小米手环制造技术分析.docx

计算机辅助工程论文小米手环制造技术分析与发展前景学号：2014010姓名：霍洪旭学院：研究生学院专业：机械工程摘 要本论文主要讲述的是小米智能手环，包括传感器模块、音频模块、电源模块、中央处理单元和无线通信模块等模块。使用户的智能手环和小米手机（小米3、小米4、红米note）之间无线通信连接，实现所述智能手环与所述智能手机之间音频信号的交互传输。小米智能手环，能够与智能手机实现无线同步连接、具有提醒来电功能、查看运动量、监测睡眠质量、智能闹钟唤醒等。可以通过手机应用实时查看运动量，监测走路和跑步的效果，还可以通过云端识别更多的运动项目。 其次，本文介绍小米手环在计算机辅助工程中其他应用技术，包括虚拟样机技术、计算机辅助设计、CAE在模具设计制造中的应用、CAE的优化设计。并对小米手环当前市场和未来发展方向给予介绍。关键词：小米手环；辅助工程；无线通信目录摘 要11.小米手环简介和功能及智能化11.1简介11.2功能 11.3智能化 32.小米手环基本结构 23.小米手环核心结构23.1传感器模块33.2音频模块 43.3电源模块 43.4中央处理单元 53.5无线通信模块 63.6其他部件 73.6.1振动器（振动马达）73.6.2LED灯84.小米手环的应用技术94.1 虚拟样机技术 94.1.1 虚拟样机技术的形成和发展94.1.2虚拟样机技术的相关技术94.2 计算机辅助设计104.2.1 计算机辅助设计简介104.2.2 计算机辅助设计在手环中的应用104.2.3 计算机辅助设计在其他设备中的应用104.3 CAE在模具设计制造中的应用104.3.1 注塑模具的的建模分析114.3.2 CAE的优化设计125.手环当前市场136.小米手环发展前景137.参考文献15161.小米手环简介和功能及智能化1.1 简介小米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、平板同步，起到通过数据指导健康生活的作用。1.2 功能小米手环的主要功能包括查看运动量，监测睡眠质量，智能闹钟唤醒等。可以通过手机应用实时查看运动量，监测走路和跑步的效果，还可以通过云端识别更多的运动项目。小米手环采用手环主体和表带分离的设计方式。优点在于设计制造成本低，无需使用更多的柔性材料。1.3 智能化以睡觉为例，在睡前将与其连接的小米手机app设置为睡眠模式，第二天起床后将它与小米手机设备同步（目前仅支持小米3、小米4、红米note之间无线通信连接），便可看到你的睡着时间、清醒时间、深睡/浅睡、整体的睡眠质量等信息。而对于减肥和健身的人来说，小米手环是一个负责的私人教练，可以告诉你每天的运动路径、消耗卡路里和摄入热量，还可以设置运动目标，比如要走多少步，消耗多少卡路里等等，还会实时的显示运动的完成率，运动减肥都可以量化，对于不能坚持的人来说是一大福音。小米手环具有高档防水功能，可以戴着手环在10米以内的浅海或者河里游泳，克服了传统计步器无法跟踪游泳运动的缺陷，使用也更加广泛。小米手环还具备社交网络分享功能，比如用户可以将睡眠质量、饮食情况和锻炼情况以及心情记录等通过绑定微信、微博进行分享。对于老年人来说，它还是一位保护神。通过内置的GPS连接器，它可以随时将身体状况及位置随时知会相关医院或家人。小米手环内置低功耗蓝牙4.0模块，可以与手机、平板、PC客户端进行连接，可以随时随地设置身高、体重、步幅等信息和上传运动数据。每当疲劳提醒时间一到，智能手环会以闹钟的形式提醒注意休息，适合现高压力的办公室人群，设计很人性化。在使用时间上，由于智能手环内部内置了一颗锂聚合物电池，续航时间可达10天，续航能力还是很强的。2小米手环基本结构小米手环有表带扣，表带，主体，主板，橡胶垫，铝合金金属贴片，电池和震动模块组成。结构如图1图一由于小米手环支持IP67级防水防尘功能，故整体采用一体式设计，表面铝合金属贴片通过粘合在手环主体上。小米手环表带采用硅基热塑硫化胶（TPSiv），三星Gear手环也采用了此材质作为手表表带。TPSiv拥有可作为婴儿、皮肤接触产品的安全性，过敏率低等。2小米手环核心结构小米手环的核心结构就是一整块黑色PCB（印刷线路板）主板，包括传感器模块、音频模块、电源模块、中央处理单元和无线通信模块。下图为主板的各模块之间信息关系。图二3.1传感器模块所述传感器模块与以下所述的中央处理单元电连接，用于检测智能手环佩戴者的信息并将其传送到所述中央处理单元。重力感应加速度模块用于对智能手环佩戴者行进的步数进行计数，并将其传送到所述中央处理单元。如图三小米手环主板中集成的ADI传感器芯片，可以帮助小米手环实现各种感应功能。图三小米手环能够精准计步由硬件和软件算法两方面组成。硬件是指小米手环里内置的那枚强悍的三轴加速度传感器ADXL362，在大多数中高档手机里都有配备加速度传感器。三轴加速度传感器的三轴是指空间中的X，Y，Z三个维度，有了这3个维度，手环就可以捕捉到手环在使用中的加速度变化，从而生成数据。软件算法：华米程序根据三轴加速度实时捕捉到的三个维度的各项数据，经过滤波、峰谷检测等过程，使用各种算法和科学缜密的逻辑运算，最终将这些数据转变成手机APP端的可读数字，步数、距离、消耗的卡路里数值等呈现在最终用户面前。3.2音频模块所述音频模块包括麦克风以及分别与麦克风连接的DSP（数字信号处理）芯片，所述音频模块与所述中央处理单元以及下述的无线通信模块电连接，所述DSP 处理芯片用于对音频信号进行编码与解码，并将处理后的音频信号传送到所述无线通信模块，所述音频信号包括从所述无线通信模块传输过来的音频数据以及所述麦克风的音频数据。3.3电源模块所述电源模块包括第一数据总线和电池，电池为41mAh锂聚合物电池，用于通过所述第一数据总线提供电源。由于小米手环并没有配备显示屏幕，加之采用低功耗处理器，因此即便这块电池容量很小，不过也可以为小米手环提供超长续航时间。 电源模块设有USB 接口，USB接口用于连接电源对电源模块充电和/或用于获取手环的数据接口；中央处理单元用于检测电源模块的电量以及是否充电完成，和控制手环数据的输入输出。图四3.4中央处理单元所述中央处理单元包括主控MCU（微控制单元，又称单片微型计算机），用于接收和存储所述传感器模块所采集的信息，以及协调所述音频模块和所述无线通信模块进行工作。Dialog DA14580超低功耗处理器，集成蓝牙4.0连接功能，由于手环无需强大的计算能力，省电则成为选择芯片的唯一要务；图五为小米手环Dialog DA14580超低功耗处理器，图六为Dialog DA14580超低功耗处理器内部构造。图五图六3.5无线通信模块所述无线通信模块用于使智能手环和智能手机之间无线通信连接，将所述智能手环的信息传送到所述智能手机，并将所述智能手机的控制信息发送到所述智能手环，实现所述智能手环与所述智能手机之间信号的交互传输。3.6其他部件3.6.1振动器（振动马达）振动马达与所述中央处理单元电连接，用于提醒用户。因此智能手环佩戴者可以通过振动马达来及时提醒什么时候该开始运动，以及运动完成等状况，使智能手环佩戴者可以及时的了解自己的运动状况。小米手环提供有来电提醒功能，在手环设置菜单中，选择来电提醒后可设置来电提醒的时间。超过设置的时间，电话还没有被接听的话，手环会以震动的方式提醒用户。同时小米手环还具要智能闹钟功能，设置完成以后，手环会以震动的方式唤醒用户，不会打扰它人，基本上可以放弃手机上的闹钟了。如图七为小米手环振动器。图七手环振动马达的动作原理。马达外部为工程塑料制成的外壳，内部除了外盒外，还有一个微小的直流电动机，驱动偏心轮转动。此外还有一块很简单的集成电路，用以控制启动和停止电 动机的运转。当手机设为“振动” 状态时，控制电路接通。马达轴上面有一个偏心轮，当马达转动的时候，偏心轮的圆心质点不在电机的转心上，使得马达处于不断的失去平衡状态，由于惯性作用引起震动。如图八图八3.6.2 LED灯用于指示或向智能手环佩戴者提醒所述智能手环的状态；所述中央处理单元用于控制所述输出单元的指示灯指示或振动马达振动。图九4.小米手环的应用技术在市场中，智能手环有着体积小，功能多的特点。为保证诸多功能的正常运转和发挥，需要设计者们提供强大的技术支持。例如：手环的表带和金属贴片由虚拟样机技术进行分析、预算、检验才能批量生产；手环与智能手机的数据传输用到数据交换技术；在计步、测量距离等功能用到虚拟现实技术和计算机图形处理技术。随着计算机辅助工程在智能系统和机械工业的应用和发展，使得各种智能设备朝着有利于人类的社会方向发展。下面重点介绍一下小米手环在计算机辅助工程的技术应用。4.1虚拟样机技术虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术综合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。对于小米手环的生产制造不可能凭空想象的在车间直接生产，而是把小米手环分割成不同模块，每个模块有着各自的功能与空间，在组装生产前，必须经过电脑软件分析，这样才能知道手环的性能合不合格，才能进行成产。虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程中存在弊端的新技术。虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，获得系统的优化设计方案。根据人的习惯，设计着考虑到手环的自身的重力，对手环做受力分析，再进一步校核手环的寿命，这样才能保证在制造后，产品的性能合格与稳定。4.1.1 虚拟样机技术的形成和发展虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。虚拟样机技术是解决复杂系统运动学、动力学的有效手段。虚拟样机技术核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术，数值算法，计算机可视化技术及动画技术。4.1.2虚拟样机技术的相关技术（1）几何形体的计算机辅助设计(CAD)软件和技术；（2）有限元分析(FEA)软件和技术；（3）模拟各种作用力的软件编程技术；（4）利用试验装置的试验结果进行某些构件的建模；（5）控制系统设计与分析软件和技术；（6）优化分析软件和技术。4.2计算机辅助设计4.2.1计算机辅助设计简介计算机辅助设计（CAD）在如今的工业制造领域，设计人员可以在计算机的帮助下绘制各种类型的工程图纸，并在显示器上看到动态的三维立体图后，直接修改设计图稿，极大地提高了绘图的质量和效率。此外，设计人员还可以通过工程分析和模拟测试等方法，利用计算机进行逻辑模拟，从而代替产品的测试模型（样机），降低产品试制成本，缩短产品设计周期。4.2.2计算机辅助设计在手环中的应用设计人员在计算机的帮助下绘制智能手环的三维图形以及零件图，并将其了合理的装配，经过分析的软件的检查合格后进行批量生产。运用计算机辅助设计在实际中的作用：1）增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；2）缩短设计和分析的循环周期；3）采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本；4）在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；5）模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；4.2.3计算机辅助设计在其他设备中的应用计算机辅助设计可广泛地应用于国民经济的许多领域，像各种工业建设项目，例如工厂的建设，公路、铁路、桥梁和隧道的建设；像大型工程项目，例如电站、水坝、水库、船台的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。它还可应用于企业生产过程之中，及其它的企业经营、管理控制过程中，例如工厂的生产过程、公司的商业活动等。4.3 CAE在模具设计制造中的应用模具作为工业生产中的基础工艺装备, 是一种高附加值的高技术密集型产品, 也是高新技术产业化的重要领域, 尤其在汽车、电子、仪表、家电和通讯行业中应用广泛。研究和发展模具技术, 对于促进国民经济的发展具有特别重要的意义, 模具技术的水平及科技含量高低, 直接影响到模具工业产品的发展,在很大程度上决定了产品的质量, 新产品的开发能力、企业的经济效益, 是衡量一个国家制造业水平的重要标志。下图为传统塑料注射模模具设计过程图十通过比较可知，传统塑料注射模模具设计过程费时费力；下图为塑料注射模具的计算机辅助工程做法。图十一通过比较可知，计算机辅助工程做法可以减少设计开发新产品时间，降低开发成本。4.3.1注塑模具的的建模分析利用MoldFlow 等模具CAE 软件, 可以进行塑料产品的成型过程分析, 来检查模具结构的合理性、流动状态的合理性、产品质量问题等。借助MoldFlow 软件数据库, 可动态仿真分析塑料在注塑模腔内的注射过程流动情况、分析温度压力变化和注塑件残余应力等。通过模具CAE 可以将模具设计错误消除在设计阶段, 提高一次试模成功率。塑料模具CAE 分析塑料模具CAE 分析包括对流道、浇口、模具型腔进行充模流动分析、保压分析、收缩分析、冷却分析、翘曲变形分析等。三维参数化模型建立后，就需要应用CAE 技术建立有限元分析模型。图十二4.3.2 CAE的优化设计优化设计是在一定的技术和物质条件下，寻求一个技术经济指标最佳的设计方案。如小米手环设计中，满足性能的前提下要求重量最轻（13.5克）；传感器、电池、电动马达等机械零部件设计，实现功能的基础上结构最佳；机械加工工艺过程设计，限定设备条件下生产率最高等。优化设计的一般步骤：图十三5.手环当前市场目前国内最典型的手环方案是MCU+G-Sensor+BT，部分配备显示屏，实现计步、久坐提醒以及睡眠监测等功能。也有部分采用处理器平台，属于非主流产品。同时精确定位、心率等方案都还面临不少技术挑战，出货量很少。手环方案的瓶颈在于续航时间和精准的算法，目前上市手环内置算法基本由芯片公司提供，精确度大同小异，专业算法会是未来手环产品的主要挑战。6.小米手环发展前景小米手环是小米科技公司在2014年推出的新产品，其简约的外观设计和实用的性能，以及低廉的价格，备受米粉的追捧。无论是其查看运动量，监测睡眠质量，还是智能闹钟唤醒都带给消费者惊喜，但参照国内外的制造商所设计的智能手环。小米手环还有很大的提高，比如无法单独使用，仅支持小米手机等等。具体改进如下：（1）、未配备液晶显示屏、无法单独使用小米手环未配备液晶显示屏，无法单独使用，需要借助手机和APP应用，一旦离开手机和相应APP，小米手环无法实现任何功能。（2）、仅支持小米手机小米手环仅支持小米手机结合使用，并且需要搭载基于安卓4以上的MIUI V5系统，并且小米手机还需要支持蓝牙4.0功能，必须满足这两项功能，才能使用小米手环，适合小米3、小米4以及最新款小米note用户使用。（3）、未配置照相功能摄像头模块用于拍摄智能手环佩戴者周围的图像并将其传送到所述中央处理单元；（4）、未配置NFC