基于嵌入式的智能手表設(shè)計(jì)

錢玉斐++宋宇飛

摘 要：本課題結(jié)合市場的實(shí)際需求，論述了一種基于STM32的智能手表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)基于STM32硬件開發(fā)平臺(tái)，通過移植C/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及emWin圖形軟件庫設(shè)計(jì)了手表的GUI界面。整個(gè)系統(tǒng)采用MPU6050模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)步器功能，采用藍(lán)牙模塊進(jìn)行手表與安卓手機(jī)的雙向通訊，以實(shí)現(xiàn)來電短信提示、防丟功能以及短信報(bào)警定位功能。此外，該手表可以手勢(shì)識(shí)別，當(dāng)手臂抬起時(shí)屏幕自動(dòng)變亮，放下時(shí)則自動(dòng)變暗，設(shè)計(jì)十分人性化。

關(guān)鍵詞：可穿戴；嵌入式；計(jì)步器；藍(lán)牙通信；手勢(shì)識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-0-02

0 引 言

隨著移動(dòng)設(shè)備技術(shù)的日益發(fā)展，可穿戴設(shè)備愈加受到重視。可穿戴設(shè)備具有各種類的產(chǎn)品形態(tài)，可佩戴于人體的多個(gè)部位，比如服飾、手表、眼鏡、手環(huán)、飾品等。而可穿戴電子外套也正在研發(fā)，隨著日后研發(fā)的深入，嵌入到人體皮膚內(nèi)的電子文身、佩戴的眼鏡都有機(jī)會(huì)用到可穿戴技術(shù)。得益于各種新技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備將愈發(fā)不被人感知，將以更加自然的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，為用戶更好的提供服務(wù)。

智能手表是可穿戴設(shè)備最重要的發(fā)展方向之一，它是一種內(nèi)置操作系統(tǒng)，具有手機(jī)來電、短信提醒、釋放音樂等功能，并且可以配備各種傳感器的手表形態(tài)的智能穿戴設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含硬件工作系統(tǒng)與軟件功能系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)包含MCU（STM32）主控模塊、電源供電充電模塊、藍(lán)牙模塊、陀螺儀MPU6050模塊等。軟件系統(tǒng)則包含下位機(jī)嵌入式軟件程序與上位機(jī)（安卓App）軟件程序。圖1所示為系統(tǒng)組成框圖。

2 功能實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)的智能手表主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

（1）時(shí)間功能。具有RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，可以通過手表看時(shí)間。

（2）手勢(shì)識(shí)別。加入手勢(shì)識(shí)別功能，當(dāng)人的手臂抬起時(shí)屏幕會(huì)自動(dòng)變亮，而放下時(shí)則自動(dòng)熄滅。

（3）計(jì)步器。通過陀螺儀MPU6050與濾波、計(jì)步算法得出較為準(zhǔn)確的步數(shù)，同時(shí)算出距離與消耗的卡路里。

（4）藍(lán)牙通信。手表與安卓手機(jī)通過藍(lán)牙進(jìn)行雙向通信。在安卓手機(jī)上編寫App應(yīng)用軟件，該App軟件里包含3個(gè)小功能單元，可以分別實(shí)現(xiàn)來電短信提醒的手機(jī)助手功能、防丟功能以及在發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)可通過按下手表按鍵的方式向指定的手機(jī)號(hào)發(fā)送實(shí)時(shí)更新的定位信息功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件框圖如圖2所示。硬件組成框圖主要介紹了智能手表的硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成，包括基于Cortex_M3架構(gòu)的意法半導(dǎo)體的CPU芯片STM32F103ZET6的STM32最小系統(tǒng)、電源模塊、3.2寸液晶觸摸屏、陀螺儀以及藍(lán)牙模塊。

4 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包含了C/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植、應(yīng)用程序的界面設(shè)計(jì)、STM32嵌入式軟件設(shè)計(jì)以及安卓App的相關(guān)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。其中還有系統(tǒng)運(yùn)行流程、計(jì)步器算法、與手機(jī)藍(lán)牙通信以及手勢(shì)識(shí)別等部分。嵌入式軟件框圖如圖3所示。

5 安卓App設(shè)計(jì)

App界面運(yùn)用WindowsPhone的經(jīng)典風(fēng)格，整體以方塊形式出現(xiàn)，界面簡潔清爽，內(nèi)含必要的提示信息。App主要實(shí)現(xiàn)手機(jī)助手、防丟功能以及安全衛(wèi)士三種功能。

5.1 藍(lán)牙通信

利用“藍(lán)牙”技術(shù)能夠有效簡化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信。從智能手表與手機(jī)終端通信的短距離和簡易性考慮，我們選擇藍(lán)牙通信方式。主要處理以下內(nèi)容：

（1）藍(lán)牙連接線程。

（2）藍(lán)牙連接與斷開廣播，在重寫的方法里做特定處理。

（3）“呼吸監(jiān)測”代碼，由于手表端較難檢測藍(lán)牙是否斷開，所以我們采用一種特殊的方式，一旦藍(lán)牙連接上，便向下位機(jī)以一定頻率發(fā)送特定字符，當(dāng)下位機(jī)收到字符信息時(shí)代表藍(lán)牙連接，一旦無法接收到字符則代表藍(lán)牙斷開。

5.2 GPS定位

現(xiàn)在的安卓智能手機(jī)大多帶有GPS模塊，通過GPS我們可以獲取當(dāng)前位置。這個(gè)功能主要用于發(fā)生危情時(shí)能將帶有當(dāng)前位置與地圖的信息發(fā)出，對(duì)于得到及時(shí)援救有重要作用。主要處理以下內(nèi)容：

（1）實(shí)例化LocationManager打開GPS。

（2）獲得最佳搜索條件。

（3）獲取最后獲得的位置。

（4）請(qǐng)求實(shí)時(shí)更新Location數(shù)據(jù)。

5.3 短信和來電提示

采用廣播方式檢測新的短信和來電，采用監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫的方法來判斷短信和來電是否已讀。主要步驟如下：

（1）注冊(cè)接收到新短信和未接來電的廣播，在重寫方法中發(fā)送特定字符給下位機(jī)。

（2）廣播判斷是否有短信。

（3）監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫判斷是否有未接來電。

（4）發(fā)送短信的方法。

6 性能測試

6.1 與手機(jī)通信功能測試

與手機(jī)進(jìn)行通信時(shí)需測試如下幾項(xiàng)：

（1）手表與手機(jī)通信響應(yīng)時(shí)間小于0.1 s。

（2）藍(lán)牙斷開后自動(dòng)連接所需時(shí)間小于0.5 s。

（3）手表觸發(fā)后，手機(jī)以30 s間隔實(shí)時(shí)更新地圖位置并將其以短信形式發(fā)出。

6.2 計(jì)步器和手勢(shì)識(shí)別測試

計(jì)步器和手勢(shì)識(shí)別需測試如下幾項(xiàng)：

（1）如果以標(biāo)準(zhǔn)的步伐動(dòng)作和手臂擺動(dòng)動(dòng)作計(jì)步，計(jì)步誤差在5%以內(nèi)。

（2）手勢(shì)識(shí)別控制手表屏幕顯示反應(yīng)時(shí)間小于0.5 s。

6.3 其它功能測試

其他測試包含如下兩項(xiàng)：

（1）手表顯示時(shí)間功能誤差幾乎為0。

（2）手表溫度顯示誤差在2攝氏度以內(nèi)。

7 結(jié) 語

本文從市場需求出發(fā)，設(shè)計(jì)融合了嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、Android應(yīng)用技術(shù)以及硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，介紹了一種基于嵌入式的智能手表的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際性能測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠、功能強(qiáng)大，基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]姚文祥.ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[3]劉火良.STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4]宮輝.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[5]莊嚴(yán).嵌入式C/C++系統(tǒng)工程師實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6]李悅城，野火.C/OS-III源碼分析筆記[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[7]黃永麗，王曉，孔美云.Android應(yīng)用開發(fā)完全學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[8]郭霖.第一行代碼—Android[M].北京：人民郵電出版社，2014.