基于CC3200的可穿戴计步器的设计

何枫 杨凤年 何文德 黄浩岚

【摘 要】设计了采用锂电池供电的可穿戴计步器，以CC3200作为微控制器，将加速度传感器ADXL345采集到的加速度值进行处理得到用户运动步数，并在液晶屏上显示实时时间、步数和运动时长，还可通过Wi-Fi将步数和运动时长上传到指定的云平台进行统计分析。

【关键词】计步器;CC3200;ADXL345

中图分类号： R197.39 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.007

0 引言

随着生活水平的不断提高，人们对身体健康的关注程度也日益提高。散步是人们日常生活中一种简单且深受喜爱的运动方式，且不受场地器材的限制，是实施全民健身计划纲要的有效措施[1];散步能促使血管弹性的增加，特别是腿的持续运动，可促使更多的血液回到心脏，有利于改善血液循环，提高心脏的工作效率。散步作为一项健身运动，与其他运动一样，对不同的群体有不同的运动量要求，要准确掌握散步的运动量，必须有相应的计量设备。

可穿戴计步器是方便有效的步行运动量计量设备，通过统计用户行走步数、距离、速度、时长等数据来掌握其运动量，实现运动里程，能量消耗，心率测评等相关数据的监测，有助于防止运动不足或是运动过量。若能将运动信息通过无线网络发送到相应的云平台，进行运动信息的统计、分析，然后通过智能手机向用户给出运动、饮食等方面的健康提示，将大大提高计步器的实用价值。因此，设计一款具备无线通信功能的可穿戴计步器，能更好地满足人们对运动健康信息掌握的渴求。

1 总体方案设计

本计步器主要包含电源管理模块、微控制器、加速度传感器模块、存储器模块、Wi-Fi模块和液晶显示器（LCD）模块等。它通过微控制器采集三轴加速度传感器获取的加速度值，配合适当的计步算法获得用户的运动步数和时长等信息，并在LCD上显示当天的运动信息和实时时间，且利用Wi-Fi将这些信息发送到指定的云平台。此外，若微处理器内部没有集成用于存储应用程序的存储器，系统就需要外接Flash来存储应用程序。系统主要功能模块如图1所示。

计步算法包括以下三部分：

运动曲线获取：通过计算三轴加速度传感器的三个加速度的矢量长度，可以获得步行者运动时类似正弦波的运动曲线。

峰值检测：利用记录的上次矢量长度和运动方向，通过矢量长度的变化，可以判断目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向进行比较。如果是相反的，即是刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃。通过对峰值的次数累加，可得到用户行走的步数。

去干扰：人体最快的跑步频率为5HZ，即相邻两步的时间间隔的至少大于0.2秒。手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态，俗称手抖，或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路，这些干扰数据可以通过给检测曲线加上阀值和步频判断来过滤剔除。

2 计步器硬件设计

计步器的硬件包括：含微控制器和Wi-Fi模塊CC3200芯片及其Wi-Fi滤波器与天线、三轴加速度传感器ADXL345、LCD、串行闪存（S-Flash）、LED指示灯、按键、蜂鸣器、锂电池及其充电电路、低压差线性稳压器（LDO）电路。此外，还要考虑开发调试及通过USB转串口烧录用户程序到S-Flash中，设计样机阶段必须有USB和JTAG接口。计步器的硬件组成如图2所示。

2.1 微处理器与WiFi模块的选择

计步器作为可穿戴设备，必须做到体积小、功耗低，性能稳定，因此本课题着重考虑功耗低、稳定性好、集成度高的微控制器芯片。CC3200是TI公司推出的一款针对物联网应用、集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的单片无线MCU，无线信号经过2.4GHz的带通滤波器以及阻抗匹配网络后通过天线发送出去，方便用户能够用单个集成电路实现物联网应用开发[2]。借助片上Wi-Fi、互联网和稳健耐用的安全协议，用户无需Wi-Fi开发经验即可实现快速开发。

CC3200采用易于布局布线的四方扁平无引线（QFN）封装。其应用MCU子系统包含一个运行频率为80MHz的ARM Cortex-M4内核。该器件还包含多种外设，其中包括GPIO、UART、SPI、IIC和四通道模数转换器。还包括用于代码和数据的灵活嵌入式RAM，以及具有外部串行闪存引导加载程序和外设驱动程序的ROM。

CC3200支持访问点（STA）、基站（AP）和Wi-Fi直接（P2P）模式。本文中CC3200工作在STA模式，因此计步器只能通过无线路由器实现与云平台的数据通信。

2.2 加速度传感器的选择

ADXL345是ADI公司推出的基于iMEMS技术的小巧纤薄低功耗三轴数字输出加速度传感器，适合应用于移动设备[3]。它可以对高达±16g的加速度进行13位分辨率测量。数字输出为16位二进制补码格式，可通过SPI或者IIC接口访问，适合移动应用场景。

2.3 处理器外围电路设计

系统采用充电电流最高1A的线性锂电池充电芯片TP4056对2000 mAh锂电池进行充电管理。CC3200通过定时器中断的方式对ADC输入锂电池输出电压进行定时采样，当电压低于3.7V时蜂鸣器发出告警声并自动关机。并采用适用于锂电池供电且低成本的LDO芯片RT9013-33为系统提供3.3V电源，通过其EN引脚可实现软件自动关机和按键开关机功能[4]。

3 计步器软件设计

3.1 低功耗设计

为了使计步器更省电，必须在无运动状态下使CC3200和ADXL345运行在睡眠状态。CC3200内置的Cortex M4内核支持低功耗深度睡眠（LPDS）模式，可在保持网络连接的同时，提供最优功耗。在该模式下，Cortex M4核及其绝大部分外设都会掉电，丢失状态和上下文信息，RAM可以有选择地保留数据。该模式可以被定时器或6个特定的GPIO唤醒。

本文将ADXL345设置为自动休眠模式，并将其Activity、Inactivity中断源编程分别映射到管脚INT1和INT2，再将以上管脚分别与CC3200的GPIO2和GPIO3相连，用于CC3200的睡眠唤醒和进入睡眠提醒。

INT1连接GPIO2即可实现唤醒，即当用户开始运动后，ADXL345感应到的加速度值大于最大阈值后，ADXL345从睡眠模式被唤醒，并使INT1输出高电平且通过与之连接的GPIO2将CC3200唤醒，阈值一般设定为佩戴者抬腕动作所产生的加速度值。当加速度值低于设定阈值且持续一定时长后，INT2输出高电平且通过与之连接的GPIO3“提醒”CC3200进入LPDS模式。

3.2 主程序设计

进入应用程序的main（）函数后，首先是全系统的初始化，主要包括：ADXL345、S-Flash、RTC、定时器、GPIO、中断、ADC、SPI、UART、PWM、JTAG和TCP/IP连接初始化;初始化完成后，读取实时时钟的值，连再续读取多个加速度矢量长度后计算出当日步数和运动时长，然后判读是否到时间0点0分，如果是步数和运动时长清零，若不是，更新LCD显示的实时时间、运动时长和当日步数;判断是否有Wi-Fi，若有Wi-Fi就按规定的时间间隔将步数上传到指定云平台;查询GPIO3，若为高电平则准备进入LPDS模式;进入LPDS模式后，仅当GPIO2有高电平输入时，CC3200才被唤醒重新进入正常工作模式。

4 结语

本文提出了一种可穿戴计步器的設计方案，采用集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的单片无线MCU CC3200完成运动信息处理和无线通信功能，提高了开发效率、降低了产品体积。充分利用CC3200和ADXL345二者良好的电源管理特性，结合软件设计中采用的较高效的电源管理措施，实现了可穿戴设备软硬件协同设计中的低功耗目标。系统实现了实时时间、运动步数和运动时长显示，以及运动信息上传到云平台，借助于智能手机APP，用户可实现个人运动信息统计分析和图表展示，还可获得来自云平台个性化推送的运动健康饮食等方面的参考建议信息，增强了产品实用性，是计步器设计的有益尝试。

【参考文献】

[1]黄红梅，刘永晖.散步对中老年高级知识分子心脏功能影响的追踪分析[J].体育科学研究，2004，8（4）：41-44.

[2]Taxas Instruments.CC3100/CC3200 SimpleLink？ Wi-Fi？ and Interneton a Chip Users Guide[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/ swru368a/swru368a.pdf，2015.

[3]孟维国.三轴加速度计ADXL345的特点及其应用[J].电子设计工程，2007，13（11）：23-24.

[4]杨凤年.基于STM32的人体跌倒报警装置的设计[J].福建电脑，2018，34（2）：31-32.