董 恒, 劉 斌

(福州理工學(xué)院 計算與信息科學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350506)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會生活節(jié)奏加快, 人口老齡化程度加深, 慢性疾病的發(fā)病率也逐步上升[1]. 但是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及傳感器技術(shù)的高速發(fā)展, 可穿戴設(shè)備[2-3]在醫(yī)療、教育等多個領(lǐng)域表現(xiàn)出較高的研究價值和應(yīng)用潛力. 可穿戴智能設(shè)備也改變了人們的生活習(xí)慣. 藍(lán)牙智能手環(huán)作為智能穿戴設(shè)備的代表之一, 其便攜、小巧和功能豐富. 但目前市場上的智能手環(huán)均缺少久坐檢測功能, 因此, 筆者設(shè)計并實現(xiàn)了一種具備久坐提醒功能的藍(lán)牙智能手環(huán)系統(tǒng), 其可以進(jìn)行簡單的運(yùn)動干預(yù), 并能很好地降低慢性病發(fā)生的概率.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)

nRF52832[4]微控制器是集成藍(lán)牙和NFC功能的芯片且具備低功耗的芯片, 廣泛應(yīng)用在穿戴式設(shè)備中. nRF52832 是一款功能強(qiáng)大、小巧靈活的超低功耗藍(lán)牙芯片, 內(nèi)置有512kB Flash Rom和64kB RAM, 具有高速的處理能力, 還有一套成熟的Nordic SoftDevice支持庫. 同時, 其超低功耗工作模式十分適合穿戴式設(shè)備的應(yīng)用.

本文設(shè)計的智能藍(lán)牙手環(huán)系統(tǒng)主要包含4個模塊, 系統(tǒng)框架圖如圖1所示. 其一, 主控芯片采用nRF52832芯片, 芯片內(nèi)集成藍(lán)牙無線通信模塊, 主要負(fù)責(zé)接收用戶的智能終端發(fā)送的控制命令或數(shù)據(jù); 其二, 電源控制芯片LTC4054[5]主要負(fù)責(zé)鋰電池充電和Type C接口供電的電源管理; 其三, MPU-6050[6]六軸傳感器主要負(fù)責(zé)提供手環(huán)姿態(tài)數(shù)據(jù); 其四, 系統(tǒng)還集成DS3231M[7]時鐘芯片和OLED顯示屏, DS3231M模塊主要提供基準(zhǔn)時鐘信號, 提供給手表時鐘系統(tǒng), 以便可以在OLED屏上顯示時間. 此外, 系統(tǒng)還包含DC-DC電路和芯片外圍電路等.

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)以nRF52832作為主控芯片. 硬件初始化后, 系統(tǒng)發(fā)送初始設(shè)置的時間指令到DS3231M時鐘芯片, 在藍(lán)牙協(xié)議棧啟動后, nRF52832讀取MPU-6050六軸傳感器以及DS3231M的數(shù)據(jù)后, 將顯示內(nèi)容輸出到OLED顯示屏上.

1.1 MPU-6050六軸傳感器的電路設(shè)計

TDK公司出產(chǎn)的MPU-6050六軸傳感器模塊分別采用3個16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC用于輸出陀螺儀和加速度計的數(shù)字量, 以識別模組快速和慢速運(yùn)動, 其工作電壓為2.375 V～3.46 V. 用戶可以通過可編程寄存器選擇參數(shù)設(shè)定測試范圍. 陀螺儀測試范圍為±250、±500、±1000和±2000°/dps, 加速度計測試范圍為±2、±4、±8和±16 g. 在電路設(shè)計中, MPU-6050模組采用I2C接口的同主控芯片, 其通過PIN24 (SDA)和PIN23(SCL)兩個引腳跟主控制芯片的MPU-SDA和MPU-SCL連接通信, 并使用PIN12(INT)引腳和主控制模塊以實現(xiàn)中斷功能. MPU-6050六軸傳感器電路如圖2所示. SDA和SCL引腳都設(shè)置一個上拉電阻, 以確保I2C在空閑時其電平保持在高電平狀態(tài); PIN1引腳為外部參考時鐘輸入, 在不使用的情況下接地; PIN8引腳設(shè)定接電源電壓3.3 V, 并連接電容C24進(jìn)行濾波, 以減少干擾; PIN9腳為設(shè)備地址位, 接地和接電源是兩個不同的設(shè)備地址; PIN10引腳為內(nèi)部穩(wěn)壓器濾波電容連接腳, 在該系統(tǒng)中需要連接C26; PIN11腳為幀同步數(shù)字輸入引腳, 本系統(tǒng)未使用, 因此接地; PIN12腳為中斷輸出引腳, 可通過此引腳來設(shè)置中斷, 在本系統(tǒng)之需要連接到主控制模塊的INT引腳; PIN13腳為電源電壓引腳, 需要連接電容C27進(jìn)行濾波, 以減少電源干擾; PIN20腳為電荷泵電容器連接引腳, 需要連接電容C25進(jìn)行濾波; PIN18腳為電源地, 需要接地. 其他NC引腳為芯片預(yù)置未使用到.

圖2 MPU-6050電路圖

1.2 時鐘電路設(shè)計

DS3231M是低成本、高精度(±0.432秒/天)的實時時鐘芯片. 其工作電壓2.3 V～5.5 V, DS3231M的寄存器能夠保存秒、分、時、星期、日期、月和年等信息. 該芯片對少于31天的月份, 可自動調(diào)整月末日期. 時鐘的工作格式可設(shè)為24小時或12小時格式, 并可設(shè)置兩個日歷鬧鐘. 在首次運(yùn)行DS3231M時鐘芯片時, 需要手動設(shè)置時間, 在設(shè)置時間后, 保持上電狀態(tài), 芯片就能夠開始計時. 芯片的工作模式可以通過設(shè)置7位控制寄存器的狀態(tài)來改變. DS3231M時鐘芯片與主控芯片是通過I2C雙向串行總線傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù).

DS3231M時鐘芯片模塊電路圖如圖3所示. DS3231M時鐘芯片使用了I2C通信模式, 芯片的PIN7 SDA和PIN8 SCL引腳接一個4.7 K的上拉電阻, 以確保芯片可以在不使用的情況下保持高電平的狀態(tài); PIN4 RST引腳為復(fù)位引腳, 可通過主控芯片實現(xiàn)DS3231M芯片復(fù)位; PIN3 INT引腳連接主控芯片的RTC-INT引腳, 需要外接一個4.7 K上拉電阻, 其可以和芯片的鬧鐘配合使用, 并可主動產(chǎn)生低電平中斷. PIN6 VBAT引腳是備用電源引腳, 可連接到電池, 在不使用的情況下需要接地.

圖3 DS3231M時鐘電路圖

1.3 鋰電池充電電路設(shè)計

鋰電池充電管理采用LTC4054芯片, LTC4054是專為USB電源規(guī)范內(nèi)單節(jié)鋰電池恒壓/恒流線性充電設(shè)計的, 其工作電壓4.25 V～6.5 V, 充電電流最高可達(dá)800 mA. 本系統(tǒng)采用Type-C USB接口來對鋰電池進(jìn)行充電. 鋰電池充電電路圖如圖4所示. 充電接口在設(shè)計上使用VBUS引腳, 可支持正反接, 并且不會發(fā)生短路現(xiàn)象. 為了防止芯片工作電流過大而導(dǎo)致器件發(fā)熱燒毀, 電源輸入接口串聯(lián)一個封裝的R6電阻, 并連入LTC454充電芯片, 該電阻主要起保護(hù)芯片的作用. 由于LTC4054內(nèi)部MOSFET架構(gòu), 可以通過熱反饋對充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié). 充電電壓固定在4.2 V, 充電電流通過芯片PIN5引腳(PROG)上的電阻可以對輸出電流進(jìn)行限制. 在充電模式下該引腳電壓為1 V, 其計算公式為:

圖4 鋰電池充電電路圖

(2.1)

式中,RPROG需采用精度1%的電阻, 作為充電電流設(shè)定.VPROG在恒流工作模式下進(jìn)行充電時, 引腳電壓維持在1V. 同時, 為了方便查看充電器的工作狀態(tài), 在芯片的PIN1引腳上接0603封裝LED燈, 在LED燈輸入端前接入330 R電阻, 以限制LED燈的工作電流以及亮度. 芯片的PIN2引腳和PIN3引腳上接有電容C19, 其作用是濾波, 以減少芯片受電源干擾.

1.4 顯示模塊

OLED顯示屏使用的是SINO WEALTH公司生產(chǎn)的SH1106芯片, 其最大支持132*64點陣, 工作電壓范圍是1.65 V ～3.5 V. OLED顯示屏的電路圖如圖5所示. 在本系統(tǒng)中采用I2C通信, 其中PIN18(D0)SCL引腳、PIN19(D1)SDAin引腳和PIN20(D2)SDAout引腳連接在主控芯片的I2C引腳上; PIN14 RES引腳為低電平復(fù)位引腳; PIN2-5(C2P、C2N和C1P、C1N)這四個引腳是電荷泵引腳, 所以設(shè)計電路時需兩兩之間連接一個1.0 uF電容; PIN10-12(BS0、BS1和BS2)這三個引腳通過高低電平的設(shè)置可以設(shè)置OLED的通信方式. 當(dāng)BS0、BS1和BS2電平分別為0、1和0時, OLED的通信方式為I2C; PIN15(D/C)引腳為數(shù)據(jù)/命令控制引腳, 當(dāng)引腳被拉高時, D7～D0處的輸入被視為顯示數(shù)據(jù). 當(dāng)引腳被拉低時, D7～D0處的輸入將被傳送到命令寄存器. 因此, 開發(fā)時根據(jù)需求設(shè)定在引腳上預(yù)留的上拉電阻和下拉電阻, 數(shù)據(jù)和命令模式下的設(shè)備地址不同; PIN18(D0)SCL引腳和PIN19(D1)SDA引腳上都設(shè)有4.7 K的上拉電阻, 確保引腳高電平時保持狀態(tài); PIN20-25(D3～D7)引腳在不使用的情況下接地; PIN26(IREF)引腳為亮度調(diào)節(jié)電流引腳; PIN27(VCOMH)引腳為COM信號高電平電壓, 此引腳連接2.2 uF的電容C10; VCC引腳是OLED面板電源和VSS引腳, 其連接2.2 uF的濾波電容C11和1 uF的電容C12; VDD引腳為供電電源引腳, 連接到外部電源; PIN6(VBAT)引腳不使用, 并連接到VDD引腳.

圖5 OLED顯示屏的電路圖

1.5 nRF52832芯片電路設(shè)計

主控制模塊采用nRF52832藍(lán)牙芯片來實現(xiàn), 芯片內(nèi)置ARM Cortex M4 CPU, 其具有以64 MHz運(yùn)行的浮點單元. 該芯片還內(nèi)置藍(lán)牙無線通信模組. 在系統(tǒng)設(shè)計中, 需要根據(jù)需求來規(guī)劃芯片引腳的引用. 藍(lán)牙主控芯片電路設(shè)計如圖6所示.

圖6 nRF52832 芯片應(yīng)用電路

在設(shè)計上, 藍(lán)牙手環(huán)系統(tǒng)采用自定義I2C引腳方式, 其通過兩路TWI硬件I2C引腳以及軟件模擬I2C的能力. 其中, OLED-SDA和OLED-SCL兩個引腳用于完成OLED顯示屏通信, OLED-RESET引腳用于完成顯示屏的復(fù)位功能, MPU-SDA和MPU-SCL引腳是MPU6050模塊的通信模塊, MPU-INT引腳是MPU6050模塊的中斷引腳, RTC-SDA和RTC-SCL引腳用于DS3231M時鐘模塊, RTC-RST引腳是時鐘模塊的復(fù)位引腳, RTC-INT引腳是時鐘模塊的初始化引腳, SWDIO是調(diào)試引腳, SWDCLK是燒寫引腳, NRESET引腳是復(fù)位開關(guān)引腳. UART-TX和UART-RX作為外部串口通信接口用于數(shù)據(jù)交互.

2 軟件程序流程設(shè)計

藍(lán)牙手環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計需要通過藍(lán)牙通信模組接收或者發(fā)送到用戶智能終端的信息. 在系統(tǒng)軟件中, 核心程序流程包含兩個部分, 一是藍(lán)牙通信協(xié)議棧的主程序, 二是藍(lán)牙手環(huán)應(yīng)用程序的運(yùn)行流程.

2.1 藍(lán)牙通信協(xié)議棧流程

本文設(shè)計的藍(lán)牙手環(huán)系統(tǒng)工作流程如圖7所示. 藍(lán)牙協(xié)議棧應(yīng)用程序包含以下4個部分. 第一, 協(xié)議棧系統(tǒng)初始化. 在初始化過程中, 協(xié)議棧需進(jìn)行各功能模塊的初始化, 包括日志打印模塊、A·PP定時器模塊、藍(lán)牙指示燈模塊、電源管理模塊、協(xié)議棧模塊、GAP配置模塊和GATT服務(wù)模塊等. 第二, 協(xié)議棧完成初始化后, 藍(lán)牙開始啟動廣播, 并需要根據(jù)配置好的掃描參數(shù)對周邊的設(shè)備進(jìn)行掃描, 等待設(shè)備接入. 第三, 無線藍(lán)牙廣播開啟后, 協(xié)議棧系統(tǒng)需要設(shè)置狀態(tài)為空閑, 以等待用戶事件處理. 系統(tǒng)進(jìn)入空閑狀態(tài), 目的是降低功耗, 等待事件喚醒, 此時系統(tǒng)處于低功耗工作模式. 第四, 協(xié)議棧進(jìn)入等待藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信事件, 其包含建立連接事件, 應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^事件處理函數(shù)來獲取和發(fā)送交互通信數(shù)據(jù). 連接建立后, 將接收到的數(shù)據(jù)存放于固定的存儲區(qū)域.

圖7 藍(lán)牙協(xié)議棧主程序流程圖

2.2 手環(huán)系統(tǒng)程序流程設(shè)計

手環(huán)系統(tǒng)工作流程如圖8所示. 其一, 系統(tǒng)先進(jìn)行各模塊的初始化, 完成后在OLED屏幕上顯示時鐘圖片以及內(nèi)容. 其二, 點亮LED指示燈, 通過觀察LED燈狀態(tài), 能確定程序的初始狀態(tài). 其三, 在對時鐘DS3231M芯片設(shè)置初始時間, 讀取時鐘時間并在OLED屏幕上顯示. 其四, 接著讀取姿態(tài)傳感器MPU-6050數(shù)據(jù), 用來判斷久坐現(xiàn)象. 其五, 通過判斷姿態(tài)數(shù)據(jù)變化時間間隔, 如果用戶存在久坐現(xiàn)象, 則在OLED上顯示提醒; 如果用戶沒有久坐則繼續(xù)獲取姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù).

圖8 手環(huán)系統(tǒng)流程圖

3 藍(lán)牙手環(huán)作品

基于nRF52832實現(xiàn)的藍(lán)牙手環(huán)硬件如下圖9所示, 圖9(a)是核心控制板印刷電路圖, 圖中紅色標(biāo)注網(wǎng)絡(luò)為USB供電電源網(wǎng)絡(luò), 藍(lán)色標(biāo)注網(wǎng)絡(luò)芯片控制引腳, 紫色標(biāo)注網(wǎng)絡(luò)為IIC數(shù)據(jù)接口網(wǎng)絡(luò). 粉色標(biāo)注為印刷電路的GND網(wǎng)絡(luò). 圖9(b)是OLED顯示屏幕驅(qū)動印刷電路板, 其中紅色標(biāo)注以及粉色標(biāo)注為電源VCC-3V3網(wǎng)絡(luò)標(biāo)注, 綠色標(biāo)注顯示的是元器件的焊盤. 圖9(c)是藍(lán)牙手環(huán)硬件樣品, 圖中右側(cè)為USB Tpye-C 充電接口, 點亮的藍(lán)色LED燈為作品的電源工作指示燈. 圖9(d)是用戶久坐提醒功能. 圖中顯示信息為藍(lán)牙手環(huán)作品長久時間監(jiān)測到用戶處于靜止就坐狀態(tài), 系統(tǒng)給出的運(yùn)動提示.

圖9 藍(lán)牙手環(huán)硬件電路圖和實物圖

4 結(jié)語

本文通過利用藍(lán)牙芯片nRF52832內(nèi)部集成MCU和無線藍(lán)牙模組的優(yōu)點, 設(shè)計并實現(xiàn)了一個藍(lán)牙手環(huán)系統(tǒng). 該作品具有低功耗、時鐘顯示、久坐提醒和運(yùn)動計步等功能. 同時, 用戶在終端可以設(shè)置藍(lán)牙時鐘和查看各個傳感器的數(shù)據(jù). 該系統(tǒng)在界面顯示、外觀布局上仍有不足, 作為穿戴設(shè)備, 還需增加更實用和豐富的健康監(jiān)測傳感器, 下一步的研究方向是對作品進(jìn)一步完善, 使作品更具有更好的外觀和更多的功能.