何楓 楊鳳年 何文德 黃浩嵐

【摘 要】設(shè)計(jì)了采用鋰電池供電的可穿戴計(jì)步器，以CC3200作為微控制器，將加速度傳感器ADXL345采集到的加速度值進(jìn)行處理得到用戶運(yùn)動(dòng)步數(shù)，并在液晶屏上顯示實(shí)時(shí)時(shí)間、步數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)長，還可通過Wi-Fi將步數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)長上傳到指定的云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

【關(guān)鍵詞】計(jì)步器;CC3200;ADXL345

中圖分類號(hào)： R197.39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）03-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.007

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)身體健康的關(guān)注程度也日益提高。散步是人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N簡單且深受喜愛的運(yùn)動(dòng)方式，且不受場地器材的限制，是實(shí)施全民健身計(jì)劃綱要的有效措施[1];散步能促使血管彈性的增加，特別是腿的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，可促使更多的血液回到心臟，有利于改善血液循環(huán)，提高心臟的工作效率。散步作為一項(xiàng)健身運(yùn)動(dòng)，與其他運(yùn)動(dòng)一樣，對(duì)不同的群體有不同的運(yùn)動(dòng)量要求，要準(zhǔn)確掌握散步的運(yùn)動(dòng)量，必須有相應(yīng)的計(jì)量設(shè)備。

可穿戴計(jì)步器是方便有效的步行運(yùn)動(dòng)量計(jì)量設(shè)備，通過統(tǒng)計(jì)用戶行走步數(shù)、距離、速度、時(shí)長等數(shù)據(jù)來掌握其運(yùn)動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)里程，能量消耗，心率測評(píng)等相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，有助于防止運(yùn)動(dòng)不足或是運(yùn)動(dòng)過量。若能將運(yùn)動(dòng)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的云平臺(tái)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息的統(tǒng)計(jì)、分析，然后通過智能手機(jī)向用戶給出運(yùn)動(dòng)、飲食等方面的健康提示，將大大提高計(jì)步器的實(shí)用價(jià)值。因此，設(shè)計(jì)一款具備無線通信功能的可穿戴計(jì)步器，能更好地滿足人們對(duì)運(yùn)動(dòng)健康信息掌握的渴求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本計(jì)步器主要包含電源管理模塊、微控制器、加速度傳感器模塊、存儲(chǔ)器模塊、Wi-Fi模塊和液晶顯示器（LCD）模塊等。它通過微控制器采集三軸加速度傳感器獲取的加速度值，配合適當(dāng)?shù)挠?jì)步算法獲得用戶的運(yùn)動(dòng)步數(shù)和時(shí)長等信息，并在LCD上顯示當(dāng)天的運(yùn)動(dòng)信息和實(shí)時(shí)時(shí)間，且利用Wi-Fi將這些信息發(fā)送到指定的云平臺(tái)。此外，若微處理器內(nèi)部沒有集成用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序的存儲(chǔ)器，系統(tǒng)就需要外接Flash來存儲(chǔ)應(yīng)用程序。系統(tǒng)主要功能模塊如圖1所示。

計(jì)步算法包括以下三部分：

運(yùn)動(dòng)曲線獲?。和ㄟ^計(jì)算三軸加速度傳感器的三個(gè)加速度的矢量長度，可以獲得步行者運(yùn)動(dòng)時(shí)類似正弦波的運(yùn)動(dòng)曲線。

峰值檢測：利用記錄的上次矢量長度和運(yùn)動(dòng)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，即是剛過峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步，否則舍棄。通過對(duì)峰值的次數(shù)累加，可得到用戶行走的步數(shù)。

去干擾：人體最快的跑步頻率為5HZ，即相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒。手持設(shè)備會(huì)有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，俗稱手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶想通過短時(shí)快速反復(fù)搖動(dòng)設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)可以通過給檢測曲線加上閥值和步頻判斷來過濾剔除。

2 計(jì)步器硬件設(shè)計(jì)

計(jì)步器的硬件包括：含微控制器和Wi-Fi模塊CC3200芯片及其Wi-Fi濾波器與天線、三軸加速度傳感器ADXL345、LCD、串行閃存（S-Flash）、LED指示燈、按鍵、蜂鳴器、鋰電池及其充電電路、低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）電路。此外，還要考慮開發(fā)調(diào)試及通過USB轉(zhuǎn)串口燒錄用戶程序到S-Flash中，設(shè)計(jì)樣機(jī)階段必須有USB和JTAG接口。計(jì)步器的硬件組成如圖2所示。

2.1 微處理器與WiFi模塊的選擇

計(jì)步器作為可穿戴設(shè)備，必須做到體積小、功耗低，性能穩(wěn)定，因此本課題著重考慮功耗低、穩(wěn)定性好、集成度高的微控制器芯片。CC3200是TI公司推出的一款針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的單片無線MCU，無線信號(hào)經(jīng)過2.4GHz的帶通濾波器以及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后通過天線發(fā)送出去，方便用戶能夠用單個(gè)集成電路實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)[2]。借助片上Wi-Fi、互聯(lián)網(wǎng)和穩(wěn)健耐用的安全協(xié)議，用戶無需Wi-Fi開發(fā)經(jīng)驗(yàn)即可實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)。

CC3200采用易于布局布線的四方扁平無引線（QFN）封裝。其應(yīng)用MCU子系統(tǒng)包含一個(gè)運(yùn)行頻率為80MHz的ARM Cortex-M4內(nèi)核。該器件還包含多種外設(shè)，其中包括GPIO、UART、SPI、IIC和四通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。還包括用于代碼和數(shù)據(jù)的靈活嵌入式RAM，以及具有外部串行閃存引導(dǎo)加載程序和外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序的ROM。

CC3200支持訪問點(diǎn)（STA）、基站（AP）和Wi-Fi直接（P2P）模式。本文中CC3200工作在STA模式，因此計(jì)步器只能通過無線路由器實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信。

2.2 加速度傳感器的選擇

ADXL345是ADI公司推出的基于iMEMS技術(shù)的小巧纖薄低功耗三軸數(shù)字輸出加速度傳感器，適合應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備[3]。它可以對(duì)高達(dá)±16g的加速度進(jìn)行13位分辨率測量。數(shù)字輸出為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI或者IIC接口訪問，適合移動(dòng)應(yīng)用場景。

2.3 處理器外圍電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用充電電流最高1A的線性鋰電池充電芯片TP4056對(duì)2000 mAh鋰電池進(jìn)行充電管理。CC3200通過定時(shí)器中斷的方式對(duì)ADC輸入鋰電池輸出電壓進(jìn)行定時(shí)采樣，當(dāng)電壓低于3.7V時(shí)蜂鳴器發(fā)出告警聲并自動(dòng)關(guān)機(jī)。并采用適用于鋰電池供電且低成本的LDO芯片RT9013-33為系統(tǒng)提供3.3V電源，通過其EN引腳可實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)關(guān)機(jī)和按鍵開關(guān)機(jī)功能[4]。

3 計(jì)步器軟件設(shè)計(jì)

3.1 低功耗設(shè)計(jì)

為了使計(jì)步器更省電，必須在無運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下使CC3200和ADXL345運(yùn)行在睡眠狀態(tài)。CC3200內(nèi)置的Cortex M4內(nèi)核支持低功耗深度睡眠（LPDS）模式，可在保持網(wǎng)絡(luò)連接的同時(shí)，提供最優(yōu)功耗。在該模式下，Cortex M4核及其絕大部分外設(shè)都會(huì)掉電，丟失狀態(tài)和上下文信息，RAM可以有選擇地保留數(shù)據(jù)。該模式可以被定時(shí)器或6個(gè)特定的GPIO喚醒。

本文將ADXL345設(shè)置為自動(dòng)休眠模式，并將其Activity、Inactivity中斷源編程分別映射到管腳INT1和INT2，再將以上管腳分別與CC3200的GPIO2和GPIO3相連，用于CC3200的睡眠喚醒和進(jìn)入睡眠提醒。

INT1連接GPIO2即可實(shí)現(xiàn)喚醒，即當(dāng)用戶開始運(yùn)動(dòng)后，ADXL345感應(yīng)到的加速度值大于最大閾值后，ADXL345從睡眠模式被喚醒，并使INT1輸出高電平且通過與之連接的GPIO2將CC3200喚醒，閾值一般設(shè)定為佩戴者抬腕動(dòng)作所產(chǎn)生的加速度值。當(dāng)加速度值低于設(shè)定閾值且持續(xù)一定時(shí)長后，INT2輸出高電平且通過與之連接的GPIO3“提醒”CC3200進(jìn)入LPDS模式。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

進(jìn)入應(yīng)用程序的main（）函數(shù)后，首先是全系統(tǒng)的初始化，主要包括：ADXL345、S-Flash、RTC、定時(shí)器、GPIO、中斷、ADC、SPI、UART、PWM、JTAG和TCP/IP連接初始化;初始化完成后，讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的值，連再續(xù)讀取多個(gè)加速度矢量長度后計(jì)算出當(dāng)日步數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)長，然后判讀是否到時(shí)間0點(diǎn)0分，如果是步數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)長清零，若不是，更新LCD顯示的實(shí)時(shí)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)長和當(dāng)日步數(shù);判斷是否有Wi-Fi，若有Wi-Fi就按規(guī)定的時(shí)間間隔將步數(shù)上傳到指定云平臺(tái);查詢GPIO3，若為高電平則準(zhǔn)備進(jìn)入LPDS模式;進(jìn)入LPDS模式后，僅當(dāng)GPIO2有高電平輸入時(shí)，CC3200才被喚醒重新進(jìn)入正常工作模式。

4 結(jié)語

本文提出了一種可穿戴計(jì)步器的設(shè)計(jì)方案，采用集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的單片無線MCU CC3200完成運(yùn)動(dòng)信息處理和無線通信功能，提高了開發(fā)效率、降低了產(chǎn)品體積。充分利用CC3200和ADXL345二者良好的電源管理特性，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)中采用的較高效的電源管理措施，實(shí)現(xiàn)了可穿戴設(shè)備軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)中的低功耗目標(biāo)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)長顯示，以及運(yùn)動(dòng)信息上傳到云平臺(tái)，借助于智能手機(jī)APP，用戶可實(shí)現(xiàn)個(gè)人運(yùn)動(dòng)信息統(tǒng)計(jì)分析和圖表展示，還可獲得來自云平臺(tái)個(gè)性化推送的運(yùn)動(dòng)健康飲食等方面的參考建議信息，增強(qiáng)了產(chǎn)品實(shí)用性，是計(jì)步器設(shè)計(jì)的有益嘗試。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃紅梅，劉永暉.散步對(duì)中老年高級(jí)知識(shí)分子心臟功能影響的追蹤分析[J].體育科學(xué)研究，2004，8（4）：41-44.

[2]Taxas Instruments.CC3100/CC3200 SimpleLink？ Wi-Fi？ and Interneton a Chip Users Guide[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/ swru368a/swru368a.pdf，2015.

[3]孟維國.三軸加速度計(jì)ADXL345的特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2007，13（11）：23-24.

[4]楊鳳年.基于STM32的人體跌倒報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2018，34（2）：31-32.