戶外可穿戴情境感知系統(tǒng)的研究與實現

李和+周斌

摘 要： 為了使可穿戴設備更加具有實踐性和個性化，滿足人們更好地感知環(huán)境、認識自己的需求，在研究可穿戴智能設備及情境感知技術的基礎上，結合GPS技術及微機電系統(tǒng)傳感器對周圍環(huán)境進行感知和數據采集，設計并實現一種可穿戴式戶外情境感知系統(tǒng)，用于提供GPS位置信息、氣壓、溫濕度、時鐘日期和運動軌跡等。結果表明，該系統(tǒng)具有便捷、準確、功耗低的特點，可廣泛應用于戶外旅游探險、登山、航海、車輛的安防定位和軍事反恐等諸多領域。

關鍵詞： 可穿戴情境感知設備； 嵌入式系統(tǒng)； 情境感知； GPS； MEMS傳感器； 數據采集

中圖分類號： TN911.23?34； TN915 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0152?04

Abstract： To make wearable device more practical and characteristic and meet people′s requirement of better environment perception and self?recognition， the GPS technology and Micro?Electro?Mechanical System （MEMS） sensor are adopted to perform environment perception and data acquisition on the basis of research on smart wearable device and context?awareness technology. An outdoor wearable context?aware system was designed and implemented to provide GPS location information， air pressure， temperature， humidity， clock date， moving trail， etc. The experimental results show that the system has the characteristics of convenience， accuracy and low power consumption， and can be widely used in fields such as outdoor tour exploration， mountain?climbing， navigation， vehicle security positioning and military anti?terrorism.

Keywords： wearable context?aware device； embedded system； context awareness； GPS； MEMS sensor； data acquisition

可穿戴計算技術是美國麻省理工學院媒體實驗室在20世紀60年代提出的創(chuàng)新技術，利用該技術與多媒體、傳感器、無線通信等技術相結合，可制造出支持多種交互方式的智能設備，這些設備可以直接穿戴在身上或者嵌入人們的衣著中成為衣物的配件。經過幾十年的發(fā)展，市面上已經涌現出智能手表、智能眼鏡、智能手環(huán)等主流可穿戴設備，但這些設備還不能滿足工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂等諸多領域的個性化需求。隨著可穿戴計算技術的進步和移動互聯(lián)網的發(fā)展，以及低功耗高性能芯片成本的降低，可穿戴設備的形態(tài)和功能等都在不斷演變，從整體發(fā)展來看，未來可穿戴計算的創(chuàng)新應用將朝著更個性化、智能化、深度化的方向發(fā)展[1]。情境感知（Context?Aware）技術是可穿戴智能設備研究過程中的一項關鍵技術，可以為可穿戴設備帶來更加具有實踐性和個性化的支持，從而滿足人們更好地感知環(huán)境、認識自己的需求[2]。本文在研究可穿戴智能設備及情境感知技術的基礎上，結合GPS技術及微機電系統(tǒng)（Micro?Electro?Mechanical System，MEMS）傳感器[3]對周圍環(huán)境進行感知和數據采集，設計并實現一種可穿戴式戶外情境感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現對全球范圍內實地經緯度、海拔、氣壓、溫濕度等的測量且語音播報當前地理環(huán)境情況，并能在Google Earth上查看運動軌跡等。其設備具有良好的可穿戴性和便攜性，在戶外旅行、野外探險、登山、航海、車輛的安防定位以及軍事反恐等諸多領域有著廣闊的應用前景。

1 可穿戴智能設備的關鍵技術

可穿戴設備主要包括處理器、存儲器、電源、無線通信、傳感器和執(zhí)行器等。與傳統(tǒng)的智能設備相比，智能穿戴設備應具有體積小巧、實時接觸的特點，在計算、感知、輸入/輸出、交互等方面實現進一步的變革創(chuàng)新，以滿足綜合感知、智能交互的需求。可穿戴智能設備并不是PC機簡單的體積縮小，其中包含了很多關鍵技術，這些技術被稱為可穿戴計算技術[4]，主要技術如下：

1） 移動處理技術

可穿戴智能設備的移動處理器與一般計算機的處理器不同之處在于，它可以“穿”在身上，并且具有移動性，可以感知多維的傳感數據，做到任意時刻任何地點（anytime，anywhere）的計算。總體而言，智能穿戴類設備處理器主要選取具有穩(wěn)定續(xù)航能力的低功耗處理器芯片，比如采用微內核的嵌入式系統(tǒng)。

2） SoC及多接口控制技術

可穿戴設備的各功能模塊應采用片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）技術，將多個硬件集成到一個芯片里，可以縮小可穿戴設備的體積，降低成本。采用多接口控制技術，實現整合芯片、傳感器、系統(tǒng)軟件、顯示、存儲、電池以及與周邊設備無縫互通的通信協(xié)議等。

3） 超微型傳感器技術

隨著傳感器集成性、功能性和智能化的提升，可穿戴設備已經不僅僅局限在人身體的某個部位，而是具備對外部環(huán)境、建筑等數據的收集、監(jiān)控和傳輸服務。各類傳感器功能性的全融合將成為傳感器的研發(fā)方向，MEMS傳感器的創(chuàng)新應用將是可穿戴設備發(fā)展的源泉。endprint

4） 智能交互技術

可穿戴設備的智能交互技術要使用戶與可穿戴設備形成一個“人機合一”的系統(tǒng)，提高用戶對環(huán)境感知能力和設備對用戶的反饋能力。情境感知技術是智能交互技術的重要組成部分[5]，它的發(fā)展和應用為可穿戴設備帶來了更加具有實踐性和個性化的支持，下面重點介紹情境感知技術。

2 情境感知技術

情境（context）也稱文境、上下文等，可通俗地理解為“用戶的身份、位置、環(huán)境、時間等”。對于context的定義，一直以來沒有統(tǒng)一的結論，比較認可的一種定義是美國的Anind K. Dey做出的[6]：“context是一種信息輸入，該信息可以是任一種描述與用戶及其應用相關的環(huán)境實體的信息，包括人物、地點、時間、物體等。”典型的context信息包括：身份信息（identity）、環(huán)境信息（environmental information）、空間信息（spatial information）、生理信息（physiological measurements）等。一般通過傳感器之類的設備獲得context信息，例如可以通過溫度傳感器獲得環(huán)境信息，通過GPS定位獲得空間信息等。Anind K. Dey將情境感知技術定義為“一種應用系統(tǒng)，該應用系統(tǒng)利用context向用戶主動提供與用戶任務相關的信息和服務。”顯然，情境感知就是將獲取的信息主動提交給主機處理并最終服務于用戶的技術。經過對可穿戴智能設備的研究，構建一個典型的基于可穿戴計算平臺的情境感知體系結構如圖1所示。

基于可穿戴計算平臺的情境感知體系結構屬于一種開放型的體系結構[7]，可分為四層：物理傳感器層、邏輯傳輸層、context層和應用層。從低層向高層，每層都有各自的相應組件，層層信息傳遞，實現應用服務功能。結合圖1，以GPS定位導航應用服務為例：GPS模塊（物理傳感器層的組件） 將獲取的定位信息通過串口通信模塊（邏輯傳輸層的部分）傳送到核心微處理器，微處理器經過提取經緯度等信息并進行處理，確定用戶的位置（context層的成員），并通過與微處理器連接的輸出設備LCD液晶屏顯示（應用層的實現），主動向用戶提交位置信息，從而完成一個定位功能的應用。通過這個流程可以看出，它完全符合可穿戴計算平臺的情境感知體系的層次結構。

3 可穿戴情境感知系統(tǒng)的實現

3.1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)結合GPS模塊及若干功能性MEMS傳感器對周圍環(huán)境進行感知和數據采集，可實現對全球范圍內實地經緯度、海拔、氣壓、溫濕度等的測量且語音播報當前地理環(huán)境情況，并能在Google Earth上查看運動軌跡等。系統(tǒng)實現框圖如圖2所示。

由GPS模塊定位實時采集經緯度坐標點并保存在存儲器中，通過串口發(fā)送到上機位，再由上位機生成

.KML文件，最后加載到Google Earth地圖上就能在地圖上顯示存儲器所記錄到的軌跡[8]；通過三軸地磁傳感器和三軸加速度傳感器，實現對設備傾角的檢測[9]，進而對電子羅盤的參數做出傾角補償來減小誤差；采用BMP085模塊芯片，內置A/D轉換器，可以測試出大氣氣溫和大氣壓強；T588D語音播報模塊通過揚聲器讀出存儲器記錄到的當前時間、經緯度、搜索到的衛(wèi)星數目、溫濕度和大氣壓強等；設備使用者通過按鍵向系統(tǒng)發(fā)送各項指令，在液晶屏上即可顯示相應的內容。

3.2 各主要功能模塊的實現

主處理器模塊采用STC12C5A60S2主控芯片，它運用了增強型8051內核，運行速度比普通的8051單片機快8～12倍，而且其片內具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，如STC12C5A60S2單片機內部就自帶高達60 kB FLASH ROM。這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，而且STC系列單片機和8051指令、管腳完全兼容，支持串口程序燒寫，寫入單片機內的程序還可以進行加密，對作品有很好的保護。本系統(tǒng)主控處理器電路如圖3所示。

三軸加速度傳感器使用ADXL345三軸加速度模塊，它具有超低功耗，VS=2.5 V時（典型值），測量模式下降至23 μA，待機模式下為0.1 μA，并且功耗隨帶寬自動按比例變化，用戶可選分辨率。通過三軸地磁傳感器和三軸加速度傳感器，實現對設備傾角的檢測，進而對電子羅盤參數做出傾角補償來減小誤差[10]。指南針使用HMC5883指南針模塊，主要是考慮校正設備本身磁場的干擾，從而使測量數據更為準確。三軸加速度傳感器及指南針電路如圖4所示。

氣壓傳感器使用BMP085不僅可以實時測量大氣壓力，還能測量實時溫度，同時它還具有I2C總線的接口。MS5611?01BA03是由MEAS公司設計并生產的新一代高分辨率的測高傳感器，它提供SPI接口和I2C總線兩種接口，10 cm的高分辨率使得它更適合于高度測量和氣壓測量。該傳感器模塊包括一個高線性壓力傳感器和一個24位低功耗的A/D轉換器，傳感器內部包含有工廠校準系數，它提供了一個精確的24位壓力和溫度值以及不同的操作模式，允許用戶優(yōu)化轉換速度和電流消耗。其采用領先的MEMS技術，可以連接到幾乎所有微控制器，通信協(xié)議簡單，無需在設備內部寄存器編程。

氣壓傳感器電路如圖5所示。

顯示屏使用Nokia 5110液晶屏，只占用6個I/O口，大大提高了I/O口的利用率，且Nokia 5110液晶屏體積小，但有著高達84×48的分辨率，可以同時顯示15個漢字，30個字符。工作電壓3.3 V，正常顯示電流20 μA，非常省電，滿足本系統(tǒng)顯示的要求。顯示電路如圖6所示。

4 系統(tǒng)的實現結果

系統(tǒng)最終的內部實物圖如圖7所示，經包裝后的可穿戴成品如圖8所示，系統(tǒng)可穿戴在用戶的手臂、腿部、腰間等部位，對周圍情境進行感知與監(jiān)測，是戶外運動的得力助手和必備神器。endprint

5 結 語

本文在研究可穿戴智能設備及情境感知技術的基礎上，以STC12C5A60S2芯片為核心處理器，結合GPS技術、MEMS傳感器技術，設計并實現一種可穿戴式戶外情境感知系統(tǒng)，可廣泛應用于戶外旅游探險、登山、航海、野外勘察及安防定位和軍事反恐等諸多方面。系統(tǒng)很容易通過增加MEMS傳感器等模塊實現功能擴展，還可以通過GSM模塊、CDMA模塊或者射頻模塊等進行無線組網，實現一個大型情境感知無線傳感器網絡。本設計與行走發(fā)電、基于衣物的太陽能發(fā)電、基于織物的柔性平面電池等人體供電模式相結合是未來可穿戴產業(yè)重要的發(fā)展方向。

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