基于 ESP32 物聯網北斗定位系統智能 OLED 手環的設計

陳家祺，黃詩佳，冉浩，何仁豪，張燕

（電子科技大學 成都學院，四川成都，611731）

0 引言

隨著智能穿戴設備的發展，智能手環因其輕便性深受關注，但現有手環定位功能多依賴手機連接，無法滿足用戶輕便運動時的定位需求。為解決此痛點，本文設計一款不依賴手機即可獨立定位的智能手環。基于此，本文目標是設計一款基于ESP32 和多系統定位模塊的自主定位智能手環，實現高精度的運動軌跡定位。同時，通過添加紅外發射控制模塊，擴展手環的家電控制功能，以滿足用戶的更多應用需求。本設計旨在突破智能手環定位的依賴限制，拓展其應用范圍，為智能穿戴設備領域提供新思路。

1 系統整體設計思路

本文采用模塊化設計的思路，分別是主控模塊、顯示模塊、感器模塊、時鐘模塊、外部控制模塊和定位模塊。

如圖1 設備總體結構示意圖所示，多個傳感器模塊獲取各項環境信息，電源管理模塊檢測并采集電池電壓數據，傳入ESP32 主控處理再于OLED 顯示屏展示。通過外部控制模塊來實現模塊之間的功能變換以及系統調節，利用RMT紅外38kHz 載波設備，發射紅外控制信號實現紅外設備的控制。

圖1 設備總體結構示意圖

2 核心模塊電路設計

2.1 主控電路設計

為滿足智能手環系統整體高性能和低功耗的應用需求，選用ESP32 PICO D4 作為主控芯片，ESP32 支持MicroPython 開發，利用ESP32 的低功耗深度睡眠模式可以顯著減少能耗，并且周期性喚醒可以實現該設備低占空比，配合調節射頻功率放大器的輸出功率，可以實現通信距離、數據率和功耗之間的最佳平衡。

采用中斷回調函數配合軟件去抖技術實現按鍵輸入控制，時鐘芯片和加速度傳感器通過發出中斷來實現對鬧鐘定時、時間校準、雙擊或抬手喚醒等功能的檢測，并通過RF射頻電路創建藍牙WiFi 主設備或者加入現有的藍牙和WiFi網絡來進行對外界的控制通信，選擇的藍牙V4.2 完整標準包含了傳統的BR/EDR 藍牙和低功率的BLE 藍牙，從而實現了一個集成中斷檢測、去抖控制、無線通信為一體的智能手環系統設計，通過不同模塊協同工作來實現時間管理、運動監測、外部設備連接等多種功能的融合控制。

2.2 時鐘模塊

本模塊選用NXP 的PCF8563 低功耗CMOS 實時時鐘/日歷芯片，通過I2C 進行通訊，提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出，一個掉電檢測器，并以極低的功耗（3V 時低至0.25μA）進行高精度走時。將時鐘芯片的數據通過發送中斷給ESP32 主控模塊來檢測鬧鐘定時、時間校準等功能。

2.3 定位模塊

定位模塊原理圖如圖2 所示，采用AIR512G 模塊、BDS 北斗模塊，AIR512G 支持北斗/GPS/GLONASS 等衛星定位系統兼容性強，精度比較高，可以10Hz 的頻率接受來自衛星的信號，通過串口UART 向主控傳輸NMEA0183 格式的數據進行解析，并附帶一個備用電源（法拉電容或鋰電池時），將啟動時間縮小至10s 以下，極大提高實時性。

圖2 定位模塊原理圖

2.4 外部控制模塊

外部控制模塊電路原理圖如圖3 所示，外部控制模塊由安裝在手環側邊的2 個常開按鍵和2 個開關按鍵組成，其中2 個開關按鍵控制分別用于控制設備電源的開關/功能的切換，2 個常開按鍵分別用于實現控制設備功能的退出/進入。

圖3 外部控制模塊電路原理圖

2.5 傳感器模塊

傳感器模塊電路原理圖如圖4 所示，傳感器模塊分別由三軸加速度計傳感器ADXL345、氣壓溫度傳感器BMP2840、光傳感器TEMT6000、地磁傳感器QMC5883組成。

圖4 傳感器模塊電路原理圖

三軸加速度計傳感器ADXL345 其分辨率較高（13 位），測量范圍達±16g，非常適合移動設備應用通過I2C 數字接口進行訪問，提供兩個中斷輸出，在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度以及測量運動或受沖擊時的動態加速度，其高分辨率（3.9mg/LSB）能夠測量低于1.0°的傾斜角度變化[3]。基于運動的智能電源管理支持低功耗模式，以極低的功耗（3.3V 時低至30μA）進行閾值感測和運動加速度測量，采用滑動窗口濾波形式解算+濾波，模擬3 軸陀螺儀計，實現水平儀的功能。

氣壓溫度傳感器BMP280 通過hypsometric 測高法，融合數據推算當前海拔，獲取實際環境數據。光傳感器TEMT6000 輸出環境光模擬量，通過建模獲得模擬量與人眼辨識亮度線性關系調整屏幕亮度以降低設備總功耗。地磁傳感器QMC588 測量XYZ 三軸的地磁強度以及航向角大小信息以實現指南針功能。

2.6 顯示模塊

本模塊采用分辨率為128×64 的1.3 寸OLED 屏，通過SPI 協議耗費少量I/O 資源進行高速通訊。采用FrameBuffer 幀緩沖區的方式，可實現高達480Hz 的屏幕刷新率，獲得流暢的圖標與功能切換、進入和退出的顯示。

2.7 紅外及照明模塊

本模塊選用38kHz 紅外載波設備按照對應編碼協議，發送特定的亮滅脈沖以控制家中紅外設備，并且編碼協議可在線下載實現全紅外設備平臺覆蓋。

2.8 電源控制模塊

電源管理模塊原理圖如圖5 所示，電源控制模塊由XC6206P332MR 穩壓器、 XT4054 單片鋰離子電池恒流/恒壓線形電源管理芯片和ADS1115ADC 轉換器組成。

圖5 電源管理模塊原理圖

XT4054 電源管理芯片可以在高能量運行和高外圍溫度時，通過負反饋控制充電電流以降低芯片溫度，同時當充電達到目標電壓時會自動結束充電過程，以保護設備[4]。XC6206 穩壓器以極低的電壓提供穩定的大電流，提高設備的穩定性。ADS115ADC 轉換設備，進行電池電壓檢測，實現設備低電壓提醒功能。

3 測試檢驗

3.1 測試整體思路

在測試過程中，首先連接PCB板與顯示屏接口，將ESP32 主控芯片與PC 機建立USB 連接，確認系統硬件連接可靠后，通過串口調試軟件截取模塊數據，發送配置指令，并將指令存入flash，實現模塊自動配置。主要對定位模塊、多傳感器模塊和顯示模塊的功能進行檢測驗證。

3.2 BDS 北斗定位模塊測試

目標：驗證北斗定位模塊的定位精度。

方法：啟動設備，開啟北斗定位模塊，室內無法接收到完整數據，將模塊移至窗邊還是效果不佳，最后在開闊區域測試，效果仍然不佳，在天線優化后，窗口邊可接收20 顆以上衛星數據， 結果：采集到20 顆以上衛星數據，定位效果圖如圖6 所示。

圖6 定位效果圖

3.3 顯示模塊測試

目標：驗證顯示模塊刷新率。

方法：解析圖像信息生成二進制碼存入幀緩沖區，OLED 通過SPI 直接讀取顯示。

結果：顯示模塊實現480Hz 的高刷新率，動畫效果流暢，顯示模塊簡易實物圖如圖7 所示。

圖7 顯示模塊簡易實物圖

3.4 多傳感器模塊測試

目標：驗證加速度計、電池電壓采集等傳感器效果。

方法：采用滑動濾波算法濾波傳感器數據，提高穩定性，電池電壓采用卡爾曼濾波。

結果：測得的各項數據穩定精準，指南針功能正常隨手環位置變化，達到設計要求。

3.5 紅外遙控模塊測試

目標：驗證紅外發射控制精度。

方法：編寫控制代碼，向紅外發射管發送指定編碼的脈沖信號。

結果：可準確控制電視、空調等家電，實現智能化控制。

3.6 WiFi 通信模塊測試

目標：驗證WiFi 連接穩定性。

方法：掃描網絡，連接指定路由器，發送并接收測試數據包。

結果：智能手環可穩定連接WiFi 網絡，上傳下載數據正常。

總體而言，各模塊功能測試結果符合設計要求。通過優化天線，解決了定位效果不佳的問題，本設計成功實現了精確自主定位、家電控制等核心創新功能。

4 結束語

本文就智能手環需要依賴手機才能獲取運動軌跡而無法滿足輕便運動需求的問題，設計了一款基于ESP32 微控制器，并集成定位模塊和紅外控制模塊，實現了無需手機即可進行高精度獨立定位以及對家電的遠程控制兩個核心功能，既可準確記錄運動軌跡，又可提供生活便利，實現了輕量化設計與完備功能的有效結合。