1、 學(xué)院：物理與電子學(xué)院 專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 姓名：田俊 年級：2012級 學(xué)號： 科目：嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā) 上課時間：周三7-9節(jié)-2015-03-09-基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本款智能手環(huán)概述 隨著科技的進步，智能化成為了人們關(guān)注的焦點，同時也越來越貼近人們的生活。人們對于健康生活方式的需求催生出了智能可穿戴設(shè)備，智能手環(huán)就屬于其中的一種代表性產(chǎn)物。其主要應(yīng)用于監(jiān)測運動，監(jiān)測睡眠以及智能化的安排人的生活作息方式等。是一款突出個性與人性的智能化產(chǎn)物。 智能手環(huán)是一種穿戴式智能設(shè)備。通過這款手環(huán)，用戶可以記錄日常生活中的鍛煉、睡眠、部分還有飲食等實時數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與手機、平板、ipod

2、 touch同步，起到通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活的作用。工作原理 智能手環(huán)已日益從極客、驢友、IT產(chǎn)品愛好者的小眾玩物變成大眾化穿戴產(chǎn)品，但看著智能手環(huán)終端、軟件里顯示的一串串運動追蹤數(shù)據(jù)、睡眠監(jiān)測數(shù)據(jù)，不禁讓人心生疑竇：包括別稱為健康腕帶、運動手環(huán)、健身睡眠手環(huán)、身體追蹤器的智能手環(huán)是怎么工作的？智能手環(huán)的工作原理是什么？ 多數(shù)智能手環(huán)都是通過“三軸加速度傳感器”來運作的。三軸加速度傳感器，能夠測量空間中X軸、Y軸、Z軸的加速度，能夠感應(yīng)人體在各個方向的振動。盡管三軸同時發(fā)力，但智能手環(huán)依然側(cè)重于計算人體重心上下的位移量Z軸，因為人們走路時重心是最主要的變量。 如何解讀智能手環(huán)收集的一大堆數(shù)據(jù)，則

3、需要讓算法派上用場。通過算法，程序才能在大量數(shù)據(jù)當(dāng)中，分辨出用戶的運動模式，并進一步核算出對應(yīng)的運動消耗量。 Z軸的數(shù)據(jù)是最主要的，但如果用戶只是搖一搖大腿呢？所以一般的算法都會添加約束的條件，只有傳感器測量到的數(shù)值達到一定標(biāo)準(zhǔn)，才會被認作運動。去掉無效數(shù)據(jù)的另一個方法是時間。人們走1步，重心1次向上，1次向下，所以在一定時間內(nèi)加速度有了2次符合標(biāo)準(zhǔn)的變化，才能算作走了1步。 不同品牌的智能手環(huán)使用的軟件不一樣，這意味著算法的不同，很容易導(dǎo)致后續(xù)數(shù)據(jù)的偏差。此外，每個牌子的智能手環(huán)所搭載的傳感器牌子、型號各不相同，這便注定了測量數(shù)據(jù)在最開始的地方就分道揚鑣，并進一步導(dǎo)致步數(shù)的差異，以及由于步數(shù)

4、數(shù)據(jù)不一引發(fā)的卡路里數(shù)據(jù)的偏差。作用：1、跑步和運動速度監(jiān)測 運動檢測主要采用三軸加速傳感器來實現(xiàn)，這也是手環(huán)的最核心的組件之一，這個組件的作用是計步測量。簡單來說，三軸加速器的工作原理是，當(dāng)人在正常行走時其實會產(chǎn)生水平和垂直兩個加速度，當(dāng)用戶邁步時，單腳著地重心上提，垂直方向呈向上加速度，而繼續(xù)往前走重心回落，加速度方向。而在水平方向，則是邁步時向前加速，收腳是減小。當(dāng)用戶邁步時，單腳著地重心上提，垂直方向呈向上加速度，并向前加速。而手環(huán)中的三軸加速器，就是通過人體這樣不同的加速度變化可以繪制出一條正弦曲線。以垂直方向加速度正弦波為例，從波谷到波峰再到波谷就是正常人一個步伐的過程，如此就可以

5、推算出用戶行進的步數(shù)。正弦曲線垂直加速度三軸加速 器正弦曲線水平加速度 圖一 運動檢測實現(xiàn)原理2、睡眠監(jiān)測使用體動記錄儀跟蹤您的睡眠，監(jiān)視您的微小運動，以確定您是處于清醒、淺度睡眠還是深度睡眠中。 睡眠深度一般是以身體活動減少和感覺靈敏度降低作為衡量指標(biāo)的，目前對于睡眠深度的精確測量還是比較困難的。 睡眠監(jiān)測是通過傳感器監(jiān)測人的動作，以系統(tǒng)的計算方式進行累計計算，每2分鐘記錄一次合計值，與此同時的姿勢數(shù)據(jù)得到記錄。通過計算來判斷睡眠狀態(tài)。程度時間（h） 03 36 69 淺度 是 否 否 中度 否 是 否 深度 否 否 是 表一 睡眠質(zhì)量判定3、 數(shù)據(jù)的同步智能手環(huán)數(shù)據(jù)的同步主要有三種同步方式

6、：藍牙，NFC，USB。對于三種同步方式有不同的優(yōu)缺點和實現(xiàn)手段如下表：類型方式 藍牙 NFC USB優(yōu)點應(yīng)用范圍廣，可操作性強傳輸數(shù)據(jù)更加快捷可同步大存儲量文件，數(shù)據(jù)缺點傳輸速度慢，終端的識別和連接慢只能傳輸存儲量很小的數(shù)據(jù)，可操作終端很少需要硬件成本高，增加硬件體積操作方式與移動終端實現(xiàn)藍牙連接近場信息數(shù)據(jù)傳輸用usb作為連接工具作為與終端連接傳輸數(shù)據(jù)表二 智能手環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式的對照結(jié)構(gòu)組成智能手環(huán)是由數(shù)據(jù)連接模塊運動傳感器三軸加速度傳感器電池（可充電或紐扣電池）閃存芯片藍牙通訊模塊震動馬達指示燈或顯示屏幕（有些可能沒有）NFC（目前只看見 Fitbit Flex有）核心部件是：藍牙傳感器

7、，ActiGraph體動記錄儀等組成。功能框圖圖二 智能手環(huán)結(jié)構(gòu)功能框圖 該智能手環(huán)采用nRF51822芯片，nRF51822是一款為超低功耗無線應(yīng)用(ULP wirelessapplications)設(shè)計的的多協(xié)議單芯片解決方案。芯片支持BLE4.0和2.4GHZ協(xié)議棧，整合了射頻發(fā)射電路，一個ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB的RAM。處理器：ARM Cortex M0介紹：ARM Cortex M0處理器是目前最小的ARM處理器。該芯片的面積非常小，能耗極低，且編程所需的代碼占用量很少，這就使得開發(fā)人員可以直接跳過16位系統(tǒng)，以接近8位系統(tǒng)的成本開銷獲取

8、32位系統(tǒng)的性能。Cortex-M0處理器超低的門數(shù)開銷，使得它可以用在仿真和數(shù)模混合設(shè)備中。ARM Cortex M0優(yōu)點:最小的 ARM 處理器 Cortex-M0 在代碼密度和能效比方面的優(yōu)勢意味著它能夠順理成章地在很廣大的應(yīng)用領(lǐng)域里成為8/16 位系統(tǒng)經(jīng)濟實用的升級換代產(chǎn)品，同時它還保留了與更強大的 Cortex-M3 和 Cortex-M4 處理器的工具及二進制向上兼容性。對于需要更低功耗或更多設(shè)計選擇的應(yīng)用，完全兼容的 Cortex-M0+ 處理器是理想的候選產(chǎn)品。低功耗 Cortex-M0 處理器在門數(shù)低于 12 K 時的能耗僅為 16W/MHz（90LP 工藝，最低配置），這都

9、得益于該處理器是建立在 ARM 作為低能耗技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者以及超低能耗設(shè)備的主要推動者所具備的專業(yè)知識基礎(chǔ)之上。簡單 由于僅有 56 個指令，您可以快速掌握整個 Cortex-M0 指令集及其對 C 語言友好的架構(gòu)，使開發(fā)變得簡單而快速?？晒┻x擇的具有完全確定性的指令和中斷計時使得計算響應(yīng)時間十分容易。使用C語言編程，簡單易懂，能夠快速開發(fā)，商業(yè)性質(zhì)較強。優(yōu)化的連接性 支持實現(xiàn)低能耗網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備（如 Bluetooth Low Energy (BLE)、IEEE 802.15 和Z-wave），尤其是那些需要通過增強數(shù)字功能以高效地進行預(yù)處理和傳輸數(shù)據(jù)的仿真設(shè)備。總結(jié)：智能手環(huán)的設(shè)計充分體現(xiàn)出了科技與人生活的互聯(lián)，移動可穿戴設(shè)施與移動終端之間的契合也變得越來越突出。隨著智能手機中配置的感知器與高運算能力成為常態(tài)，穿戴電腦科技正在快速發(fā)展。不過該智能手環(huán)目前功能比較單一，可以在此基礎(chǔ)上添加GPS或者北斗星定位系統(tǒng)