跑步訓練智能手環(huán)技術方案

1、1跑步訓練智能手環(huán)總體設計方案撰寫：劉述亮、陳定罡、陳東、于旺、李進科大創(chuàng)客空間UESTC MAKER SPACE科大創(chuàng)客空間2014 年 11 月2目錄1、 需求分析.31.1 項目背景.31.2 項目需求及關鍵技術點 . 32、 跑步訓練智能手環(huán)總體設計 .42.1 設計原則.42.2 系統(tǒng)總體架構. 43、 實現(xiàn)方案及關鍵技術 .63.1 整體設計.63.2 嵌入式主控系統(tǒng)設計 .63.3 電源模塊設計. 63.4 北斗定位模塊. 63.5 脈搏、血氧檢測模塊設計 . 83.5.1 脈搏、血氧檢測原理 . 83.5.2 近紅外發(fā)射模塊 . 83.5.3 光電二極管 .93.5.4 現(xiàn)有應

2、用. 103.6 指南針模塊設計.103.7 手環(huán)解開檢測模塊設計 .113.8 GSMGPRS 通信模塊設計 . 123.9 人機界面設計 .133.10 跑步路程計算算法設計 . 143.10.1 路徑直線差值求和法 . 143.10.2 路徑曲線擬合積分法 . 153.10.3 基于已知路徑的位置匹配路程計算法 .173.11 數(shù)據(jù)管理終端 . 174、 手環(huán)結構設計 .184.1 手環(huán)結構布局 . 184.2 手環(huán)材料選擇 .194.3 手環(huán)外殼加工工藝 .194.4 手環(huán)效果圖.205、 關鍵技術總結及改進方案 . 2131、需求分析1.1 項目背景生命在于運動，而跑步鍛煉是人們最常

3、采用的一種身體鍛煉方式。通過跑步達到強身健 體的作用也要講求科學鍛煉。運動強度不足達不到鍛煉的效果，運動過度容易導致運動損傷， 甚至出現(xiàn)過度運動猝死。 為了使跑步訓練更加精確化定量化，對跑步訓練過程中， 跑步的時間、速度、路程、心率、血氧飽和度的測量反饋就非常關鍵。特別是針對群體跑步訓練的反 饋和數(shù)據(jù)分析對于整體的訓練具有很強的指導性。隨著可穿戴設備和智能硬件的發(fā)展，越來越多功能應用都可以通過可穿戴智能設備實 現(xiàn)。通智能手環(huán)來監(jiān)控反饋跑步訓練的參數(shù)，使得跑步訓練更加科學化。1.2 項目需求及關鍵技術點跑步訓練智能手環(huán)集成有北斗定位模塊，能夠得到跑步訓練者在不同時刻的位置，通過記錄的位置時間信息

4、便可以得到跑步訓練者的速度，跑步的路程、心率、血氧等信息。再通過 GSMGPRS 通信將數(shù)據(jù)傳到后臺服務器，進行進一步的管理分析，便于反饋和調整使得 訓練更加科學化。在集體訓練中還可通過手環(huán)解開檢測來防止作弊以及手環(huán)丟失。本手環(huán)初步應用的于集體訓練，訓練項目包括：5 公里長跑、400m 障礙跑、100 折返跑、100 游泳。訓練場地既可以是固定訓練場地和野外。因此教練需要配備專門的手持式便攜數(shù)據(jù)管理終端，能夠通過 GSMGPRS 網(wǎng)絡通信，攜帶方便，不受因特網(wǎng)限制。方便教練及時 了解訓練成員的所有信息情況。在臨時斷電斷網(wǎng)，或者無網(wǎng)絡信號的地方正常使用。跑步訓練智能手環(huán)主要完成以下功能：1）北斗

5、定位，跑步路程精確計算；2）脈搏檢測3）血氧檢測4）指南針功能5）手環(huán)解開檢測6）通過 GSMGPRS 與后臺服務器通信；7） 通過人機接口設置手環(huán)的工作模式，包括：5 公里長跑、400m 障礙跑、100 折返跑、100 游泳；8）顯示跑步訓練的相關參數(shù)，如跑步速度、路程、時間；9）報警提示，提示運動過度、犯規(guī)等數(shù)據(jù)管理服務終端功能：1）能夠接收各個訓練手環(huán)返回的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括手環(huán)的佩戴者、參加的訓練項目、進度、 成績、犯規(guī)情況、脈搏血氧等生理狀體。2）能夠及時對犯規(guī)以及其他突發(fā)情況進行報警，提示教練；3）對成績進行計入存儲管理查詢；4）能夠將數(shù)據(jù)備份到電腦上傳云端，便于進一步保存管理數(shù)據(jù)。其

6、中對跑步路程的精確計算、脈搏檢測和血氧檢測是本項目的關鍵難點。是決定手環(huán)是 否有實用價值的決定條件。42、跑步訓練智能手環(huán)總體設計2.1 設計原則跑步訓練智能手環(huán)主要應用于室外集體跑步訓練，室外天氣、氣溫不定，跑步訓練者有 可能摔倒碰撞。根據(jù)以上特點，在研發(fā)和設計跑步訓練智能手環(huán)時，需遵循如下原則：1）體積小，重量輕，佩戴舒適；2）功耗低、待機時間長、一次充電使用時間長，方便充電；3）能防水、對溫度適應性強；4）操作簡單、顯示界面人性化；5）和后臺通信穩(wěn)定可靠；2.2 系統(tǒng)總體架構根據(jù)用戶的需求和跑步訓練智能手環(huán)工作實際，給出圖2.0 所以的跑步訓練智能手環(huán)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)管理終端整體結構圖。圖 2

7、.0 跑步訓練智能手環(huán)及數(shù)據(jù)管理終端整體圖框 跑步訓練手環(huán)系統(tǒng)組成：A.嵌入式主控系統(tǒng)：采用 STM32F103 作為主控，采用 ucos 操作系統(tǒng)。B. 電源模塊：采用鋰電池作為手環(huán)的電源供給，充電模塊負責給電池充電；電源管理模塊負責，電池保護，包括過充保護、過放電保護、欠壓報警。C. 北斗定位模塊： 跑步路程精確計算；外部外部電源電源數(shù)據(jù)管理終端電煩模電煩模塊塊嵌入式主控系統(tǒng)嵌入式主控系統(tǒng)人機人機 畀畀面面GSMGPRSjSf=槪夬槪夬GSMvGPRS通信模塊通信模塊GP淀位模塊位模塊嵌入式主控系統(tǒng)嵌入式主控系統(tǒng)后臺頻后臺頻據(jù)庫據(jù)庫人人機機畀畀面面跑 步訓 練智 能手環(huán)5D. 脈搏、血氧檢

8、測模塊：采用 660nm&880nm 近紅外 LED，向手腕組織發(fā)射紅外脈沖。用BPW34 光電二極管接受手腕反射回來的紅外脈沖信號。實現(xiàn)脈搏檢測和血氧檢測。同時實現(xiàn)手環(huán)解開檢測。只有手環(huán)檢測到正常脈搏信號時才正常工作。E. 指南針模塊：采用 HMC5883L 三軸數(shù)字羅盤，實現(xiàn)指南針功能。F. 手環(huán)解開檢測模塊：如果利用脈搏檢測模塊不能可靠實現(xiàn)手環(huán)解開檢測，可以采用開關型 A3144E 霍爾傳感器，檢測在使用過程中手環(huán)是否解開。避免作弊或者手環(huán)丟失。G. GSMGPRS 通信模塊：采用 SIM900A 實現(xiàn)與數(shù)據(jù)管理終端 通信。選用 5 元 GPRS 流量 年卡。H. 人機界面：采用貼片輕觸

9、按鈕 (3*6*2.5mm )作為開機、功能選擇按鈕。用 1.5 寸 OLED 液晶屏作為顯示界面。顯示功能模式、信號、跑步距離、速度、時間、是否犯規(guī)。采用蜂鳴器進行報警提示。人機接口構成如圖2.1圖 2.1 跑步訓練智能手環(huán)人機接口功能圖框數(shù)據(jù)管理終端系統(tǒng)組成：A. 嵌入式主控系統(tǒng)： 采用 STM32F429 作為主控，自帶硬件液晶屏驅動，采用ucos 操作系統(tǒng)。B. 電源模塊：采用鋰電池作為 手持式便攜數(shù)據(jù)管理終端 電源供給，充電模塊負責給電池充電； 電源管理模塊負責，電池保護，包括過充保護、過放電保護、欠壓報警。C. GSMGPRS 通信模塊：采用 SIM900A 實現(xiàn)與訓練手環(huán)通信。選

10、用5 元 GPRS 流量年卡。D. 人機界面：用 7 寸液晶觸摸電容屏作為顯示操作界面。用于查詢顯示參與訓練手環(huán)返回 的所有。3、實現(xiàn)方案及關鍵技術3.1 整體設計根據(jù)跑步訓練智能手環(huán)的使用環(huán)境與任務要求，跑步訓練智能手環(huán)主要包括：嵌入式主 控系統(tǒng)、電源模塊、北斗定位模塊、脈搏血氧檢測模塊、指南針模塊、手環(huán)解開檢測模塊、SMGPRS 通信模塊、人機界面、手環(huán)外殼。63.2 嵌入式主控系統(tǒng)設計嵌入式主控采用 STM32F103C8T6 作為處理器，采用實時操作系統(tǒng) 卩 C/OS-II STM32 是 基于ARM Cortex-M3 內核的 32 位處理器，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設，最重要

11、 的是其性價比。圖 3.1 STM32F103C8T63.3 電源模塊設計本手環(huán)采用 4.7v 鋰電池供電，北斗定位模塊采用3.3V 供電,GSM/GPRS 模塊采用 3.8V供電。采用 REG117-3 穩(wěn)壓芯片為系統(tǒng)供 3.3V 電壓。用 STM32 進行 AD 采樣對電池過充和 欠壓進行管理。3.4 北斗定位模塊北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BeiDou Navigation Satellite System ,英文縮寫 BDS是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。系統(tǒng)建設目標是：建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，促進衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的

12、國家衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動衛(wèi)星導航在國民經(jīng)濟社會各行業(yè)的廣泛應用。從功能選擇上，和支撐我國自主定位產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度考慮我們選擇了北斗定位系統(tǒng)，為手環(huán)定位。采用 VK1612A9M3 模塊。VK1612A9M3VK1612A9M3 BeiDouBeiDou 模塊是一個完整的衛(wèi)星定位接收設備，具備全方位功能，能滿足與業(yè)定位的嚴格要求。體積小巧，可以 裝置在汽車內部任何位置，低功耗，能適應個人用戶的需要。該產(chǎn)品采用了新-7代 ARKARK 699699 低功耗芯片，超高靈敏度，在城市峽谷、高架下等信號弱的地方， 都能快速、準確的定位?？蓮V泛應用開収多種終端產(chǎn)品，如：汽車導航汽車保全

13、系統(tǒng)、車輛監(jiān)控以及其他衛(wèi)星定位應用等。|4 rV.KEL VK1612A9M3L214G0S001759 B畫圖 3.2 VK1612A9M3 BeiDou 模塊模塊性能ARK 699GPS GALILEO, QZSS：LI 1575 42MHz. C/ABEIDOU Bl 156109BIMHzNMEA01B3 v2.3可用波特卒480a9600.19200,3 &400.5760Q 112500 bps通諂36靈st廉-160dGm;杏啟動平均3 3秒1曇目動平均罰秋靜啟曲平均丄秒 2.5 mAutonomous 5O5 DREY1 SCL10kWD11SETFVDDIJ1V to VDD

14、C30 1uf13圖 3.11A3144 霍爾傳感器3.8 GSMGPRS 通信模塊設計作為北斗數(shù)據(jù)回傳的一個最常見的方式,GSM/GPRS 是應用最廣的方式，其實最主要的原因是 GSM/GPRS 可靠性很好，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡也非常穩(wěn)定,3G/WCDMA 雖然數(shù)據(jù)傳輸快，但在 很多情況下因沒有信號而作罷。SIMCom 推岀新款緊湊型產(chǎn)品 一 SIM900A.它屬于雙頻 GSM/GPRS 模塊，完全采用 SMT 封裝形式，SIM900A 僅適用于中國市場，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價比高，能滿足您的多種 需求。SIM900A 采用工業(yè)標準接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/19

15、00MHZ，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A 的尺寸大小為 24x24x3mm ，能適用于 M2M應用中的各類設計需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設計。圖 3.123.12SIM900A主要特性* 雙頻 900/ 1800 MHz* GPRS multi-slot class 10/8Indlno14* GPRS mobile station class B*滿足 GSM 2/2+標準-Class 4(2 W 900 MHz )-Class 1（1 W 1800MHz ）* 尺寸：24*24*3mm*重量：3.4g* 通過 AT 命令控制（GSM 07.07 ,

16、07.05 andSIMCOM 增強 AT 命令集）* SIM 應用工具包*供應電壓范圍：3.1 . 4.8V*低功耗：1.5mA （睡眠模式）*操作溫度范圍：-40 C to +85 C3.9 人機界面設計人機界面是為了更好的人機操作和查看相關狀態(tài)。跑步訓練智能手環(huán)需要的操作的有： 開機、關機、訓練模式選擇、開始訓練、結束訓練、訓練過程中參數(shù)查詢。顯示屏需要顯示 的的狀態(tài)有：是否有GSMGPRS 信號、是否有 GPS 信號、訓練模式、跑步參數(shù)（如路程、 速度、時間）；檢測脈搏和血氧含量等。采用貼片輕觸按鈕（3*6*2.5mm ）作為開機、功能選擇按鈕。圖 3.13 貼片輕觸開關采用 0.95

17、 寸彩色 OLED 屏作為顯示界面。顯示功能模式、信號、跑步距離、速度、時間、 是否犯規(guī)。圖 3.140.95 寸彩色 OLED 屏15采用壓電陶瓷蜂鳴器進行報警提示。壓電陶瓷蜂鳴器體積小節(jié)省空間。16圖 3.15 壓電陶瓷蜂鳴器3.10 跑步路程計算算法設計北斗定位只能定位得到手環(huán)的地理坐標位置，要得到手環(huán)移動的路程，需要 通過北斗測算出來的坐標點練成軌跡，對軌跡進行積分得到手環(huán)移動的路程。為 了研究算法的可靠性精確性，這里采用蒙特卡洛算法，模擬北斗定位數(shù)據(jù)，來測 試和驗證不同算法。數(shù)據(jù)誤差的均方差為北斗定位模塊的定位精度即2.5m2.5m。通過軟件產(chǎn)生二隨機分布函數(shù)，疊加到模擬路徑中，均方

18、差為 2.52.5。3.10.1 路徑直線差值求和法路徑直線差值求和算法的思想是：認為北斗得到的坐標是精確坐標，且跑步訓 練者總是沿直線路徑依次經(jīng)過相鄰的坐標點。跑步訓練者跑過路程是所有直線段 長度的累加和。通過北斗定位得到的坐標總是帶有一定的噪聲誤差。真實的軌跡若跑步訓練者沿著半徑為 100m100m 的圓跑道跑一圈，用時 100s100s，也就是速度為6.3m/s6.3m/s。總路程為 628m628m 跑完一圈后誤差約有 20m20m，誤差率約為 3%3%五公里路 程誤差為 160m160m17通過進一步仿真分析得到下表:實際路程(m)(m)速度(m/s)(m/s)用時(s)(s)誤差(

19、m)(m)誤差率(%)(%)五公里誤差(m)(m)6286286.286.2810010020203.183.18159.24159.246286283.143.14200200858513.5413.54676.75676.756286282.092.0930030016516526.2726.271313.691313.696286281.571.5740040031131149.5249.522476.112476.116286281.261.2650050045045071.6671.663582.803582.80表 3.23.2 直線差值求合法仿真結果由表 3.23.2 可知手環(huán)路

20、程計算精度隨著跑步者的跑步速度下降而快速增加。速度降到 1.26m/s1.26m/s 時，跑五公里的誤差是 3.53.5 公里。顯然極度不合理。當手環(huán)靜止時，因為定位誤差的存在， 每次得到的位置都有所變化， 通過本算法也會算出路程，如圖跑步者靜止 100s 后的手環(huán)計算出跑步者跑了190m，誤差非常大。圖 3.18 運動實際軌跡與定位軌跡圖 3.19 路程誤差時間曲線圖圖 3.20 靜止時定位軌跡圖 3.21 路程誤差時間曲線圖100m運動時賓Pf測迓軌跡.T. r.尊止H4GPS記錄的軾竝,g C IIIIIIII,_35-2-15-10.500 51価22.5X Cm)臥止時蹈陸時冋曲輔1

21、83.102路徑曲線擬合積分法利用北斗定位得到的坐標點距離累加求和有較大的誤差，誤差的來源是因為19GPSGPS 定位本身精度有限。因此要優(yōu)化算法，消除降低誤差累積。圖 3.22 x、y 坐標的時間曲線圖坐標時間序列曲線圖中曲線斜率即為速度，由于人的跑步的數(shù)度是有限的，所以曲線不 會出現(xiàn)突變，相對平滑，所以可以利用一定長度的時間窗口內進行二次曲線擬合得到最佳逼 近曲線，從而得到相對準確的路程。圖 3.23 x、y 坐標的時間曲線圖圖 3.24 路程誤差時間曲線圖當速度為 2m/s 和 6.28m/s 時五公里長跑路程誤差如圖 3-9-10、3-9-11圖 3.25 2m/s 時路程誤差時間曲線

22、圖圖 3.26 6.28m/s 時路程誤差時間曲線圖與前一種算法相比，可以看出定位精度提高非常多。五公里誤差為在5m 以內，并且精5o0五里腔理季耳吋問曲蛭1tlOD2WM250D時間I (1五也里昭性唳噲Hi冃曲垢20度和跑步訓練者的速度關系不大。具有一定的實用價值。3.10.3 基于已知路徑的位置匹配路程計算法在實際跑步訓練過程中，跑步訓練者跑步的跑道是相對確定的，如長跑中固定 的環(huán)形跑道，折返跑中固定的直線跑道。因此可以利用這些已知的路徑信息進一 步修正北斗定位誤差，進一步提高手環(huán)計算路程的精度，理論上可以使路程計算 的誤差接近北斗定位誤差。若還要進一步提高精度，就必須與其他傳感器數(shù)據(jù)進

23、 一步融合。如加速度計陀螺儀等。3.11 數(shù)據(jù)管理終端A.嵌入式主控系統(tǒng)：采用STM32F429 作為主控，自帶硬件液晶屏驅動，采用ucos 操作系統(tǒng)。圖 3.273.27STM32F429IGT6STM32F429IGT6 芯片簡介：內 核：Cortex-M4 32-bit RISC ；特性：單周期 DSP 指令；工作頻率：180MHz，225 DMIPS/1.25 DMIPS/MHz ；工作電壓：1.8V-3.6V ；封 裝：LQFP176 ；存儲資源：1024kB Flash，256+4kB SRAM ；資 源: 6 x SPI，4 x USART，4 x UART，2 x I2S，1

24、x SAI，3 x I2C ；1 x FMC，1 x SDIO，2 x CAN ；1 xLCD-TFT ；1 x USB 2.0 FS/HS 控制器（帶有專用 DMA）；1 x USB HS ULPI （用于外接 USB HS PHY）；1 x 10/100 Ethernet MAC ；1 x 8 to 14-bit 攝像頭接口；3 x AD （ 12 位，1us，分時 24 道），2 x DA （ 12 位）；調試下載：支持 JTAG/SWD 接口的調試下載，支持 IAP。B.電源模塊：采用鋰電池作為 手持式便攜數(shù)據(jù)管理終端 電源供給，充電模塊負責給電池充電; 電21源管理模塊負責，電池保護

25、，包括過充保護、過放電保護、欠壓報警。C. GSMGPRS 通信模塊：采用 SIM900A 實現(xiàn)與訓練手環(huán)通信。選用5 元 GPRS 流量年卡。22D.人機界面：用 7 寸液晶觸摸電容屏作為顯示操作界面。用于查詢顯示參與訓練手環(huán)返回 的所有。圖 3.283.28 7 7 寸觸摸電容屏電容屏參數(shù)如下:4、手環(huán)結構設計4.1 手環(huán)結構布局手環(huán)結構是承載手環(huán)所有功能的基礎，決定了手環(huán)佩戴舒適度、耐用性、防水性。7inch CapacitiveTouch LCD (D)電容1024x60024PINRGB/LVDSFT5206GE1MCU 帶 LCD控制器按鍵顯示屏圖 4.1 手環(huán)外觀結構-正面布局2

26、3圖 4.2 手環(huán)背面?zhèn)鞲衅鞑季?.2 手環(huán)材料選擇手環(huán)要接受北斗定位信號、要和GSMGPRS 基站通信，因此手環(huán)結構材料不能選用金屬。運動健身手環(huán)主要用在跑步訓練游泳訓練，跑步訓練過程中手環(huán)會接觸到汗液，游泳過程中手環(huán)要長期浸泡在水中，因此手環(huán)材料要具有良好的密封性、耐腐蝕性、耐磨性。 要保證佩戴的舒適性需要材料具有一定的彈性。要適應戶外溫度變化，從冰雪天氣到烈陽炙烤需要有一定的耐高溫低溫特性。同時需要有良好的耐老化性，保證手環(huán)使用壽命。 綜合全面考慮以上條件以及結合市面上現(xiàn)有手環(huán)材料初步選用全氟醚橡膠。全氟醚橡膠材料性能：全氟醚橡膠材料具有良好的電氣絕緣性能和良好的耐燃燒性能。同時氟橡膠具

27、有非常好 的氣密性、耐磨性；乎能承受一切化學介質的腐蝕，其中包括醚類、酮類、苯環(huán)類溶劑、強 氧化劑、強酸、強堿等，有著在這方面全無敵的美譽；全氟醚橡膠具有最好的耐高溫性能， 全氟醚橡膠 Kalrez 耐高溫品級可在327C環(huán)境中使用，蘇威蘇萊克斯的耐高溫品級可在310C左右使用，遠遠高于氟橡膠。全氟醚橡膠的低溫使用溫度可達-20C；主要應用領域有宇航工業(yè)、煉油、化工生產(chǎn)、電子工業(yè)、機械工業(yè)、高溫水蒸氣系統(tǒng)、天然氣石油開采、 核電站、特殊儀器儀表等。4.3 手環(huán)外殼加工工藝主要采用注塑成型，成型周期短、生產(chǎn)率高、能一次成型、外形復雜、尺寸精確或帶有 金屬嵌件的塑件；制品表面粗糙度低，后加工量少，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)適應性強等優(yōu)點，因此廣泛用于各種塑件的生產(chǎn)，其產(chǎn)量約占塑料制品總量的30%。尤其是塑料作為24工程結構材料的出現(xiàn)，注射塑件的用途已從民用擴大到生產(chǎn)的各個領域，并逐步呈上升趨勢。254.4 手環(huán)效果圖初步通過 S