基于单片机技术的可穿戴智能手环设计

钟 晨

（惠州市德赛工业发展有限公司，惠州516000）

基于单片机技术的可穿戴智能手环设计

钟 晨

（惠州市德赛工业发展有限公司，惠州516000）

为提高可穿戴手环的测量准确性，延长智能手环的待机时间，提出一种基于MSP430超低功耗芯片的智能穿戴手环系统。结合MSP430系列芯片的特点，对系统整体架构进行设计，并在该基础上引入移植μC／OS-Ⅱ系统对传统的计步算法进行改进；同时利用蓝牙通信方式实现与Android手机的通信，并通过软件界面将计步数显示出来；最后对手环的计步精确度、待机功耗以及APP软件进行测试，并与目前主流产品进行比较，表明在准确度和待机时间方面都有很大提升，同时可很好的展示计步结果，具有一定推广价值。

MSP430系列；可穿戴手环；计步算法；待机时间；APP界面

1 引言

随着现代电子技术和移动通信技术的发展，可穿戴智能设备发展迅速，并成为当前行业研究的热点。可穿戴智能设备产品种类涵盖多个领域，从儿童监护、健康、智能服饰，再到通信领域等，同时还引入体能监测、语音导航等多种功能。可智能穿戴设备是一种以移动互联网为基础，具有高性能、低功耗的智能电子设备，区别于手机，而体现出的是一种可穿戴物品。其借助通信技术、传感器技术等与人体进行交互，是在全新的理念下诞生的一款移动智能设备。目前，市场针对可穿戴智能设备的种类很多，智能手环就是其中一种，如三星、华为、苹果等都相继开发出了智能手环，成为当前行业研究的标杆。但研究认为在智能手环领域，产品的同质化问题非常严重，同时智能手环的准确度和待机时间成为影响用户体验的重要因素[1]。对此，结合上述需求，提出一种低功耗的智能手环设计方案，并通过手机APP将结果展示出来，最后验证了方案的可行性。

2 MSP430系列单片机结构及特点

2.1 MSP430单片机结构

随着单片机技术的不断发展，以STM32、MSP430、ARM9等为代表的微处理器成为当前工业应用的重点。其中，MSP430作为一种16位微控制器，在微处理器中拥有较高的性价比。目前，随着MSP430芯片的不断改进，已经形成拥有MSP430x11～MSP430x55不同系列在内的产品组合，可用于不同的应用场景。具体结构如图1所示。

图1 MSP430x55xx引脚图

2.2 MSP430单片机特点

MSP430系列单片机之所以迅速发展，并被广泛应用，主要是因为以下特点[2]：

（1）强大的处理能力

MSP430系列是由TI公司推出的一款16位的低功耗单片机，采用RISC结构，具有丰富的寻址方式、27条强大内核指令，拥有较高的运算和处理速度，在8MHz晶体驱动下的周期为125ns，从而大大提高了编程效率。

（2）低功耗

MSP430系列单片机之所以具有超低的功耗，原因在于其拥有不同的工作模式。在芯片中，共有一种活动模式 (AM)和五种不同等级的低功耗模式(LPMO～LPM4)，从而满足不同状态下的功能需求。而在等待情况下，最低用电可达0.1uA。

（3）丰富的外围模块

MSP430系列单片机拥有丰富的外围功能，如看门狗、定时器 A(TimerA)、定时器 B(TimerB)、硬件乘法器、端口1～6(P1～P6)等不同模块，通过这些模块的组合，可满足不同的功能需求，大大提高了芯片实用性。其中看门狗可在程序失去控制的时候迅速复位；16位的定时器具有捕获/比较功能，可对寄存器进行大量的捕获/比较；具有多个I/O端口，最多可达到6*8条不同的I/O口线。由此，这些功能为系统解决方案提供了极大方便。

（4）高效的开发环境

在对MSP430进行开发中，只需要借助一台电脑和一个JTAG调试器，并通过JTAG接口即可对程序编程、调试，大大方便开发者的开发需要。

3 系统硬件整体设计方案

结合MSP430芯片特点和智能手环的功能需求，将该系统的整体架构设计为如图2所示。

图2 智能手环整体硬件架构

通过图2看出，该智能手环设计整体包含6个不同的功能模块，MSP430F作为主控芯片对不同的功能进行控制。

3.1 主控芯片选择

本文选择当前最新的MSP430F5529作为主处理器，主要是因为该主控芯片具有以下优势：

（1）高性价比

MSP430F5529芯片内拥有4个可通用串行接口，128KB闪存，8KB容量的SRAM，同时可支持、I2C、SPI和UART接口。

（2）低功耗

该芯片内拥有两种功耗模式，一种为激活模式，一种是待机模式，而在待机模式下，该芯片的功耗可低至2.1KA。

3.2 三轴加速度传感器

三轴加速度选择由西门子公司生产的ADXL345传感器[3]，该传感器内置A/D数模转换，从而可将搜集到的数字信号通过SPI或者接口方式输出，输出范围为：±2g、±4g、±8g、±16g，其中g表示地球引力加速度。

3.3 蓝牙模块

蓝牙模块结合系统的低功耗需求，选择CC2541型号。该型号是一款低功耗以及2.4GHz的功率优化片载系统解决方案[4]。具有出色的RF收发器和可编程的8051MCU、8KB容量大小的RAM连接，从而使其具有功能强大、低功耗等特点，同时蓝牙模块与主控芯片的通信则通过UART接口。

4 系统软件部分设计

4.1 低功耗设计

为进一步提高MSP430F5529芯片的工作效率，本文在芯片上移植μC/OS-II实时操作系统，实现对不同的任务进行调度。同时在该智能手环的设计中，如果运行μC/OS-II，则会破坏整个系统运行的低功耗要求。因此在系统运行中，提出采用最低优先级的任务Task_Enter LPM3（），从而让系统在没有程序运行时，直接进入到待机模式。具体调度程序如图3所示。

图3 μC/OS-II系统下的任务调度程序设计

4.2 计步算法设计

本文设计的智能手环最为主要的功能就是计算步数，从而为不同的人提供运动信息。而计步的准确性除依靠精度较高的传感器外，还必须通过软件对得到的信号进行处理，从而计算步数[5]。而通过西门子公司生产的ADXL345传感器采集到的信号具有很大的噪音，需要通过滤波方式对信号进行处理。对此，结合上述思路，实现算法设计为如图4所示。

图4 计步算法设计

4.3 基于Android的APP软件设计

为进一步提高该智能手环的用户体验，针对当前用户较多的Android手机开发了一款APP软件，从而让广大用户通过该界面即可查看相关信息。结合当前的计算机开发技术[6-8]，系统将该APP的整体框架设计为如图5所示。

图5 智能手环APP整体框架

在该APP框架中，智能手环通过蓝牙方式与APP通信，用户只需要通过点击交互界面中所需要功能，即可完成对计步数的查询。通过系统后台数据库还可根据用户身高、体重、步数等对消耗的卡路里进行计算。

5 系统测试

通过利用计算机技术对系统进行开发，可以得到如图6所示的APP开发界面。

同时为验证该手环设计方案的准确性，分别选取4个不同的人对其在1分钟内的步数进行统计，得到如表1所示的误差结果。

图6 智能手环APP开发界面

表1 手环计步数准确度统计

同时，对该智能手环的功耗进行统计，可以得到表2所示的结果。

表2 智能手环功耗测试统计

通过上述设计和实验结果可以看出，系统无论在功能界面，还是在计步准确度及功耗方面都有很大提升。

6 结束语

利用MSP430F5529芯片在低功耗和性价比方面的优势，设计了一款可用于智能手机的智能手环系统，从而让人们通过手机即可实现对自己的运动步数和消耗能量进行统计，大大提高了智能化技术的应用水平，为智能化的深入推广提供了参考。

[1] 李易陆,陈洪波,蒋晓旭,李腾生,冯思浩.基于三轴加速度传感器的人机交互智能手环[J].桂林电子科技大学学报,2015，35(5):412-415.Li Yilu,Chen Hongbo,Jiang Xiaoxu.Li Tengsheng,Feng Sihao,Human computer interaction intelligent hand ring based on three axis acceleration sensor[J].Journal of Guilin University of Electronic Technology,2015(5):412-415.

[2] 何婷婷,郭建强,李游,李芳,殷凯.基于MSP430单片机的光电跟踪伺服系统的研究 [J].现代电子技术,2013（16）:143-145，148.He Tingting,Guo Jianqiang,Li You,Li Fang,Yin Kai.Research on the photoelectric tracking servo system based on MSP430 MCU[J].modern electronic technology,2013（16）:143-145，148.

[3] 李兴法，尹冠飞．数字式加速度传感器ADXL345的原理及应用[J]．黑龙江科技信息，2010（36）：2-14．Li Xingfa,Yin Yin.Principle and application of digital acceleration sensor [J].ADXL345 Heilongjiang science and technology information,2010(36):2-14.

[4] 陈银溢.基于CC2541和LIS3DSH的计步器设计 [J].机械工程与自动化,2014(6):96-98.Chen Yinyi.CC2541 and LIS3DSH [J].pedometer design of mechanical engineering and automation,based on the 2014(6):96-98.

[5] 谢如花.步数检测方法及在手腕式计步器中的应用研究[D].兰州：兰州交通大学，2013.Xie flowers.The step detection method and its application in the wrist pedometer[D].Lanzhou:LanZhou JiaoTong University,2013

[6] 杨慧亮，孙怡宁，李丹，等．基于Android手机平台的人体能耗检测系统的研究与开发［J］．仪表技术，2013(7)：13-16．Yang Huiliang,Sun Yining,Li Dan,et al.Research and development of the human body energy consumption detection system based on Android mobile phone platform[J].Meter technology,2013(7):13-16.

[7] 韩文智,骆文亮.Android平台的移动APP开发方法与应用研究 [J].四川理工学院学报 (自然科学版),2015(3):22-26.Han Wenzhi,Luo et al.mobile APP development platform Android and its application[J].Journal of Sichuan University of Science and Engineering (NATURAL SCIENCE EDITION),2015,38(3):22-26.

[8] 王柯,马宏斌.一种基于Android平台数据采集系统的设计与实现[J].测绘与空间地理信息,2014(10):29-32.Wang Ke，Ma Hongbin.Design and implementation of a data acquisition system based on Android platform[J].mapping and spatial geographic information,2014,(10):29-32.

Design on Wearable Smart Bracelet Based on Single Chip Technology

Zhong Chen
（The DESAY Industry Development of Huizhou Co.,Ltd.,Huizhou 516000,China）

In order to improve the measurement accuracy of wearable bracelet and extend the standby time of smart bracelet，a main controller based on MSP430 ultra low power consumption chip is proposed.Combined with the characteristics of MSP430 series chips，the system architecture is designed and the C/OS-II system is introduced to improve the traditional algorithm.Finally，the step precision and standby power consumption of the bracelet are tested，compared with the current mainstream products，it has a certain application value because of a great improvement in terms of accuracy and standby time.

MSP430 series；Wearable bracelet；Step algorithm；Standby time；APP interface

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.016

TN919.5

A

1002-2279-（2017）03-0075-04

钟晨（1967-），男，广东省龙川市人，博士研究生，高级工程师，主研方向：新一代移动通讯、IC设计等技术领域相关的软件、系统集成等核心技术的研究。

2016-09-26