跑步训练智能手环技术方案doc.docx

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跑步训练智能手环技术方案

跑步训练智能手环总体设计方案撰写：

刘述亮、陈定罡、陈东、于旺、李进科大创客空间11月22目录1、需求分析31.1项目背景31.2项目需求及关键技术点32、跑步训练智能手环总体设计42.1设计原则42.2系统总体架构43、实现方案及关键技术63.1整体设计63.2嵌入式主控系统设计63.3电源模块设计63.4北斗定位模块63.5脉搏、血氧检测模块设计83.5.1脉搏、血氧检测原理83.5.2近红外发射模块83.5.3光电二极管93.5.4现有应用103.6指南针模块设计103.7手环解开检测模块设计113.8GSM\GPRS通信模块设计123.9人机界面设计133.10跑步路程计算算法设计143.10.1路径直线差值求和法143.10.2路径曲线拟合积分法153.10.3基于已知路径的位置匹配路程计算法163.11数据管理终端174、手环结构设计184.1手环结构布局184.2手环材料选择194.3手环外壳加工工艺194.4手环效果图卡。

H.人机界面：

采用贴片轻触按钮（3*6*2.5mm）作为开机、功能选择按钮。

用1.5寸OLED液晶屏作为显示界面。

显示功能模式、信号、跑步距离、速度、时间、是否犯规。

采用蜂鸣器进行报警提示。

人机接口构成如图2.1图2.1跑步训练智能手环人机接口功能图框数据管理终端系统组成：

A.嵌入式主控系统：

采用STM32F429作为主控,自带硬件液晶屏驱动，采用ucos操作系统。

B.电源模块：

采用锂电池作为手持式便携数据管理终端电源供给，充电模块负责给电池充电；电源管理模块负责，电池保护，包括过充保护、过放电保护、欠压报警。

C.GSM\GPRS通信模块：

采用SIM900A实现与训练手环通信。

选用5元GPRS流量年卡。

D.人机界面：

用7寸液晶触摸电容屏作为显示操作界面。

用于查询显示参与训练手环返回的所有。

3、实现方案及关键技术3.1整体设计根据跑步训练智能手环的使用环境与任务要求，跑步训练智能手环主要包括：

嵌入式主控系统、电源模块、北斗定位模块、脉搏血氧检测模块、指南针模块、手环解开检测模块、SM\GPRS通信模块、人机界面、手环外壳。

3.2嵌入式主控系统设计嵌入式主控采用STM32F103C8T6作为处理器，采用实时操作系统μC/OS-II。

STM32是基于ARMCortex-M3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，最重要的是其性价比。

图3.1STM32F103C8T63.3电源模块设计本手环采用4.7v锂电池供电，北斗定位模块采用3.3V供电,GSM/GPRS模块采用3.8V供电。

采用REG117-3稳压芯片为系统供3.3V电压。

用STM32进行AD采样对电池过充和欠压进行管理。

3.4北斗定位模块北斗卫星导航系统﹝BeiDouNavigationSatelliteSystem，英文缩写BDS﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。

系统建设目标是：

建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

从功能选择上，和支撑我国自主定位产业发展角度考虑我们选择了北斗定位系统，为手环定位。

采用VK1612A9M3模块。

VK1612A9M3BeiDou模块是一个完整的卫星定位接收设备，具备全方位功能，能满足与业定位的严格要求。

体积小巧，可以装置在汽车内部任何位置，低功耗，能适应个人用户的需要。

该产品采用了新一代ARK699低功耗芯片，超高灵敏度，在城市峡谷、高架下等信号弱的地方，都能快速、准确的定位。

可广泛应用开収多种终端产品，如：

汽车导航汽车保全系统、车辆监控以及其他卫星定位应用等。

图3.2VK1612A9M3BeiDou模块表3.1VK1612A9M3BeiDou模块性能3.5脉搏、血氧检测模块设计在跑步训练过程中脉搏和血氧在一定程度上反映了跑步者运动的强度，如果运动强度不够者达不到好的锻炼效果，如果运动过于剧烈这会导致运动损伤，甚至危及到生命。

脉搏即是心率，心率越快相对运动强队越大，同时血氧含量相对减少。

所以通过脉搏和血氧含量能够很好的调整运动强度，并且做到客观，科学量化。

3.5.1脉搏、血氧检测原理据朗伯比尔（LamberBeer）定律，物质在一定波长的吸光度是与浓度成正比。

恒定波长的光照射人体组织时，光通过人体组织吸收后，反射衰减测量的光强度将在一定程度上反映出被照射部位组织的结构特征。

光电传感器具有反应速快、结构简单和可靠性高以及能实现无创测量等优点。

脉搏的搏动会改变血液在组织中的容积从而改变反射光的强度。

从而提取出脉搏信号。

基于氧合血红蛋白励HbO2与脱氧血红蛋白Hb的光谱特性特征，近红外血氧饱和度检测通常选用波长在660nm到880nm之间的近红外光线作为无创检测的测量光源。

因为在该波段区域内，氧合血红蛋白HbO2与脱氧血红蛋白Hb对近红外的吸收情况远大于肌体组织内的水分、脂肪、蛋白质等其他物质的吸收量。

近红外无创血氧检测中最常用到的是波长为660nm和880nm的两种近红外光波相结合的双波长检测法。

在上述两个波长处，氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的吸收差异最显著，因而获得的数据也最有代表性。

3.5.2近红外发射模块近红外发射模块采用用三脚双波长红外发射管LED660/880。

图3.3双波长红外发射管LED660/880此外市面上也有利用绿光来检查脉搏心率，但不便于测量血氧。

如：

脉搏、心率测试用绿光发射管MQ-HRT。

此发射管利用血液中的血红蛋白容易吸收绿色等特定波长的光的特性，用LED照射手指，通过捕捉面部表面绿色成分的亮度变化来检测脉搏。

现有现成模块图3.4绿光脉搏检测模块图3.5绿光脉搏检测模块脉搏波形3.5.3光电二极管光电二极管选用BPW34B，相关的光学灵敏度如下图，660nm和880nm的灵敏度都达到了80%。

图3.6光电二极管图3.7光电二极管光学灵敏度曲线3.5.4现有应用如：

指夹式脉搏血氧仪，采用近红外检测脉搏和血氧。

图3.8指夹式脉搏血氧仪3.6指南针模块设计指南针模块采用霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。

HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°~2°的12位模数转换器.简易的I2C系列总线接口。

HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。

HMC5883L的所应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统。

图3.9HMC5883L电磁罗盘芯片图3.10HMC5883L芯片架构3.7手环解开检测模块设计手环要解开必然要使手环的撑开或解开，会使手环部分发生相对位移，因此可以利用霍尔传感器检测磁铁的移动来判断手环是否解开过。

霍尔传感器选用A3144图3.11A3144霍尔传感器3.8GSM\GPRS通信模块设计作为北斗数据回传的一个最常见的方式,GSM/GPRS是应用最广的方式,其实最主要的原因是GSM/GPRS可靠性很好,数据传输网络也非常稳定,3G/WCDMA虽然数据传输快,但在很多情况下因没有信号而作罢。

SIMCom推出新款紧凑型产品—SIM900A.它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价比高，能满足您的多种需求。

SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。

另外，SIM900A的尺寸大小为24x24x3mm，能适用于M2M应用中的各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品设计。

图3.12SIM900A主要特性*双频900/1800MHz*GPRSmulti-slotclass10/8*GPRSmobilestationclassB*满足GSM2/2+标准–Class4（2W@900MHz）–Class1（1W@1800MHz）*尺寸：

24*24*3mm*重量：

3.4g*通过AT命令控制（GSM07.07,07.05andSIMCOM增强AT命令集）*SIM应用工具包*供应电压范围：

3.1.4.8V*低功耗：

1.5mA（睡眠模式）*操作温度范围：

-40°Cto+85°C3.9人机界面设计人机界面是为了更好的人机操作和查看相关状态。

跑步训练智能手环需要的操作的有：

开机、关机、训练模式选择、开始训练、结束训练、训练过程中参数查询。

显示屏需要显示的的状态有：

是否有GSM\GPRS信号、是否有GPS信号、训练模式、跑步参数（如路程、速度、时间）；检测脉搏和血氧含量等。

采用贴片轻触按钮（3*6*2.5mm）作为开机、功能选择按钮。

图3.13贴片轻触开关采用0.95寸彩色OLED屏作为显示界面。

显示功能模式、信号、跑步距离、速度、时间、是否犯规。

图3.140.95寸彩色OLED屏采用压电陶瓷蜂鸣器进行报警提示。

压电陶瓷蜂鸣器体积小节省空间。

图3.15压电陶瓷蜂鸣器3.10跑步路程计算算法设计北斗定位只能定位得到手环的地理坐标位置，要得到手环移动的路程，需要通过北斗测算出来的坐标点练成轨迹，对轨迹进行积分得到手环移动的路程。

为了研究算法的可靠性精确性，这里采用蒙特卡洛算法，模拟北斗定位数据，来测试和验证不同算法。

数据误差的均方差为北斗定位模块的定位精度即2.5m。

通过软件产生二随机分布函数，叠加到模拟路径中，均方差为2.5。

3.10.1路径直线差值求和法路径直线差值求和算法的思想是：

认为北斗得到的坐标是精确坐标，且跑步训练者总是沿直线路径依次经过相邻的坐标点。

跑步训练者跑过路程是所有直线段长度的累加和。

通过北斗定位得到的坐标总是带有一定的噪声误差。

真实的轨迹和理论轨迹对比如图。

图3.16运动实际轨迹与定位轨迹图3.17路程误差时间曲线图若跑步训练者沿着半径为100m的圆跑道跑一圈，用时100s，也就是速度为6.3m/s。

总路程为628m。

跑完一圈后误差约有卡。

D.人机界面：

用7寸液晶触摸电容屏作为显示操作界面。

用于查询显示参与训练手环返回的所有。

图3.287寸触摸电容屏电容屏参数如下：

7inchCapacitiveTouchLCD（D）电容1024x60024PINRGB/LVDSFT5206GE1MCU带LCD控制器4、手环结构设计4.1手环结构布局手环结构是承载手环所有功能的基础，决定了手环佩戴舒适度、耐用性、防水性。

图4.1手环外观结构-正面布局图4.2手环背面传感器布局4.2手环材料选择手环要接受北斗定位信号、要和GSM\GPRS基站通信，因此手环结构材料不能选用金属。

运动健身手环主要用在跑步训练游泳训练，跑步训练过程中手环会接触到汗液，游泳过程中手环要长期浸泡在水中，因此手环材料要具有良好的密封性、耐腐蚀性、耐磨性。

要保证佩戴的舒适性需要材料具有一定的弹性。

要适应户外温度变化，从冰雪天气到烈阳炙烤需要有一定的耐高温低温特性。

同时需要有良好的耐老化性，保证手环使用寿命。

综合全面考虑以上条件以及结合市面上现有手环材料初步选用全氟醚橡胶。

全氟醚橡胶材料性能：

全氟醚橡胶材料具有良好的电气绝缘性能和良好的耐燃烧性能。

同时氟橡胶具有非常好的气密性、耐磨性；乎能承受一切化学介质的腐蚀，其中包括醚类、酮类、苯环类溶剂、强氧化剂、强酸、强碱等，有着在这方面全无敌的美誉；全氟醚橡胶具有最好的耐高温性能，全氟醚橡胶Kalrez耐高温品级可在327℃环境中使用，苏威苏莱克斯的耐高温品级可在310℃左右使用，远远高于氟橡胶。

全氟醚橡胶的低温使用温度可达--20℃；主要应用领域有宇航工业、炼油、化工生产、电子工业、机械工业、高温水蒸气系统、天然气石油开采、核电站、特殊仪器仪表等。

4.3手环外壳加工工艺主要采用注塑成型，成型周期短、生产率高、能一次成型、外形复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的塑件；制品表面粗糙度低，后加工量少，易于实现自动化生产，生产适应性强等优点，因此广泛用于各种塑件的生产，其产量约占塑料制品总量的30%。

尤其是塑料作为工程结构材料的出现，注射塑件的用途已从民用扩大到生产的各个领域，并逐步呈上升趋势。

4.4手环效果图初步通过SolidWorks对手环进行建模，和效果渲染，设计效果图如下：

5、关键技术总结及改进方案性能，提高定位和路程计算精度：

由于本手环利用卫星定位，因此一定程度上制约了手环的应用范围，如果跑步训练的路段有部分或全部接受不到北斗信号则路程计算会产生较大的误差。

因此可以利用惯性传感器来进行补偿。

由于人的跑步运动是有一定规律的运动，而不是随意运动。

因此可以通过识别跑步运动的一些特征来校正惯性传感器计算位移时的误差累计。

比如利用运动的周期性，在一个周期中开始和结束的地方速度为零且往往加速度最大。

因此就可以消除速度误差的不断累加，从而减少路程积分误差。

在算法上，不断优化算法，如通过开展卡漫滤波、辛普森积分等等提高数值计算的精度，减少误差。

功能，提高检测的智能性。

手环不仅能戴在手上也可戴在脚上。

可以对手和脚的运动同时进行监测。

通过加速度和角速度的数据进行进一步的分析可以得到手环的运动轨迹特征。

根据数据特征智能识别运动模式如：

行走、正步、跑步、游泳等。

根据这些特征对运动的规范性进行评估。

从而达到辅助训练的目的。

此时的应用范围可以扩大到正步训练、舞蹈训练、高尔夫训练等等场合。

此时可以采用九轴传感器MPU-9150替换HMC5883L三轴磁传感器。

Figure6.1:

MPU-9150LGAPackage&Gyro,Accel,andMagnetometerSenseDirection