一種教學用藍牙手環(huán)結構及其快速計步算法的設計

摘要：為了提升高職信息類專業(yè)的教學質量，創(chuàng)新實訓載體，提出一種服務于職業(yè)教育的基于CC2541低功耗藍牙芯片的智能可穿戴手環(huán)系統(tǒng)，并對于計步算法和噪聲濾波算法進行了設計，同時利用藍牙通信方式實現(xiàn)了與Android手機通信。通過開放協(xié)議，在手機端app發(fā)送指令，實現(xiàn)控制手環(huán)震動、同步時間、讀取和設置計步數(shù)據(jù)、讀取實時加速度傳感器數(shù)據(jù)、創(chuàng)意性增加手環(huán)字符串顯示等并在手機app端顯示出來，在移動互聯(lián)技術應用開發(fā)的教學領域具有一定推廣價值。

關鍵詞：職業(yè)教育;可穿戴手環(huán);計步算法優(yōu)化

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）34-0082-03

本文提出了以智能可穿戴設備為載體，以其承載的嵌入式、開放協(xié)議的軟件分析與優(yōu)化、應用層移動APP的開發(fā)為重點的實訓教學模式并加以實踐，力求使學生在掌握移動應用開發(fā)的技能的同時，又具備一定的產(chǎn)品設計概念，從而增強學生在職場上的競爭力，創(chuàng)新出一種新的實訓教學模式。智能手環(huán)是智能可穿戴設備的典型產(chǎn)品，考慮到職業(yè)教育的特點，提出了一種低成本、低功耗、以CC4521藍牙芯片和意法半導體llis3dh傳感器模塊為核心的藍牙教學手環(huán)，同時在嵌入層代碼開放協(xié)議，使學生可以通過手機APP控制手環(huán)的絕大部分功能，提升學生興趣和教學質量。

1 手環(huán)結構圖

結合本教學手環(huán)的功能要求，該系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

可以從圖中看出其中比較耗電的是LED模塊及馬達模塊。

2 藍牙模塊

藍牙模塊結合系統(tǒng)的低功耗需求，選擇德州儀器TI的CC2541芯片。該型號是一款低功耗以及2.4GHz的功率優(yōu)化片載系統(tǒng)解決方案[1]。具有出色的RF收發(fā)器，內(nèi)核是可編程的8051MCU、具有8KB容量大小的RAM相連，從而使其具有功能強大、低功耗等特點。其結構如圖2所示。

3 加速度傳感器模塊

選用意法半導體llis3dh三軸高分辨率加速度計芯片。該芯片能夠測量加速度的輸出數(shù)據(jù)速率為3.125Hz-1.6kHz。支持nciSPI數(shù)字輸出接口，寬電源電壓1.71V-3.6V。如圖3所示。

4 計步算法及其優(yōu)化設計

使用嵌入式集成軟件環(huán)境IAR Embedded Workbench，它提供了一個框架，并適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，它為用戶提供一個易學和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境、對大多數(shù)和特殊目標的支持[2]。嵌入式IAREm-bedded Workbench有效提高了用戶的工作效率，IAR集成了許多種處理器，在建立工程后必須對工程進行設置才能夠開發(fā)出相應的程序。加載TI的BLE-CC254x-1.3.2藍牙4.OBLE協(xié)議棧后，可以看到該框架的結構及本教學手環(huán)的底層程序，其中協(xié)議棧用于射頻數(shù)據(jù)收發(fā)。應用程序用于用戶的指令執(zhí)行，本教學手環(huán)開發(fā)的應用程序主要為：

1）射頻鏈路控制，控制藍牙廣播、連接和斷開、數(shù)據(jù)收發(fā)等。

2）數(shù)據(jù)處理，對藍牙射頻從手機端接收的數(shù)據(jù)進行解析和處理，執(zhí)行相應指令，如馬達震動、屏幕顯示等。

3）手環(huán)功能支持，如讀取傳感器數(shù)值、刷新屏幕顯示、電量管理等。

其中saAcceIMeter.c文件是三軸加速度應用程序，計算步數(shù)的基本原理是：當人體行走時，垂直加速度與水平加速度呈周期性變化。邁步時，垂直加速度減小，水平加速度增加。收腳時，垂直加速度增加，水平加速度減小。勻速跑步理想狀態(tài)下垂直加速度和前進加速度與時間大致是一個正弦曲線[3]，且在某一點有一個峰值，其中垂直方向的加速度變化最大，以上是一種人體運動的理想狀態(tài)，如圖5所示：

但是針對手環(huán)設備，運動方向不是只有兩個方向，現(xiàn)采用x-y-z三軸加速度測量方法解決手環(huán)設備的計步功能，方法是：

1）記錄x-y-z三個方向的運動矢量長度，形成一條運動曲線。

2）均值濾波去干擾，然后選取計算軸，然后判斷是否大于閾值，小于閾值，則返回重新獲取加速度。大于閡值則判斷時間窗，如果在時間窗外，則返回重新獲取加速度。如果在時間窗內(nèi)，則步數(shù)加1。

3）更新閾值，以防人為或者不合法運動步數(shù)的累計。比如人體最快跑步頻率為SHz，則兩步之間的時間間隔大于0.2s，可去高頻步數(shù)。

4）判斷電量，如果電量低，則程序結束，否則返回重新獲取加速度。

整個計步及濾波的流程如圖6所示：

考慮到職業(yè)教育的教學對象和教學效果，本手環(huán)在計步去干擾時采用了響應最快的均值濾波，其原理是對待處理的當前像素，選擇一個模板，該模板為其鄰近的若干個像素組成，用模板的均值來替代原像素的值的方法[4-5]。

此算法去除干擾信號使用均值濾波，優(yōu)點是簡潔有效，適用于運動幅度變化較為劇烈的場景，比如從快跑變成慢跑等情況，計算步頻的閾值只與上次運動數(shù)據(jù)的特征（極值）有關，而與之前的運動數(shù)據(jù)特征無關，相較于常見的運動手環(huán)而言，采取開放協(xié)議，使所有手環(huán)硬件的功能都可以通過手機APP來控制，而一般能夠與手機APP互動的商業(yè)手環(huán)最多設置1-2個控制功能。

5 系統(tǒng)測試

為驗證該手環(huán)設計方案的準確性，選6人對其在1分鐘內(nèi)的步數(shù)進行統(tǒng)計，得到如表1所示的測試結果。

通過利用Android應用開發(fā)技術進行開發(fā)，可以得到如圖8所示的APP開發(fā)界面及運動曲線圖。

6 結束語

該手環(huán)設計以提高學生開發(fā)app的興趣為目的，由此設計如下特色功能。

1）控制協(xié)議開放，可以通過編寫手機app，發(fā)送指令，實現(xiàn)控制手環(huán)震動、同步時間、讀取和設置計步數(shù)據(jù)、讀取實時加速度傳感器數(shù)據(jù)、重命名手環(huán)等功能。

2）創(chuàng)意性增加字符串顯示。可通過app發(fā)送任意字符串，顯示在手環(huán)屏幕上，且可設置多種文字滾屏方式。

3）圖形顯示，通過app發(fā)送圖片至手環(huán)，顯示在手環(huán)屏幕上，手環(huán)更具個性化。

通過以上特色功能，學生可以自行編程，讀取手環(huán)數(shù)據(jù)和控制手環(huán)顯示，通過程序個性化設置自己的手環(huán)，熟悉手機藍牙4.0的應用開發(fā)的同時，直接看到自己app作品的藍牙控制效果，學有所用，真正體會到物聯(lián)網(wǎng)中萬物互聯(lián)、無線控制的樂趣。

參考文獻：

[1]鐘晨.基于單片機技術的可穿戴智能手環(huán)設計[J].微處理機，2017，38（3）：75-78.

[2] IAR Systems; IAR Embedded Workbench Supports RenesasGraphics Library for Automotive Instrument Cluster Develop-ment[J]. Electronics Business Journal，2016.

[3] Tencent CDC[EB/OL]. https：//cdc.tencent.com/2013/07/26.

[4]彭姝姝，基于均值濾波和小波變換的圖像去噪[J].現(xiàn)代計算機，2019（12）：62-67.

[5]陳銀溢.基于CC2541和LIS3DSH的計步器設計[J].機械工程與自動化，2014（6）：96-98.

【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2019-09-26

作者簡介：王彤（1968-），男，陜西安康人，副教授，工程碩士，主要研究方向為軟件技術、專項信息系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)字圖像處理及模式識別領域。