基于單片機技術的可穿戴智能手環設計

鐘 晨

（惠州市德賽工業發展有限公司，惠州516000）

基于單片機技術的可穿戴智能手環設計

鐘 晨

（惠州市德賽工業發展有限公司，惠州516000）

為提高可穿戴手環的測量準確性，延長智能手環的待機時間，提出一種基于MSP430超低功耗芯片的智能穿戴手環系統。結合MSP430系列芯片的特點，對系統整體架構進行設計，并在該基礎上引入移植μC／OS-Ⅱ系統對傳統的計步算法進行改進；同時利用藍牙通信方式實現與Android手機的通信，并通過軟件界面將計步數顯示出來；最后對手環的計步精確度、待機功耗以及APP軟件進行測試，并與目前主流產品進行比較，表明在準確度和待機時間方面都有很大提升，同時可很好的展示計步結果，具有一定推廣價值。

MSP430系列；可穿戴手環；計步算法；待機時間；APP界面

1 引言

隨著現代電子技術和移動通信技術的發展，可穿戴智能設備發展迅速，并成為當前行業研究的熱點。可穿戴智能設備產品種類涵蓋多個領域，從兒童監護、健康、智能服飾，再到通信領域等，同時還引入體能監測、語音導航等多種功能。可智能穿戴設備是一種以移動互聯網為基礎，具有高性能、低功耗的智能電子設備，區別于手機，而體現出的是一種可穿戴物品。其借助通信技術、傳感器技術等與人體進行交互，是在全新的理念下誕生的一款移動智能設備。目前，市場針對可穿戴智能設備的種類很多，智能手環就是其中一種，如三星、華為、蘋果等都相繼開發出了智能手環，成為當前行業研究的標桿。但研究認為在智能手環領域，產品的同質化問題非常嚴重，同時智能手環的準確度和待機時間成為影響用戶體驗的重要因素[1]。對此，結合上述需求，提出一種低功耗的智能手環設計方案，并通過手機APP將結果展示出來，最后驗證了方案的可行性。

2 MSP430系列單片機結構及特點

2.1 MSP430單片機結構

隨著單片機技術的不斷發展，以STM32、MSP430、ARM9等為代表的微處理器成為當前工業應用的重點。其中，MSP430作為一種16位微控制器，在微處理器中擁有較高的性價比。目前，隨著MSP430芯片的不斷改進，已經形成擁有MSP430x11～MSP430x55不同系列在內的產品組合，可用于不同的應用場景。具體結構如圖1所示。

圖1 MSP430x55xx引腳圖

2.2 MSP430單片機特點

MSP430系列單片機之所以迅速發展，并被廣泛應用，主要是因為以下特點[2]：

（1）強大的處理能力

MSP430系列是由TI公司推出的一款16位的低功耗單片機，采用RISC結構，具有豐富的尋址方式、27條強大內核指令，擁有較高的運算和處理速度，在8MHz晶體驅動下的周期為125ns，從而大大提高了編程效率。

（2）低功耗

MSP430系列單片機之所以具有超低的功耗，原因在于其擁有不同的工作模式。在芯片中，共有一種活動模式 (AM)和五種不同等級的低功耗模式(LPMO～LPM4)，從而滿足不同狀態下的功能需求。而在等待情況下，最低用電可達0.1uA。

（3）豐富的外圍模塊

MSP430系列單片機擁有豐富的外圍功能，如看門狗、定時器 A(TimerA)、定時器 B(TimerB)、硬件乘法器、端口1～6(P1～P6)等不同模塊，通過這些模塊的組合，可滿足不同的功能需求，大大提高了芯片實用性。其中看門狗可在程序失去控制的時候迅速復位；16位的定時器具有捕獲/比較功能，可對寄存器進行大量的捕獲/比較；具有多個I/O端口，最多可達到6*8條不同的I/O口線。由此，這些功能為系統解決方案提供了極大方便。

（4）高效的開發環境

在對MSP430進行開發中，只需要借助一臺電腦和一個JTAG調試器，并通過JTAG接口即可對程序編程、調試，大大方便開發者的開發需要。

3 系統硬件整體設計方案

結合MSP430芯片特點和智能手環的功能需求，將該系統的整體架構設計為如圖2所示。

圖2 智能手環整體硬件架構

通過圖2看出，該智能手環設計整體包含6個不同的功能模塊，MSP430F作為主控芯片對不同的功能進行控制。

3.1 主控芯片選擇

本文選擇當前最新的MSP430F5529作為主處理器，主要是因為該主控芯片具有以下優勢：

（1）高性價比

MSP430F5529芯片內擁有4個可通用串行接口，128KB閃存，8KB容量的SRAM，同時可支持、I2C、SPI和UART接口。

（2）低功耗

該芯片內擁有兩種功耗模式，一種為激活模式，一種是待機模式，而在待機模式下，該芯片的功耗可低至2.1KA。

3.2 三軸加速度傳感器

三軸加速度選擇由西門子公司生產的ADXL345傳感器[3]，該傳感器內置A/D數模轉換，從而可將搜集到的數字信號通過SPI或者接口方式輸出，輸出范圍為：±2g、±4g、±8g、±16g，其中g表示地球引力加速度。

3.3 藍牙模塊

藍牙模塊結合系統的低功耗需求，選擇CC2541型號。該型號是一款低功耗以及2.4GHz的功率優化片載系統解決方案[4]。具有出色的RF收發器和可編程的8051MCU、8KB容量大小的RAM連接，從而使其具有功能強大、低功耗等特點，同時藍牙模塊與主控芯片的通信則通過UART接口。

4 系統軟件部分設計

4.1 低功耗設計

為進一步提高MSP430F5529芯片的工作效率，本文在芯片上移植μC/OS-II實時操作系統，實現對不同的任務進行調度。同時在該智能手環的設計中，如果運行μC/OS-II，則會破壞整個系統運行的低功耗要求。因此在系統運行中，提出采用最低優先級的任務Task_Enter LPM3（），從而讓系統在沒有程序運行時，直接進入到待機模式。具體調度程序如圖3所示。

圖3 μC/OS-II系統下的任務調度程序設計

4.2 計步算法設計

本文設計的智能手環最為主要的功能就是計算步數，從而為不同的人提供運動信息。而計步的準確性除依靠精度較高的傳感器外，還必須通過軟件對得到的信號進行處理，從而計算步數[5]。而通過西門子公司生產的ADXL345傳感器采集到的信號具有很大的噪音，需要通過濾波方式對信號進行處理。對此，結合上述思路，實現算法設計為如圖4所示。

圖4 計步算法設計

4.3 基于Android的APP軟件設計

為進一步提高該智能手環的用戶體驗，針對當前用戶較多的Android手機開發了一款APP軟件，從而讓廣大用戶通過該界面即可查看相關信息。結合當前的計算機開發技術[6-8]，系統將該APP的整體框架設計為如圖5所示。

圖5 智能手環APP整體框架

在該APP框架中，智能手環通過藍牙方式與APP通信，用戶只需要通過點擊交互界面中所需要功能，即可完成對計步數的查詢。通過系統后臺數據庫還可根據用戶身高、體重、步數等對消耗的卡路里進行計算。

5 系統測試

通過利用計算機技術對系統進行開發，可以得到如圖6所示的APP開發界面。

同時為驗證該手環設計方案的準確性，分別選取4個不同的人對其在1分鐘內的步數進行統計，得到如表1所示的誤差結果。

圖6 智能手環APP開發界面

表1 手環計步數準確度統計

同時，對該智能手環的功耗進行統計，可以得到表2所示的結果。

表2 智能手環功耗測試統計

通過上述設計和實驗結果可以看出，系統無論在功能界面，還是在計步準確度及功耗方面都有很大提升。

6 結束語

利用MSP430F5529芯片在低功耗和性價比方面的優勢，設計了一款可用于智能手機的智能手環系統，從而讓人們通過手機即可實現對自己的運動步數和消耗能量進行統計，大大提高了智能化技術的應用水平，為智能化的深入推廣提供了參考。

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[8] 王柯,馬宏斌.一種基于Android平臺數據采集系統的設計與實現[J].測繪與空間地理信息,2014(10):29-32.Wang Ke，Ma Hongbin.Design and implementation of a data acquisition system based on Android platform[J].mapping and spatial geographic information,2014,(10):29-32.

Design on Wearable Smart Bracelet Based on Single Chip Technology

Zhong Chen
（The DESAY Industry Development of Huizhou Co.,Ltd.,Huizhou 516000,China）

In order to improve the measurement accuracy of wearable bracelet and extend the standby time of smart bracelet，a main controller based on MSP430 ultra low power consumption chip is proposed.Combined with the characteristics of MSP430 series chips，the system architecture is designed and the C/OS-II system is introduced to improve the traditional algorithm.Finally，the step precision and standby power consumption of the bracelet are tested，compared with the current mainstream products，it has a certain application value because of a great improvement in terms of accuracy and standby time.

MSP430 series；Wearable bracelet；Step algorithm；Standby time；APP interface

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.016

TN919.5

A

1002-2279-（2017）03-0075-04

鐘晨（1967-），男，廣東省龍川市人，博士研究生，高級工程師，主研方向：新一代移動通訊、IC設計等技術領域相關的軟件、系統集成等核心技術的研究。

2016-09-26