跑步训练智能手环技术方案

跑步训练智能手环

总体设计方案

撰写：刘述亮、陈定罡、陈东、于旺、李进

科大创客空间

2014年11月

目录

1、需求分析 (3)

1.1 项目背景 (3)

1.2 项目需求及关键技术点 (3)

2、跑步训练智能手环总体设计 (4)

2.1 设计原则 (4)

2.2 系统总体架构 (4)

3、实现方案及关键技术 (6)

3.1整体设计 (6)

3.2嵌入式主控系统设计 (6)

3.3电源模块设计 (6)

3.4北斗定位模块 (6)

3.5脉搏、血氧检测模块设计 (8)

3.5.1脉搏、血氧检测原理 (8)

3.5.2近红外发射模块 (8)

3.5.3光电二极管 (9)

3.5.4现有应用 (10)

3.6 指南针模块设计 (10)

3.7手环解开检测模块设计 (11)

3.8 GSM\GPRS通信模块设计 (12)

3.9人机界面设计 (13)

3.10跑步路程计算算法设计 (14)

3.10.1路径直线差值求和法 (14)

3.10.2路径曲线拟合积分法 (15)

3.10.3基于已知路径的位置匹配路程计算法 (17)

3.11数据管理终端 (17)

4、手环结构设计 (18)

4.1手环结构布局 (18)

4.2手环材料选择 (19)

4.3手环外壳加工工艺 (19)

4.4手环效果图 (20)

5、关键技术总结及改进方案 (21)

1、需求分析

1.1 项目背景

生命在于运动，而跑步锻炼是人们最常采用的一种身体锻炼方式。通过跑步达到强身健体的作用也要讲求科学锻炼。运动强度不足达不到锻炼的效果，运动过度容易导致运动损伤，甚至出现过度运动猝死。为了使跑步训练更加精确化定量化，对跑步训练过程中，跑步的时间、速度、路程、心率、血氧饱和度的测量反馈就非常关键。特别是针对群体跑步训练的反馈和数据分析对于整体的训练具有很强的指导性。

随着可穿戴设备和智能硬件的发展，越来越多功能应用都可以通过可穿戴智能设备实现。通智能手环来监控反馈跑步训练的参数，使得跑步训练更加科学化。

1.2 项目需求及关键技术点

跑步训练智能手环集成有北斗定位模块，能够得到跑步训练者在不同时刻的位置，通过记录的位置时间信息便可以得到跑步训练者的速度，跑步的路程、心率、血氧等信息。再通过GSM\GPRS通信将数据传到后台服务器，进行进一步的管理分析，便于反馈和调整使得训练更加科学化。在集体训练中还可通过手环解开检测来防止作弊以及手环丢失。

本手环初步应用的于集体训练，训练项目包括：5公里长跑、400m障碍跑、100折返跑、100游泳。训练场地既可以是固定训练场地和野外。因此教练需要配备专门的手持式便携数据管理终端，能够通过GSM\GPRS网络通信，携带方便，不受因特网限制。方便教练及时了解训练成员的所有信息情况。在临时断电断网，或者无网络信号的地方正常使用。

跑步训练智能手环主要完成以下功能：

1）北斗定位，跑步路程精确计算；

2）脉搏检测

3）血氧检测

4）指南针功能

5）手环解开检测

6）通过GSM\GPRS与后台服务器通信；

7）通过人机接口设置手环的工作模式，包括：5公里长跑、400m障碍跑、100折返跑、100游泳；

8）显示跑步训练的相关参数，如跑步速度、路程、时间；

9）报警提示，提示运动过度、犯规等

数据管理服务终端功能：

1）能够接收各个训练手环返回的数据，数据包括手环的佩戴者、参加的训练项目、进度、成绩、犯规情况、脉搏血氧等生理状体。

2）能够及时对犯规以及其他突发情况进行报警，提示教练；

3）对成绩进行计入存储管理查询；

4）能够将数据备份到电脑上传云端，便于进一步保存管理数据。

其中对跑步路程的精确计算、脉搏检测和血氧检测是本项目的关键难点。是决定手环是否有实用价值的决定条件。

2、跑步训练智能手环总体设计

2.1 设计原则

跑步训练智能手环主要应用于室外集体跑步训练，室外天气、气温不定，跑步训练者有可能摔倒碰撞。根据以上特点，在研发和设计跑步训练智能手环时，需遵循如下原则：1）体积小，重量轻，佩戴舒适；

2）功耗低、待机时间长、一次充电使用时间长，方便充电；

3）能防水、对温度适应性强；

4）操作简单、显示界面人性化；

5）和后台通信稳定可靠；

2.2 系统总体架构

根据用户的需求和跑步训练智能手环工作实际，给出图2.0所以的跑步训练智能手环系统及数据管理终端整体结构图。

图2.0 跑步训练智能手环及数据管理终端整体图框

跑步训练手环系统组成：

A.嵌入式主控系统：采用STM32F103作为主控,采用ucos操作系统。

B.电源模块：采用锂电池作为手环的电源供给，充电模块负责给电池充电；电源管理模块负责，电池保护，包括过充保护、过放电保护、欠压报警。

C.北斗定位模块：跑步路程精确计算；

D.脉搏、血氧检测模块：采用660nm&880nm近红外LED，向手腕组织发射红外脉冲。用BPW34光电二极管接受手腕反射回来的红外脉冲信号。实现脉搏检测和血氧检测。同时实现手环解开检测。只有手环检测到正常脉搏信号时才正常工作。

E.指南针模块：采用HMC5883L三轴数字罗盘，实现指南针功能。

F. 手环解开检测模块：如果利用脉搏检测模块不能可靠实现手环解开检测，可以采用开关型A3144E霍尔传感器，检测在使用过程中手环是否解开。避免作弊或者手环丢失。

G. GSM\GPRS通信模块：采用SIM900A实现与数据管理终端通信。选用5元GPRS流量年卡。

H. 人机界面：采用贴片轻触按钮（3*6*2.5mm ）作为开机、功能选择按钮。用1.5寸OLED 液晶屏作为显示界面。显示功能模式、信号、跑步距离、速度、时间、是否犯规。采用蜂鸣器进行报警提示。人机接口构成如图2.1

图2.1 跑步训练智能手环人机接口功能图框

数据管理终端系统组成：

A.嵌入式主控系统：采用STM32F429作为主控,自带硬件液晶屏驱动，采用ucos操作系统。

B.电源模块：采用锂电池作为手持式便携数据管理终端电源供给，充电模块负责给电池充电；电源管理模块负责，电池保护，包括过充保护、过放电保护、欠压报警。

C. GSM\GPRS通信模块：采用SIM900A实现与训练手环通信。选用5元GPRS流量年卡。

D. 人机界面：用7寸液晶触摸电容屏作为显示操作界面。用于查询显示参与训练手环返回的所有。