一种配合交通乘运设备使用的多功能手环方案设计

张晴，邓军，张娟，张妤婕，杨丹妮，闫梦真

（南京师范大学中北学院，江苏镇江，212300）

1 概述

■1.1 国内外研究背景

国外：到2014 年底之前，智能手环的产品类型已经超过50 多种，在全球市场中，智能手环对外出货量达到年均1300 万只。据数据预测，截止到2017 年底，智能手环对外年出货量将会突破到3600 万只。

国内：我国智能手环自2013年开始出现，市场发展迅速，出现了华为、荣耀、三星以及小米等为主导的国内电子市场，目前位列关注榜前15的几乎都是国产品牌，国内手环市场进一步开拓。

国内手环的类型主要有荣耀手环，其功能是全触控操作，可以血氧检测、运动监测、睡眠监测、拥有健康数据系统；小米手环，其主要功能是智能语音、游泳监测、闹钟、多运动模式、卡路里消耗；华为运动版手环，主要功能即为运动监测；苹果智能手环，主要功能跟其他手环不同，它可以支持第三方应用下载，简单直接地解锁电脑，可以配合Airpods 使用听歌，在没有手机的情况下，也能进行收发微信、接打电话的操作[1]。

■1.2 设计思路及创新点

市场现有手环的功能对于老人来说使用较复杂且针对性不强，结合问卷调查数据，我们对于手环的交通出行功能做了提升，以定位功能为基础，延伸出一键叫车及到站提醒功能。

2 总体技术方案

■2.1 非接触式IC 卡系统

该手环采用Mifare S50 射频薄卡飞利浦(NXP)原装IC芯片，这种芯片的优点是可靠性高，操作方便,加密性能好，快速的防冲突机制。

刷卡功能实现方式：LC 谐振电路。IC 芯片主要用于存储信息，感应天线用于充电和通信。它具体的工作原理如下：在卡内形成的LC 串联谐振电路中，其接收来自射频读写器发出的固定频率电磁波组，电磁波频率与读写器发射频率一致，电路受到电磁波的激励作用共振产生电荷，使卡内的电容携带电荷；在电荷的对面连接一个单向导通电子泵，把这个泵作为桥梁，将电容内的电荷运输到另一个电容内并存储，当这个电容内存储的电压超过2V 时，这个电容可当做电源，在电路中提供工作电压，向外发送卡内数据的同时也能够接收来自读写器的数据。

图1 IC 卡电路

■2.2 定位子系统

定位电子手环一般采用两种定位方式，即GPS 卫星定位系统和LBS 基站定位。本手环设计方案采用GPS 定位芯片UBLOX 7020，其可靠性较高、体积小，可以对定位者准确定位，确定距离，并且不会轻易透露出定位者的定位情况。

■2.3 电池选型

该手环采用SR626 电池，该电池容量大、性价比较高、使用寿命长且被广泛应用，相较于一般电池直径更小，满足设计中微型的需求。不管在高温还是低温时，电池表现都非常良好，超过市面上大多数的汞锌电池。

■2.4 到站震动功能

该手环采用0820 扁平马达，它的优点是体积小并且重量轻、平面上是径向或周向旋转、结构简单、噪音较低且功耗小、震动的感觉强烈、拥有很强的可靠性且响应时间很短。

图2 GPS 电路图

到站震动的功能主要是通过震动马达来实现，考虑到设计手环的轻便性，微型的震动马达就是我们的最优选择。微型震动马达是直流有刷电机的一种，电机轴的上方存在一个偏心轮，在马达转动的时候，偏心轴的圆心偏离电机的转心，导致马达一直在不平衡的情况下工作，再由于惯性的作用发生震动[2]。

■2.5 到站提醒功能

这一功能为本系统核心模块，控制件采用STC89C52型8 位单片机[3]，电路如图3 所示，通过设定的程序将信息文字读取后在液晶屏上显示出来，人们即可获得所需的站台数和站名信息，并通过按键控制手环系统进行下一步操作。

图3 手环控制系统电路

语音功能采用的是ISD1730 芯片，这种芯片包含了新信息提示、多信息管理系统以及双运作模式等，还有可定制的信息操作指示音效。芯片的内部包括麦克风前置扩大器、自动增益控制、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。控制方式有两种，分别是录音输入方式、放音输出方式；在信息处理方面该芯片可以处理255 段或以上的信息；其工作状态显示是非常多样的；它有很多种录放时间，而每一种录放时间都有着相对应的采样频率；这种芯片的音质较其他芯片比较突出，电压的范围相对广一些，应用比较灵活，相对于市场上其他的芯片来讲，它的性价比是最高的[4]。

语音信号会在系统进行语音录制时，通过电路送给语音合成电路中的语音芯片，在进行数据处理后，将数字化的信息储存到存储芯片里，就此建立语音库。语音功能采用ISD1730 语音芯片设计录放电路，其综合性能更强，语音的录制和播放均由按键直接进行控制，电路的稳定性和可靠程度都很高，符合设计需求，语音功能电路如图4 所示。

图4 语音提示模块

采用4 个按键开关来选择电路当前的执行状态，如图5所示。

图5 功能选择电路

如流程图6 所示，当程序开始后，系统开始初始化，While（1）其中1 代表一个常量表达式，它永远不会等于0，所以循环会一直执行下去。执行以下循环：若按下键达到目的，此时液晶显示清屏，若没有达到目的，则继续按键，此时液晶显示此站及下一站、语音播报此站及下一站，若还未达到目的，则继续按键，此时液晶显示此站及上一站、语音播报此站及上一站，若目的仍未达到，则重新继续上述循环直到达到目的。

图6 设计流程图

按照程序流程图，编写程序如下：

■2.6 一键叫车系统

该手环提供了一种新型的网约车一键呼叫器，这种呼叫器内设有信号触发器、信号收发装置、存储装置以及信号显示装置，它们的主要功能分别为：触发预约的需求、传输预约需求、储存预约需求和反馈预约需求。该装置的表面设有一个呼叫按钮，人们可以通过选择按钮来发出出行的指令。其呼叫器内部设有蓝牙模块，解决了呼叫器与移动通讯设备间的信号传输，其呼叫器上还设有信号显示装置，出行人可以直观的了解网约车目前的状态。

图7 一键叫车功能流程图

■2.7 手环外观

市面上大多数的智能手环采用的都是医用橡胶材质，无毒无味，天然无害，我们智能手环的主体选取的也是医用橡胶材质，考虑到该手环的主要受众群体是老人，相较于别的外观独特且复杂的智能手环，我们手环的外观设计相对简约，但却又不失时尚感，我们在手环的两端设有卡锁，使佩戴者戴起来更加舒适。

图8 手环外观及功能模块

在该智能手环的内置区设有震动马达、GPS 芯片、续航时间较长的纽扣电池，和一个配合交通乘运设备使用的IC 芯片，外部结构和内置区的芯片配合，在处理器的支撑下发挥各自的作用，使手环能够正常运作。

3 结论

本设计方案是在调研老人出行需求的基础上提出的，增加了一键叫车等功能，具有较强的功能针对性和使用性，结合其他功能型手环的设计方案，选择采用适合于本系统的功能芯片，并设计了各功能的电路，具有可行性强、稳定可靠的特点。