何金洋，丁祖焱，陳紅穎，劉泓甫，桂娟

（重慶三峽學(xué)院電子工程信息學(xué)院，重慶，404199）

0 引言

隨著人們對(duì)外出運(yùn)動(dòng)和探險(xiǎn)需求的提高，一款出行便捷且具有保障的智能設(shè)備是必不可少的。目前的智能手表作為現(xiàn)有的較好方案存在著成本較高、功能不夠完善的情況。

本文提出并設(shè)計(jì)出了一款滿足于戶外探險(xiǎn)以及普適日常的智能手表。利用HT32作為控制系統(tǒng)的主控芯片，在HT32收集各個(gè)檢測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)后，通過(guò)軟件算法得出有用的實(shí)際信息，并在屏幕上顯示，輔助提示人員安全，有利人們做出更加安全的選擇，為了減少電耗，軟件設(shè)計(jì)屏幕根據(jù)外界光線的變化進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，可定時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)或息屏，并配有太陽(yáng)能板充電，本設(shè)計(jì)將模塊集成化設(shè)計(jì)在雙層PCB板上，提高了手表的便攜性，同時(shí)，使用防水材料3D打印手表外殼，具有較強(qiáng)的安全穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能手表系統(tǒng)由七個(gè)模塊組成(見圖1)，包括有HT32主控器模塊，穩(wěn)壓供電模塊，環(huán)境信息采集模塊、人體信息采集模塊、小型顯示器模塊、控制模塊。HT32主控器模塊核心為合泰公司生產(chǎn)的HT32系列的微處理器，其收集環(huán)境信息采集模塊采集的氣壓、溫度、有害氣體信息和人體信息采集模塊采集的人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、心率信息進(jìn)行處理并在顯示模塊中顯示。穩(wěn)壓供電模塊給系統(tǒng)供電并配合主控器模塊實(shí)現(xiàn)手表低功耗、開關(guān)機(jī)等電源管理。而控制模塊通過(guò)電平觸發(fā)控制系統(tǒng)中軟件功能的選擇。

圖1 智能手表系統(tǒng)方框圖

2 硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)置

2.1.1 主控器模塊

主控器模塊選用以ARMCortexTM-M3處理器為內(nèi)核的32位高性能低功耗合泰單片機(jī)HT32F1656。其可應(yīng)用Flash加速器在高達(dá)72MHz的頻率下工作,獲得最大的效率。它具有32KB的嵌入式SRAM存儲(chǔ)器可供系統(tǒng)操作和應(yīng)用程序運(yùn)用，256KB的嵌入式Flash存儲(chǔ)器用作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具有搭載輕型GUI庫(kù)的能力，且該芯片具有靈活性的低功耗方案，有利于野外探險(xiǎn)的持續(xù)續(xù)航。

2.1.2 小型顯示器模塊

流暢刷屏成為當(dāng)下社會(huì)屏幕選擇的主流，顯示模塊本設(shè)計(jì)采用的是ST7789，其IPS為1.14inch，分辨率為135×240，刷新率能達(dá)到60Hz，可以流暢顯示。

圖2 顯示模塊原理圖

2.1.3 控制模塊

采用觸發(fā)按鍵，利用按鍵進(jìn)行人機(jī)交互控制手表，按鍵與處理器GPIO口連接通過(guò)判斷端口是否為低電平判斷按鍵是否按下。

圖3 按鍵控制電路原理圖

2.1.4 穩(wěn)壓供電模塊

采用可充電鋰電池為手表供電，并設(shè)計(jì)以TP4056為核心的USB充電電路，具有易充電、易攜帶和高續(xù)航等特點(diǎn)。該模塊具有基于TPS63020設(shè)計(jì)的電源電路，可對(duì)手表的供電系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。

2.1.5 人體信息采集模塊

2.1.5.1 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)模塊采用內(nèi)部集成了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器的MPU6050傳感器芯片。其具有低功耗、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，有利于手表長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。微控制器HT32通過(guò)軟甲模擬I2C與MPU6050通信進(jìn)行設(shè)置其設(shè)置數(shù)據(jù)分辨率和采樣率，并采集MPU6050采集的原始信息進(jìn)行處理。

圖4

圖5 運(yùn)動(dòng)模塊原理圖

2.1.5.2 心率檢測(cè)模塊

心率檢測(cè)模塊，采用集成了接收機(jī)電路、發(fā)射機(jī)芯片、輸出引腳、I2C通信模塊、內(nèi)置紅燈和紅外燈的MAX30102心率傳感集成電路。由于接收機(jī)電路中內(nèi)置了光敏二極管和低噪聲前置放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)光電容積脈搏波反射法采集心率時(shí)可以將采集血管中血液的反射信號(hào)在噪聲中加以恢復(fù)進(jìn)行采集。該模塊工作時(shí)微處理器HT32通過(guò)I2C總線方式和MAX30102心率脈沖計(jì)傳感集成電路進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)該模塊寄存器的基本配置，通過(guò)I2C總線發(fā)送地址命令給MAX30102心率脈沖計(jì)傳感集成電路，該集成電路會(huì)返回HT32單片機(jī)被測(cè)用戶PPG信號(hào)原始數(shù)據(jù)。采集到的手腕處脈搏的模擬信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過(guò)I2C總線傳輸給HT32單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得到心律值。

在電影《瘋狂的石頭》中，一塊價(jià)值連城的祖母綠讓眾人為之瘋狂，在現(xiàn)實(shí)生活中，也有一種這樣的寶貝，從二十幾年前的每塊三、五元，飆升到現(xiàn)在的每克拉千元以上，價(jià)格數(shù)十倍于黃金。20多年間其身價(jià)翻了上千倍，讓不少當(dāng)?shù)乩习傩铡氨└弧保霈F(xiàn)拿一塊石頭換一輛寶馬車甚至一套好房子的現(xiàn)象……而造就這一切的，就是昌樂(lè)藍(lán)寶石。

2.1.6 環(huán)境信息采集模塊

2.1.6.1 溫度、氣壓、海拔檢測(cè)模塊

戶外需要對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，以便能夠更好地設(shè)定好自己的行程規(guī)劃。本設(shè)計(jì)采用BMP180模塊直接連接經(jīng)由I2C總線的HT32為主核的微控制器，該微控制器對(duì)BMP180采集的數(shù)據(jù)處理顯示到顯示屏中獲得環(huán)境壓力和溫度參數(shù)。BMP180內(nèi)包含有電阻式壓力傳感器、AD轉(zhuǎn)換器和控制單元，其中控制單元含有EEPROM和I2C接口。在EEPROM中儲(chǔ)存了176位單獨(dú)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分為11個(gè)字，每個(gè)字16位，包含有11個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)，可用于對(duì)讀取的溫度壓力值進(jìn)行補(bǔ)償，并且每個(gè)器件模塊都有自己?jiǎn)为?dú)的校準(zhǔn)系數(shù)。在每一次計(jì)算溫度壓力數(shù)據(jù)之前，BMP180有一個(gè)器件的固定地址，出廠時(shí)默認(rèn)其從機(jī)地址為0xEE（寫入方向），或0xEF（讀出方向）。溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在寄存器的第0到15位之中，壓力數(shù)據(jù)的精度還可擴(kuò)展至16～19位。

圖6 BMP180傳感器原理圖

2.1.6.2 有害氣體檢測(cè)模塊

本模塊采用MQ135有害氣體檢測(cè)傳感電路，其核心主要是在安全清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫氣敏材料。當(dāng)該傳感器處于污染空氣環(huán)境時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨環(huán)境中空氣污染氣體的氣體濃度的增加而增大，傳感電路輸出的模擬電壓升高，微處理器通過(guò)采集該模擬信號(hào)可檢測(cè)多種戶外有害氣體。

圖7 MQ135傳感器原理圖

2.2 總體系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 顯示模塊

利用littlevgl小型開源嵌入式GUI庫(kù)(簡(jiǎn)稱LVGL)，響應(yīng)式布局，全庫(kù)采用純c語(yǔ)言開發(fā)，同步顯示在彩色屏或單色屏上，UI圖片采用AE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.2 算法實(shí)現(xiàn)

圖8 計(jì)步算法流程圖

（2）MAX30102傳感器心率算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖9所示。通過(guò)MAX30102傳感器獲得被測(cè)用戶的PPG信號(hào)，在計(jì)濾波算法處理PPG信號(hào)后，通過(guò)加窗算法去除PPG信號(hào)的偽峰，并通過(guò)峰值法最終檢測(cè)用戶的心率值。

圖9 心率計(jì)算算法流程圖

（3）BMP180傳感器氣壓計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖10所示。

圖10 氣壓計(jì)算算法流程圖

海拔計(jì)算公式:

P：大氣壓強(qiáng)P0：水平面參考?jí)簭?qiáng)

（4） 按鍵控制算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖11所示。

圖11 按鍵控制算法流程圖

（5）MQ135傳感器有害氣體檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖12所示。

圖12 有害氣體檢測(cè)算法流程圖

3 測(cè)試

經(jīng)過(guò)實(shí)體測(cè)試，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖13和表1所示。

圖13 部分模塊綜合測(cè)試圖

表1 計(jì)步實(shí)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)試整體設(shè)計(jì)較為穩(wěn)定，模塊數(shù)據(jù)采集較為精確。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)了一種戶外用的探險(xiǎn)智能手表，相比于市面上的其他智能手表，新增加了有害氣體檢測(cè)等功能，可以有效的輔助戶外人員安全作業(yè)，但目前手表穩(wěn)定性仍有待改善。