可穿戴設(shè)備設(shè)計——運動手表畢業(yè)設(shè)計論文

1、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2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)進行2次處理，實現(xiàn)運動步數(shù)、卡路里消耗量、運動距離、運動時間

2、、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）二、 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

3、給用戶跑步方便的建議。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。3四、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。框圖如圖1所示。供電系統(tǒng)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)傳

4、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。因為采用傳感器模塊主控部分1 顯示部分4oled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

5、安全性。選用的充電器接口為microusb接口，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乍為控制器采用AT89C5仲片機進行控制。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ATmega644P乍為控制器采用ATmega644P單片機進行控制。ATmega328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ATmega644P單

6、片機，能將相當(dāng)一部分外圍器件結(jié)合到一起，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ALME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. MPU605

7、0智能手表的記步功能可以通過兩種不同方式來實現(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5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)，還可依此進一步估算用戶步行距離。這種方 式

8、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：1.0LED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

9、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莫塊。（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

10、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6很大，所需要傳送的距離也 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7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Microdui no系列模塊體積小、 可層疊式搭配使用，總體積將在3CM*3CM*3C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。Microdui no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

11、模塊選擇了搭載了Atmel ATmega644P的Microduino-Core+，該模塊 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)：HT1E6Hit + 4R3N02.采用Microduino系列的矢量傳感器模塊，集成了磁LCC(PCJNrICC6WCCciPClNFS/fiDCSS(PUJM廠吟/什口壯十沖什十iPC-lNr/rtDCJh HE5E T(PE3(PNF(PCNriB/SCK)SB7向口RFtPCCNT14科口 2 網(wǎng) PCCU

12、T12/OCeO/CCB嗎P CCNT11 /OCC-A/AIM1)3D3FJI10/IWT2/ATHfiPE 2rPCTMTS/CLKD/TDPB1C.PL1SI f 7XCK H7 I已沖呂*卜匸CIW T31/0C2AWD7 (PtlFH 3 9/tt：2D/ICPyPD FCIHT29/0Cift)PD5D GWD(PCrNT2?/INrriPD3叫鐘申一/41J PJdF.TDUii9cTri9J3OC?D口需g卑ofnUn8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。禾U用該模塊所具有的傳感器，就可以實現(xiàn)我

13、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（HMC5883L93.三軸加速度+三軸陀螺儀傳感器 (MPU6O50,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)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。Q2SCL-INSE1CJ2GND1+NCOC1卅賈!5抵3LS1INDCItnyC6122UFGND+ 3V3A+3V3CDJ.GND102-1 -14.Microdui no-BT模塊是一塊支持藍(lán)牙串口透明傳輸模塊,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

14、機端的APP對用戶的運動數(shù)據(jù)進 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：GND拠JX DA衛(wèi)RUX_CL+3V3C210nFGND+3V3GNEC42.2nF?laCLKINNCONC1NC2NC3AUX_DAtInodoLA曾膽U十MPU0O6DGNDGNDOAtnLL7NL.JN-.GNDL空14+3V3AC1O.IuF5N5利用該模塊可以實現(xiàn)我們的11片，提供額外的EEPRO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

15、是基于SSD1306的0.96吋12864 OLED顯示模塊。 采用I2C接口，3.3V電源。+3V3FlUll=1010P09PIOBp ri7PlOEPIO5PI04PlUdPC12PI01POOGND4st5.Microduino-RTC時鐘模塊是基于R? SWUSVM ld70*F?356- wv-DM.PCF8563芯片的時鐘模塊，模塊還附加AT24C32芯M 二-v 彳NCNCIN 亡 2NC3ACOARIREJETDVCCGkinTn12工2E-1nJA F 切LO O劇SAaHgMHgMdILIrdILIrC1HIJJC1HIJJ纟K KI I出r rl l密E E o o出口

16、GA5GA5GA自畫A1I12Microdui no-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13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:圖2用ATmega644P/實現(xiàn)數(shù)控功能的萬框圖六、軟件的設(shè)計(1)單片機程序框圖采集電14省電界面1516、安卓手機客戶端程序功能框圖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

17、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）(2)f查看歷史數(shù)據(jù)制定運動計劃藍(lán)牙連接手表健康資訊詳情：17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

18、項讓用戶進行選擇。然后在后臺利用“動態(tài)體重估測模型” （見下）進 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)18/ 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行組織 設(shè)計同上，不過進行了

19、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，進行更刪改查b)跳轉(zhuǎn)至賬號注冊界面4.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

20、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：卡里路模型一一Hall_La ncet_Web_Appe ndix.pdf192.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

21、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行比較， 如果是相反的，即是剛過峰值狀態(tài)，則進入計步邏輯進行計步，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。Length FFT算法如下：for (int m=0;mN_F

22、FT;m+)accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); /讀取6050數(shù)據(jù)Tinie$p，inLength FFTrineslu h I20Ax=ax/16384.00;Ay=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();/進行FFT計算/進行低通濾波，濾掉高頻部分for(intii=20;iiN_F

23、FT;ii+)data_of_N_FFTii.imag=0;data_of_N_FFTii.real/*IFFT();進行IFFT計算data_of_N_FFTN_FFT.real =data_of_N_FFTN_FFT-1.reOl輸入采樣數(shù)據(jù)stepc=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 t

24、heLow=IFFT_RESULT(0);/bool findTop=0,findLow=0;for(int i=1;i=dataMAX求波峰 dataMAX=IFFT_RESULT(i);if(IFFT_RESULT(i+1)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)%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);/%新 設(shè)置比較的起點22retur n 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 的各部分進行了測量，通過pro