比上一個最小值還小時，看下一個值是不是比這個值大，大的話

23、這里的就是波谷 if(abs(dataMIN-theTop)>0.35 && abs(maxi-mini)>15 ) /這個閥值目前還沒通過實驗確定，算法也太過簡單待完善 count=count+2; dataMAX=IFFT_RESULT(i);/%重新設(shè)置比較的起點 return count;八、產(chǎn)品的外包裝在產(chǎn)品的包裝上，在保證了把我們的電路包裝在一個包裝殼的前提下，我們追求我們的外包裝的美觀，以及能夠保證電路系統(tǒng)能夠充分的散熱，我們對電路的各部分進(jìn)行了測量，通過proe繪制了我們的外殼的零件圖，并最終通過3d打印，把我們的產(chǎn)品的外包裝設(shè)計了出來。產(chǎn)品最終的效果圖如下：九、產(chǎn)品的測試我們對產(chǎn)品進(jìn)行了多次的測試，