北斗三号融合智能穿戴产品创新应用

柳芳震

（福信富通科技股份有限公司，福建 福州 350001）

本文重点讲述了北斗三号融合智能穿戴产品创新应用的软硬件设计和相关案例借鉴，为发展北斗+智能穿戴产品提供技术借鉴。

1 研究背景

借助北斗三号全球组网成功，赋能北斗技术走进民生已是国家战略，为规范中国第二代卫星导航系统重大专项民用示范组织管理工作，中国第二代卫星导航系统专项管理办公室于2015-04-15 印发了《中国第二代卫星导航系统重大专项民用示范项目管理办法（试行）》的通知。结合北斗卫星导航应用需求，优先选取事关国计民生、社会公益的重大方向，全国各省都已开展北斗综合应用示范。

新时代下应响应习近平总书记的号召，大力弘扬新时代北斗精神，发挥北斗技术特点和“数字中国”建设良好基础条件的优势，进一步抓住创新驱动、大数据、“一带一路”等国家发展机遇，结合鞋服产业，研发北斗三号穿戴感知产品，赋能北斗智能应用，打造数字鞋服，促进传统行业升级。

2 研究目的和意义

为给北斗创新应用孵化提供优良土壤，从技术创新、模式创新、应用创新3 个方面推进北斗+智能穿戴在鞋服产业的应用。借助最新的北斗技术结合物联网通信技术，将传感器网络、运动科学和云平台等集为一体，以实现动作识别、步态识别、体征感知、运动感知、健康检测、位置服务等功能，希望能对中国北斗融合智能穿戴实践具有指导作用。

3 北斗融合智能穿戴产品技术方案

3.1 整体设计

整体设计主要包括北斗RNSS 模块、三维（6 轴）加速度传感器、力敏传感器及数据发射器，如图1 所示。

图1 整体组成

3.1.1 北斗三号RNSS 模块

北斗三号全球卫星导航系统（简称“北斗三号系统”）由24 颗中圆地球轨道卫星、3 颗地球静止轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星共30颗卫星组成[1]。北斗三号相比北斗二号，增加了B1I、B1C、B2A 等频点，系统提供多个频点的导航信号，能通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。频点对比表如表1 所示。

表1 频点对比表

选用TAU1105，TAU1105 是一款低成本、高性价比的多系统定位模块，搭载了华大北斗的CYNOSUREIIGNSS SoC 芯片，支持新一代北斗三号信号体制，同时支持全球所有民用导航卫星系统（包括BDS、GPS、GLONASS、GALILEO、QZSS 及SBAS）[2]。TAU1105尺寸小、集成度高且应用简单，非常适合智能穿戴产品的GNSS 规模化应用。RNSS 模块技术指标如表2所示。

表2 RNSS 模块技术指标

3.1.2 通信机制

通信模组采用3GPP el.13 LTE 技术，可提供下行10 Mbps 和上行5 Mbps 数据速率；支持丰富的网络协议、行业标准接口以及超高性能，适用于Windows、Linux、Android 的USB 串行驱动程序，建议尺寸小于19.6 mm×19.6 mm×2.46 mm，以适用于手表、手环等小型穿戴终端；模组支持OPEN CPU，无需外部处理器以及相关的存储器和外围设备，降低了硬件成本，缩短了时间周期。为了实现智能化，总模块包括总处理器、多模定位模块、北斗RTK 定位模块、通话双向监听模块、低电量报警模块、心率检测模块、防拆报警模块、越界报警模块和远程传输模块。

3.1.3 基于AI 的动态组合定位算法

通过姿态传感器及动能转换供电系统感应电压变化曲线，识别基于锚点的步幅、步频、航向监测；运动形态识别的方法其特征在于通过监测姿态传感器横滚、俯仰角度变化，判断使用者的走姿状况；通过姿态传感器旋转轴和绕该轴旋转的角度构造一个四元数，四元数定义公式如下：

式中：α为绕旋转轴旋转角度的数值；cos（βx）、cos（βy）、cos（βz）分别为旋转轴在x、y、z方向的分量，以确定旋转轴。

四元数转换成三维姿态角，变换公式如下：

式中：φ为姿态传感器滚角的数值；θ为姿态传感器仰角的数值；ψ为姿态传感器方位角的数值。

运动过程中主要的脚步运动形态有：协调型φ≤|n|，翻转型φ＞|n|，预估n的最优取值2°；脚步起落协调型φ≤|n|，判断为正常内旋；脚步起落翻转型φ＞|n|，n为正值，判断为内旋不足；脚步起落翻转型φ＞|n|，n为负值，判断为过度内旋[3]。

通过检测脚底不同部位的受力情况，从而了解其他数据，例如平衡情况、体重转移、地面接触力等，并按一定的规律安装在智能跑鞋鞋垫上的多个位置，收集运动者的平均触底时间、着地比例、步态比例，从3 个维度结合大数据的建模和分析，基本可以得出运动者的步姿、习惯是否科学合理。

3.1.4 多维复合工作模式介绍

提供各种场景下的定位模式。第一种为日常模式，也称标配模式。该模式下通过AI姿态算法无报警、无特殊情况发生时，默认不上报数据，当用户进入APP/小程序，平台会下行wake 指令设备上报当前最新位置，在用户使用APP 过程中，每2.5 min 会上报位置信息，将精度和耗能降到最低。第二种为定时上报模式，适合监管或运动使用场景。该模式下用户自行设置运动/静止状态下设备的上报周期，根据设置的周期，设备按频率上报位置信息。第三种为闹钟模式，该模式下用户可设置多个闹钟，设备根据闹钟设定的时间点主动上报当前时间位置，设备仅在设置的时间点上报位置信息，其余时间则不上报数据，该模式也称为省电模式，功耗较低，使用场景适用考勤签到等应用场景。第四种模式为追踪模式。追踪模式下，系统分析当前设备处于围栏范围外等特殊情况，自动开启北斗RNSS 模式定位，对设备穿戴人员进行精准定位跟踪，实时获取地理位置信息，在跟踪模式下耗能和精度同时提高，但功耗高，缩短了使用时间；当电池电量达到特定临界值时，自动给紧急联系人发送信息告警，提醒及时充电，同时发送最后精确位置信息数据。

3.2 云平台系统设计

3.2.1 平台架构

平台架构如图2 所示。

图2 平台架构

北斗大数据底座主要用于解决数据传输、设备大数据存储、计算、设备命令下发等问题，是物联网系统建设的基础部分和大数据支撑的主体部分。

穿戴应用服务，管理业务包括用户管理、权限管理、机构管理、菜单管理、设备管理等基础服务，应用业务包括运动轨迹、实时位置、安全围栏、步数分析、跌倒报警、监控中心、行为分析、报警查询和系统日志的业务服务。

北斗穿戴APP 作为前端业务，为使用群体提供移动端业务服务，主要包括安全围栏、运动轨迹、实时位置、消息中心、设备绑定、成员管理、步数统计、电量监测、监控预警和个人中心的业务服务。

3.2.2 技术架构

采用J2EE 技术路线，基于前后端分离、服务分层解耦和微服务分布化及异步化的原则进行5 层系统技术架构设计，如图3 所示，分别为基础资源层、数据存储层、中间件服务层、应用服务层、服务接入层、页面展示层，确保系统技术先进且可靠。

图3 系统技术架构图

3.2.3 安全体系

物联网系统部署在内网环境，但部分功能需要开放互联网访问，为确保信息安全，平台遵循安全防护的相关要求，按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证、动态感知、全面防护”的原则，针对面临的安全风险，重点从物理安全、边界安全、应用安全、数据安全、网络安全、主机安全、终端安全等方面进行防护设计[4]。平台应用安全体系架构图如图4 所示。

图4 系统安全体系架构设计图

3.2.4 系统接口要求

平台对外提供各种开发接口，包括完全兼容数据第三方二次开发，开源各个组件API接口，REST 访问接口包括Web 以及REST 接口；同时通过支持SQL最新标准和MYSQL，提供JDBC/ODBC 接口，能够使传统业务场景向大数据平台上进行平滑迁移。平台提供的主要开发接口详细描述如表3 所示。

表3 系统主要接口开发要求

建议二次开发的应用软件采用SOA 架构进行设计，可服务化封装的功能列表如表4 所示。

表4 可服务化封装功能列表

4 北斗融合穿戴产品的案例

北斗穿戴应用建议在手表、手环、鞋服、挂饰等产品形态上设置2 类产品：一类为消费类通用产品，另一类为老人、儿童关爱类产品。消费类以位置服务、运动记录、人体姿态监测为主导，提供智能化应用；老人、儿童类产品则为专业的关爱、守护、健康数据分析为主导，这样增加了产品组合的深度，迎合了不同消费者的产品需求，并达到扩大市场占有率的目的。已有民政局帮扶全市部分60 周岁以上老人（散居特困供养对象、60周岁以上失智老年人有定位防走失需求的）制定帮扶方案，建立对象摸底表等工作台账，及时掌握活动进展情况。帮扶工作所需物资为基于北斗三号定位技术的运动轨迹记录智能鞋，切实维护老年人在信息时代下的合法权益，帮助老年人跨越“数字鸿沟”，提升老年人获得感、幸福感、安全感，开展“智慧养老帮扶”行动。

5 结论

北斗三号融合智能穿戴创新应用旨在通过北斗结合物联网技术实现准确、实时感知、行为识别、体征监测、位置服务等创新应用，为国内北斗三号智能穿戴应用的未来发展提供一定的技术借鉴。