摘要：為了提升高職信息類專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)載體，提出一種服務(wù)于職業(yè)教育的基于CC2541低功耗藍(lán)牙芯片的智能可穿戴手環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)于計(jì)步算法和噪聲濾波算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)利用藍(lán)牙通信方式實(shí)現(xiàn)了與Android手機(jī)通信。通過(guò)開放協(xié)議，在手機(jī)端app發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)控制手環(huán)震動(dòng)、同步時(shí)間、讀取和設(shè)置計(jì)步數(shù)據(jù)、讀取實(shí)時(shí)加速度傳感器數(shù)據(jù)、創(chuàng)意性增加手環(huán)字符串顯示等并在手機(jī)app端顯示出來(lái)，在移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的教學(xué)領(lǐng)域具有一定推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：職業(yè)教育;可穿戴手環(huán);計(jì)步算法優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）34-0082-03

本文提出了以智能可穿戴設(shè)備為載體，以其承載的嵌入式、開放協(xié)議的軟件分析與優(yōu)化、應(yīng)用層移動(dòng)APP的開發(fā)為重點(diǎn)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式并加以實(shí)踐，力求使學(xué)生在掌握移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)的技能的同時(shí)，又具備一定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念，從而增強(qiáng)學(xué)生在職場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)新出一種新的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。智能手環(huán)是智能可穿戴設(shè)備的典型產(chǎn)品，考慮到職業(yè)教育的特點(diǎn)，提出了一種低成本、低功耗、以CC4521藍(lán)牙芯片和意法半導(dǎo)體llis3dh傳感器模塊為核心的藍(lán)牙教學(xué)手環(huán)，同時(shí)在嵌入層代碼開放協(xié)議，使學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)APP控制手環(huán)的絕大部分功能，提升學(xué)生興趣和教學(xué)質(zhì)量。

1 手環(huán)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合本教學(xué)手環(huán)的功能要求，該系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

可以從圖中看出其中比較耗電的是LED模塊及馬達(dá)模塊。

2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊結(jié)合系統(tǒng)的低功耗需求，選擇德州儀器TI的CC2541芯片。該型號(hào)是一款低功耗以及2.4GHz的功率優(yōu)化片載系統(tǒng)解決方案[1]。具有出色的RF收發(fā)器，內(nèi)核是可編程的8051MCU、具有8KB容量大小的RAM相連，從而使其具有功能強(qiáng)大、低功耗等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 加速度傳感器模塊

選用意法半導(dǎo)體llis3dh三軸高分辨率加速度計(jì)芯片。該芯片能夠測(cè)量加速度的輸出數(shù)據(jù)速率為3.125Hz-1.6kHz。支持nciSPI數(shù)字輸出接口，寬電源電壓1.71V-3.6V。如圖3所示。

4 計(jì)步算法及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

使用嵌入式集成軟件環(huán)境IAR Embedded Workbench，它提供了一個(gè)框架，并適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，它為用戶提供一個(gè)易學(xué)和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境、對(duì)大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持[2]。嵌入式IAREm-bedded Workbench有效提高了用戶的工作效率，IAR集成了許多種處理器，在建立工程后必須對(duì)工程進(jìn)行設(shè)置才能夠開發(fā)出相應(yīng)的程序。加載TI的BLE-CC254x-1.3.2藍(lán)牙4.OBLE協(xié)議棧后，可以看到該框架的結(jié)構(gòu)及本教學(xué)手環(huán)的底層程序，其中協(xié)議棧用于射頻數(shù)據(jù)收發(fā)。應(yīng)用程序用于用戶的指令執(zhí)行，本教學(xué)手環(huán)開發(fā)的應(yīng)用程序主要為：

1）射頻鏈路控制，控制藍(lán)牙廣播、連接和斷開、數(shù)據(jù)收發(fā)等。

2）數(shù)據(jù)處理，對(duì)藍(lán)牙射頻從手機(jī)端接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，執(zhí)行相應(yīng)指令，如馬達(dá)震動(dòng)、屏幕顯示等。

3）手環(huán)功能支持，如讀取傳感器數(shù)值、刷新屏幕顯示、電量管理等。

其中saAcceIMeter.c文件是三軸加速度應(yīng)用程序，計(jì)算步數(shù)的基本原理是：當(dāng)人體行走時(shí)，垂直加速度與水平加速度呈周期性變化。邁步時(shí)，垂直加速度減小，水平加速度增加。收腳時(shí)，垂直加速度增加，水平加速度減小。勻速跑步理想狀態(tài)下垂直加速度和前進(jìn)加速度與時(shí)間大致是一個(gè)正弦曲線[3]，且在某一點(diǎn)有一個(gè)峰值，其中垂直方向的加速度變化最大，以上是一種人體運(yùn)動(dòng)的理想狀態(tài)，如圖5所示：

但是針對(duì)手環(huán)設(shè)備，運(yùn)動(dòng)方向不是只有兩個(gè)方向，現(xiàn)采用x-y-z三軸加速度測(cè)量方法解決手環(huán)設(shè)備的計(jì)步功能，方法是：

1）記錄x-y-z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)矢量長(zhǎng)度，形成一條運(yùn)動(dòng)曲線。

2）均值濾波去干擾，然后選取計(jì)算軸，然后判斷是否大于閾值，小于閾值，則返回重新獲取加速度。大于閡值則判斷時(shí)間窗，如果在時(shí)間窗外，則返回重新獲取加速度。如果在時(shí)間窗內(nèi)，則步數(shù)加1。

3）更新閾值，以防人為或者不合法運(yùn)動(dòng)步數(shù)的累計(jì)。比如人體最快跑步頻率為SHz，則兩步之間的時(shí)間間隔大于0.2s，可去高頻步數(shù)。

4）判斷電量，如果電量低，則程序結(jié)束，否則返回重新獲取加速度。

整個(gè)計(jì)步及濾波的流程如圖6所示：

考慮到職業(yè)教育的教學(xué)對(duì)象和教學(xué)效果，本手環(huán)在計(jì)步去干擾時(shí)采用了響應(yīng)最快的均值濾波，其原理是對(duì)待處理的當(dāng)前像素，選擇一個(gè)模板，該模板為其鄰近的若干個(gè)像素組成，用模板的均值來(lái)替代原像素的值的方法[4-5]。

此算法去除干擾信號(hào)使用均值濾波，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)潔有效，適用于運(yùn)動(dòng)幅度變化較為劇烈的場(chǎng)景，比如從快跑變成慢跑等情況，計(jì)算步頻的閾值只與上次運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的特征（極值）有關(guān)，而與之前的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)特征無(wú)關(guān)，相較于常見的運(yùn)動(dòng)手環(huán)而言，采取開放協(xié)議，使所有手環(huán)硬件的功能都可以通過(guò)手機(jī)APP來(lái)控制，而一般能夠與手機(jī)APP互動(dòng)的商業(yè)手環(huán)最多設(shè)置1-2個(gè)控制功能。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證該手環(huán)設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，選6人對(duì)其在1分鐘內(nèi)的步數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如表1所示的測(cè)試結(jié)果。

通過(guò)利用Android應(yīng)用開發(fā)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，可以得到如圖8所示的APP開發(fā)界面及運(yùn)動(dòng)曲線圖。

6 結(jié)束語(yǔ)

該手環(huán)設(shè)計(jì)以提高學(xué)生開發(fā)app的興趣為目的，由此設(shè)計(jì)如下特色功能。

1）控制協(xié)議開放，可以通過(guò)編寫手機(jī)app，發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)控制手環(huán)震動(dòng)、同步時(shí)間、讀取和設(shè)置計(jì)步數(shù)據(jù)、讀取實(shí)時(shí)加速度傳感器數(shù)據(jù)、重命名手環(huán)等功能。

2）創(chuàng)意性增加字符串顯示?？赏ㄟ^(guò)app發(fā)送任意字符串，顯示在手環(huán)屏幕上，且可設(shè)置多種文字滾屏方式。

3）圖形顯示，通過(guò)app發(fā)送圖片至手環(huán)，顯示在手環(huán)屏幕上，手環(huán)更具個(gè)性化。

通過(guò)以上特色功能，學(xué)生可以自行編程，讀取手環(huán)數(shù)據(jù)和控制手環(huán)顯示，通過(guò)程序個(gè)性化設(shè)置自己的手環(huán)，熟悉手機(jī)藍(lán)牙4.0的應(yīng)用開發(fā)的同時(shí)，直接看到自己app作品的藍(lán)牙控制效果，學(xué)有所用，真正體會(huì)到物聯(lián)網(wǎng)中萬(wàn)物互聯(lián)、無(wú)線控制的樂趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘晨.基于單片機(jī)技術(shù)的可穿戴智能手環(huán)設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī)，2017，38（3）：75-78.

[2] IAR Systems; IAR Embedded Workbench Supports RenesasGraphics Library for Automotive Instrument Cluster Develop-ment[J]. Electronics Business Journal，2016.

[3] Tencent CDC[EB/OL]. https：//cdc.tencent.com/2013/07/26.

[4]彭姝姝，基于均值濾波和小波變換的圖像去噪[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2019（12）：62-67.

[5]陳銀溢.基于CC2541和LIS3DSH的計(jì)步器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014（6）：96-98.

【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2019-09-26

作者簡(jiǎn)介：王彤（1968-），男，陜西安康人，副教授，工程碩士，主要研究方向?yàn)檐浖夹g(shù)、專項(xiàng)信息系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)字圖像處理及模式識(shí)別領(lǐng)域。