嵌入式智能手环工作原理

学院：物理与电子学院

专业：电子信息科学与技术姓名：***

年级：2012级

学号：**********

科目：嵌入式系统原理与开发上课时间：周三7-9节

------2015-03-09------

基于嵌入式系统设计的基本款智能手环

概述

随着科技的进步，智能化成为了人们关注的焦点，同时也越来越贴近人们的生活。人们对于健康生活方式的需求催生出了智能可穿戴设备，智能手环就属于其中的一种代表性产物。其主要应用于监测运动，监测睡眠以及智能化的安排人的生活作息方式等。是一款突出个性与人性的智能化产物。

智能手环是一种穿戴式智能设备。通过这款手环，用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠、部分还有饮食等实时数据，并将这些数据与手机、平板、ipod touch 同步，起到通过数据指导健康生活的作用。

工作原理

智能手环已日益从极客、驴友、IT产品爱好者的小众玩物变成大众化穿戴产品，但看着智能手环终端、软件里显示的一串串运动追踪数据、睡眠监测数据，不禁让人心生疑窦：包括别称为健康腕带、运动手环、健身睡眠手环、身体追踪器的智能手环是怎么工作的？智能手环的工作原理是什么？

多数智能手环都是通过“三轴加速度传感器”来运作的。三轴加速度传感器，能够测量空间中X轴、Y轴、Z轴的加速度，能够感应人体在各个方向的振动。尽管三轴同时发力，但智能手环依然侧重于计算人体重心上下的位移量Z轴，因为人们走路时重心是最主要的变量。

如何解读智能手环收集的一大堆数据，则需要让算法派上用场。通过算法，程序才能在大量数据当中，分辨出用户的运动模式，并进一步核算出对应的运动消耗量。

Z轴的数据是最主要的，但如果用户只是摇一摇大腿呢？所以一般的算法都会添加约束的条件，只有传感器测量到的数值达到一定标准，才会被认作运动。去掉无效数据的另一个方法是时间。人们走1步，重心1次向上，1次向下，所以在一定时间内加速度有了2次符合标准的变化，才能算作走了1步。

不同品牌的智能手环使用的软件不一样，这意味着算法的不同，很容易导致后续数据的偏差。此外，每个牌子的智能手环所搭载的传感器牌子、型号各不相同，这便注定了测量数据在最开始的地方就分道扬镳，并进一步导致步数的差异，

以及由于步数数据不一引发的卡路里数据的偏差。

作用：

1、跑步和运动速度监测

运动检测主要采用三轴加速传感器来实现，这也是手环的最核心的组件之一，这个组件的作用是计步测量。简单来说，三轴加速器的工作原理是，当人在正常行走时其实会产生水平和垂直两个加速度，当用户迈步时，单脚着地重心上提，垂直方向呈向上加速度，而继续往前走重心回落，加速度方向。而在水平方向，则是迈步时向前加速，收脚是减小。当用户迈步时，单脚着地重心上提，垂直方向呈向上加速度，并向前加速。而手环中的三轴加速器，就是通过人体这样不同的加速度变化可以绘制出一条正弦曲线。以垂直方向加速度正弦波为例，从波谷到波峰再到波谷就是正常人一个步伐的过程，如此就可以推算出用户行进的步数。

图一运动检测实现原理

2、睡眠监测

使用体动记录仪跟踪您的睡眠，监视您的微小运动，以确定您是处于清醒、浅度睡眠还是深度睡眠中。

睡眠深度一般是以身体活动减少和感觉灵敏度降低作为衡量指标的，目前对于睡眠深度的精确测量还是比较困难的。

睡眠监测是通过传感器监测人的动作，以系统的计算方式进行累计计算，每2分钟记录一次合计值，与此同时的姿势数据得到记录。通过计算来判断睡眠状态。

3、数据的同步

智能手环数据的同步主要有三种同步方式：蓝牙，NFC，USB。对于三种同步方式有不同的优缺点和实现手段如下表：

表二智能手环数据传输方式的对照

结构组成

智能手环是由数据连接模块运动传感器

三轴加速度传感器

电池（可充电或纽扣电池）

闪存芯片

蓝牙通讯模块

震动马达

指示灯或显示屏幕（有些可能没有）

NFC（目前只看见Fitbit Flex有）

核心部件是：蓝牙传感器，ActiGraph体动记录仪等组成。

功能框图

图二智能手环结构功能框图

该智能手环采用nRF51822芯片，nRF51822是一款为超低功耗无线应用(ULP wirelessapplications)设计的的多协议单芯片解决方案。芯片支持BLE4.0和2.4GHZ 协议栈，整合了射频发射电路，一个ARM Cortex M0核以及256KB的flash + 16KB 的RAM。

处理器：ARM Cortex M0

介绍：ARM Cortex M0处理器是目前最小的ARM处理器。该芯片的面积非常小，能耗极低，且编程所需的代码占用量很少，这就使得开发人员可以直接跳过16位系统，以接近8位系统的成本开销获取32位系统的性能。Cortex-M0处理器超低的门数开销，使得它可以用在仿真和数模混合设备中。

ARM Cortex M0优点:

最小的ARM 处理器

Cortex-M0 在代码密度和能效比方面的优势意味着它能够顺理成章地在很广大的应用领域里成为8/16 位系统经济实用的升级换代产品，同时它还保留了与更强大的Cortex-M3 和Cortex-M4 处理器的工具及二进制向上兼容性。对于需要更低功耗或更多设计选择的应用，完全兼容的Cortex-M0+ 处理器是理想的候选产品。

低功耗

Cortex-M0 处理器在门数低于12 K 时的能耗仅为16µW/MHz（90LP 工艺，最低配置），这都得益于该处理器是建立在ARM 作为低能耗技术的领导者以及超低能耗设备的主要推动者所具备的专业知识基础之上。

简单

由于仅有56 个指令，您可以快速掌握整个Cortex-M0 指令集及其对C 语言友好的架构，使开发变得简单而快速。可供选择的具有完全确定性的指令和中断计时使得计算响应时间十分容易。使用C语言编程，简单易懂，能够快速开发，商业性质较强。

优化的连接性

支持实现低能耗网络互联设备（如Bluetooth Low Energy (BLE)、IEEE 802.15 和Z-wave），尤其是那些需要通过增强数字功能以高效地进行预处理和传输数据的仿真设备。

总结：

智能手环的设计充分体现出了科技与人生活的互联，移动可穿戴设施与移动终端之间的契合也变得越来越突出。随着智能手机中配置的感知器与高运算能力成为常态，穿戴电脑科技正在快速发展。不过该智能手环目前功能比较单一，可以在此基础上添加GPS或者北斗星定位系统，使其在工作时可以记录使用者的具体位置，然后与相应的APP结合，使使用者可以在移动终端上看到自己的运动情况，也可以记录自己的运动路线，使运动充满乐趣！目前智能手环价格已经有低于百元的了，性价比比较高，不过，一分价钱一分货，便宜手环也有同样的功能，但是工艺及使用体验就不一样了。