一種配合交通乘運設備使用的多功能手環方案設計

張晴，鄧軍，張娟，張妤婕，楊丹妮，閆夢真

（南京師范大學中北學院，江蘇鎮江，212300）

1 概述

■1.1 國內外研究背景

國外：到2014 年底之前，智能手環的產品類型已經超過50 多種，在全球市場中，智能手環對外出貨量達到年均1300 萬只。據數據預測，截止到2017 年底，智能手環對外年出貨量將會突破到3600 萬只。

國內：我國智能手環自2013年開始出現，市場發展迅速，出現了華為、榮耀、三星以及小米等為主導的國內電子市場，目前位列關注榜前15的幾乎都是國產品牌，國內手環市場進一步開拓。

國內手環的類型主要有榮耀手環，其功能是全觸控操作，可以血氧檢測、運動監測、睡眠監測、擁有健康數據系統；小米手環，其主要功能是智能語音、游泳監測、鬧鐘、多運動模式、卡路里消耗；華為運動版手環，主要功能即為運動監測；蘋果智能手環，主要功能跟其他手環不同，它可以支持第三方應用下載，簡單直接地解鎖電腦，可以配合Airpods 使用聽歌，在沒有手機的情況下，也能進行收發微信、接打電話的操作[1]。

■1.2 設計思路及創新點

市場現有手環的功能對于老人來說使用較復雜且針對性不強，結合問卷調查數據，我們對于手環的交通出行功能做了提升，以定位功能為基礎，延伸出一鍵叫車及到站提醒功能。

2 總體技術方案

■2.1 非接觸式IC 卡系統

該手環采用Mifare S50 射頻薄卡飛利浦(NXP)原裝IC芯片，這種芯片的優點是可靠性高，操作方便,加密性能好，快速的防沖突機制。

刷卡功能實現方式：LC 諧振電路。IC 芯片主要用于存儲信息，感應天線用于充電和通信。它具體的工作原理如下：在卡內形成的LC 串聯諧振電路中，其接收來自射頻讀寫器發出的固定頻率電磁波組，電磁波頻率與讀寫器發射頻率一致，電路受到電磁波的激勵作用共振產生電荷，使卡內的電容攜帶電荷；在電荷的對面連接一個單向導通電子泵，把這個泵作為橋梁，將電容內的電荷運輸到另一個電容內并存儲，當這個電容內存儲的電壓超過2V 時，這個電容可當做電源，在電路中提供工作電壓，向外發送卡內數據的同時也能夠接收來自讀寫器的數據。

圖1 IC 卡電路

■2.2 定位子系統

定位電子手環一般采用兩種定位方式，即GPS 衛星定位系統和LBS 基站定位。本手環設計方案采用GPS 定位芯片UBLOX 7020，其可靠性較高、體積小，可以對定位者準確定位，確定距離，并且不會輕易透露出定位者的定位情況。

■2.3 電池選型

該手環采用SR626 電池，該電池容量大、性價比較高、使用壽命長且被廣泛應用，相較于一般電池直徑更小，滿足設計中微型的需求。不管在高溫還是低溫時，電池表現都非常良好，超過市面上大多數的汞鋅電池。

■2.4 到站震動功能

該手環采用0820 扁平馬達，它的優點是體積小并且重量輕、平面上是徑向或周向旋轉、結構簡單、噪音較低且功耗小、震動的感覺強烈、擁有很強的可靠性且響應時間很短。

圖2 GPS 電路圖

到站震動的功能主要是通過震動馬達來實現，考慮到設計手環的輕便性，微型的震動馬達就是我們的最優選擇。微型震動馬達是直流有刷電機的一種，電機軸的上方存在一個偏心輪，在馬達轉動的時候，偏心軸的圓心偏離電機的轉心，導致馬達一直在不平衡的情況下工作，再由于慣性的作用發生震動[2]。

■2.5 到站提醒功能

這一功能為本系統核心模塊，控制件采用STC89C52型8 位單片機[3]，電路如圖3 所示，通過設定的程序將信息文字讀取后在液晶屏上顯示出來，人們即可獲得所需的站臺數和站名信息，并通過按鍵控制手環系統進行下一步操作。

圖3 手環控制系統電路

語音功能采用的是ISD1730 芯片，這種芯片包含了新信息提示、多信息管理系統以及雙運作模式等，還有可定制的信息操作指示音效。芯片的內部包括麥克風前置擴大器、自動增益控制、揚聲器驅動線路、振蕩器與內存等的全方位整合系統功能。控制方式有兩種，分別是錄音輸入方式、放音輸出方式；在信息處理方面該芯片可以處理255 段或以上的信息；其工作狀態顯示是非常多樣的；它有很多種錄放時間，而每一種錄放時間都有著相對應的采樣頻率；這種芯片的音質較其他芯片比較突出，電壓的范圍相對廣一些，應用比較靈活，相對于市場上其他的芯片來講，它的性價比是最高的[4]。

語音信號會在系統進行語音錄制時，通過電路送給語音合成電路中的語音芯片，在進行數據處理后，將數字化的信息儲存到存儲芯片里，就此建立語音庫。語音功能采用ISD1730 語音芯片設計錄放電路，其綜合性能更強，語音的錄制和播放均由按鍵直接進行控制，電路的穩定性和可靠程度都很高，符合設計需求，語音功能電路如圖4 所示。

圖4 語音提示模塊

采用4 個按鍵開關來選擇電路當前的執行狀態，如圖5所示。

圖5 功能選擇電路

如流程圖6 所示，當程序開始后，系統開始初始化，While（1）其中1 代表一個常量表達式，它永遠不會等于0，所以循環會一直執行下去。執行以下循環：若按下鍵達到目的，此時液晶顯示清屏，若沒有達到目的，則繼續按鍵，此時液晶顯示此站及下一站、語音播報此站及下一站，若還未達到目的，則繼續按鍵，此時液晶顯示此站及上一站、語音播報此站及上一站，若目的仍未達到，則重新繼續上述循環直到達到目的。

圖6 設計流程圖

按照程序流程圖，編寫程序如下：

■2.6 一鍵叫車系統

該手環提供了一種新型的網約車一鍵呼叫器，這種呼叫器內設有信號觸發器、信號收發裝置、存儲裝置以及信號顯示裝置，它們的主要功能分別為：觸發預約的需求、傳輸預約需求、儲存預約需求和反饋預約需求。該裝置的表面設有一個呼叫按鈕，人們可以通過選擇按鈕來發出出行的指令。其呼叫器內部設有藍牙模塊，解決了呼叫器與移動通訊設備間的信號傳輸，其呼叫器上還設有信號顯示裝置，出行人可以直觀的了解網約車目前的狀態。

圖7 一鍵叫車功能流程圖

■2.7 手環外觀

市面上大多數的智能手環采用的都是醫用橡膠材質，無毒無味，天然無害，我們智能手環的主體選取的也是醫用橡膠材質，考慮到該手環的主要受眾群體是老人，相較于別的外觀獨特且復雜的智能手環，我們手環的外觀設計相對簡約，但卻又不失時尚感，我們在手環的兩端設有卡鎖，使佩戴者戴起來更加舒適。

圖8 手環外觀及功能模塊

在該智能手環的內置區設有震動馬達、GPS 芯片、續航時間較長的紐扣電池，和一個配合交通乘運設備使用的IC 芯片，外部結構和內置區的芯片配合，在處理器的支撐下發揮各自的作用，使手環能夠正常運作。

3 結論

本設計方案是在調研老人出行需求的基礎上提出的，增加了一鍵叫車等功能，具有較強的功能針對性和使用性，結合其他功能型手環的設計方案，選擇采用適合于本系統的功能芯片，并設計了各功能的電路，具有可行性強、穩定可靠的特點。