跑步训练智能手环技术方案

1、1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UESTC MAKER SPACE科大创客空间2014 年 11 月2目录1、 需求分析.31.1 项目背景.31.2 项目需求及关键技术点 . 32、 跑步训练智能手环总体设计 .42.1 设计原则.42.2 系统总体架构. 43、 实现方案及关键技术 .63.1 整体设计.63.2 嵌入式主控系统设计 .63.3 电源模块设计. 63.4 北斗定位模块. 63.5 脉搏、血氧检测模块设计 . 83.5.1 脉搏、血氧检测原理 . 83.5.2 近红外发射模块 . 83.5.3 光电二极管 .93.5.4 现有应

2、用. 103.6 指南针模块设计.103.7 手环解开检测模块设计 .113.8 GSMGPRS 通信模块设计 . 123.9 人机界面设计 .133.10 跑步路程计算算法设计 . 143.10.1 路径直线差值求和法 . 143.10.2 路径曲线拟合积分法 . 153.10.3 基于已知路径的位置匹配路程计算法 .173.11 数据管理终端 . 174、 手环结构设计 .184.1 手环结构布局 . 184.2 手环材料选择 .194.3 手环外壳加工工艺 .194.4 手环效果图.205、 关键技术总结及改进方案 . 2131、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

3、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

4、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 GSMGPRS 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 GSMGPRS 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

5、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 GSMGPRS 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

6、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。42、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

7、.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；外部外部电源电源数据管理终端电煩模电煩模块块嵌入式主控系统嵌入式主控系统人机人机 畀畀面面GSMGPRSjSf=槪夬槪夬GSMvGPRS通信模块通信模块GP淀位模块位模块嵌入式主控系统嵌入式主控系统后台频后台频据库据库人人机机畀畀面面跑 步训 练智 能手环5D. 脉搏、血氧检

8、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. GSMGPRS 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

9、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. GSMGPRS 通信模块：采用 SIM900A 实现与训练手环通信。选

10、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。3、实现方案及关键技术3.1 整体设计根据跑步训练智能手环的使用环境与任务要求，跑步训练智能手环主要包括：嵌入式主 控系统、电源模块、北斗定位模块、脉搏血氧检测模块、指南针模块、手环解开检测模块、SMGPRS 通信模块、人机界面、手环外壳。63.2 嵌入式主控系统设计嵌入式主控采用 STM32F103C8T6 作为处理器，采用实时操作系统 卩 C/OS-II STM32 是 基于ARM Cortex-M3 内核的 32 位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，最重要

11、 的是其性价比。图 3.1 STM32F103C8T63.3 电源模块设计本手环采用 4.7v 锂电池供电，北斗定位模块采用3.3V 供电,GSM/GPRS 模块采用 3.8V供电。采用 REG117-3 稳压芯片为系统供 3.3V 电压。用 STM32 进行 AD 采样对电池过充和 欠压进行管理。3.4 北斗定位模块北斗卫星导航系统BeiDou Navigation Satellite System ,英文缩写 BDS是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的

12、国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。从功能选择上，和支撑我国自主定位产业发展角度考虑我们选择了北斗定位系统，为手环定位。采用 VK1612A9M3 模块。VK1612A9M3VK1612A9M3 BeiDouBeiDou 模块是一个完整的卫星定位接收设备，具备全方位功能，能满足与业定位的严格要求。体积小巧，可以 装置在汽车内部任何位置，低功耗，能适应个人用户的需要。该产品采用了新-7代 ARKARK 699699 低功耗芯片，超高灵敏度，在城市峡谷、高架下等信号弱的地方， 都能快速、准确的定位。可广泛应用开収多种终端产品，如：汽车导航汽车保全

13、系统、车辆监控以及其他卫星定位应用等。|4 rV.KEL VK1612A9M3L214G0S001759 B畫图 3.2 VK1612A9M3 BeiDou 模块模块性能ARK 699GPS GALILEO, QZSS：LI 1575 42MHz. C/ABEIDOU Bl 156109BIMHzNMEA01B3 v2.3可用波特卒480a9600.19200,3 &400.5760Q 112500 bps通谄36灵st廉-160dGm;杏启动平均3 3秒1昙目动平均罚秋静启曲平均丄秒 2.5 mAutonomous 5O5 DREY1 SCL10kWD11SETFVDDIJ1V to VDD

14、C30 1uf13图 3.11A3144 霍尔传感器3.8 GSMGPRS 通信模块设计作为北斗数据回传的一个最常见的方式,GSM/GPRS 是应用最广的方式，其实最主要的原因是 GSM/GPRS 可靠性很好，数据传输网络也非常稳定,3G/WCDMA 虽然数据传输快，但在 很多情况下因没有信号而作罢。SIMCom 推岀新款紧凑型产品 一 SIM900A.它属于双频 GSM/GPRS 模块，完全采用 SMT 封装形式，SIM900A 仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价比高，能满足您的多种 需求。SIM900A 采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/19

15、00MHZ，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。另外，SIM900A 的尺寸大小为 24x24x3mm ，能适用于 M2M应用中的各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品设计。图 3.123.12SIM900A主要特性* 双频 900/ 1800 MHz* GPRS multi-slot class 10/8Indlno14* GPRS mobile station class B*满足 GSM 2/2+标准-Class 4(2 W 900 MHz )-Class 1（1 W 1800MHz ）* 尺寸：24*24*3mm*重量：3.4g* 通过 AT 命令控制（GSM 07.07 ,

16、07.05 andSIMCOM 增强 AT 命令集）* SIM 应用工具包*供应电压范围：3.1 . 4.8V*低功耗：1.5mA （睡眠模式）*操作温度范围：-40 C to +85 C3.9 人机界面设计人机界面是为了更好的人机操作和查看相关状态。跑步训练智能手环需要的操作的有： 开机、关机、训练模式选择、开始训练、结束训练、训练过程中参数查询。显示屏需要显示 的的状态有：是否有GSMGPRS 信号、是否有 GPS 信号、训练模式、跑步参数（如路程、 速度、时间）；检测脉搏和血氧含量等。采用贴片轻触按钮（3*6*2.5mm ）作为开机、功能选择按钮。图 3.13 贴片轻触开关采用 0.95

17、 寸彩色 OLED 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。图 3.140.95 寸彩色 OLED 屏15采用压电陶瓷蜂鸣器进行报警提示。压电陶瓷蜂鸣器体积小节省空间。16图 3.15 压电陶瓷蜂鸣器3.10 跑步路程计算算法设计北斗定位只能定位得到手环的地理坐标位置，要得到手环移动的路程，需要 通过北斗测算出来的坐标点练成轨迹，对轨迹进行积分得到手环移动的路程。为 了研究算法的可靠性精确性，这里采用蒙特卡洛算法，模拟北斗定位数据，来测 试和验证不同算法。数据误差的均方差为北斗定位模块的定位精度即2.5m2.5m。通过软件产生二随机分布函数，叠加到模拟路径中，均方

18、差为 2.52.5。3.10.1 路径直线差值求和法路径直线差值求和算法的思想是：认为北斗得到的坐标是精确坐标，且跑步训 练者总是沿直线路径依次经过相邻的坐标点。跑步训练者跑过路程是所有直线段 长度的累加和。通过北斗定位得到的坐标总是带有一定的噪声误差。真实的轨迹若跑步训练者沿着半径为 100m100m 的圆跑道跑一圈，用时 100s100s，也就是速度为6.3m/s6.3m/s。总路程为 628m628m 跑完一圈后误差约有 20m20m，误差率约为 3%3%五公里路 程误差为 160m160m17通过进一步仿真分析得到下表:实际路程(m)(m)速度(m/s)(m/s)用时(s)(s)误差(

19、m)(m)误差率(%)(%)五公里误差(m)(m)6286286.286.2810010020203.183.18159.24159.246286283.143.14200200858513.5413.54676.75676.756286282.092.0930030016516526.2726.271313.691313.696286281.571.5740040031131149.5249.522476.112476.116286281.261.2650050045045071.6671.663582.803582.80表 3.23.2 直线差值求合法仿真结果由表 3.23.2 可知手环路

20、程计算精度随着跑步者的跑步速度下降而快速增加。速度降到 1.26m/s1.26m/s 时，跑五公里的误差是 3.53.5 公里。显然极度不合理。当手环静止时，因为定位误差的存在， 每次得到的位置都有所变化， 通过本算法也会算出路程，如图跑步者静止 100s 后的手环计算出跑步者跑了190m，误差非常大。图 3.18 运动实际轨迹与定位轨迹图 3.19 路程误差时间曲线图图 3.20 静止时定位轨迹图 3.21 路程误差时间曲线图100m运动时宾Pf测迓轨迹.T. r.尊止H4GPS记录的轼竝,g C IIIIIIII,_35-2-15-10.500 51価22.5X Cm)卧止时蹈陸时冋曲輔1

21、83.102路径曲线拟合积分法利用北斗定位得到的坐标点距离累加求和有较大的误差，误差的来源是因为19GPSGPS 定位本身精度有限。因此要优化算法，消除降低误差累积。图 3.22 x、y 坐标的时间曲线图坐标时间序列曲线图中曲线斜率即为速度，由于人的跑步的数度是有限的，所以曲线不 会出现突变，相对平滑，所以可以利用一定长度的时间窗口内进行二次曲线拟合得到最佳逼 近曲线，从而得到相对准确的路程。图 3.23 x、y 坐标的时间曲线图图 3.24 路程误差时间曲线图当速度为 2m/s 和 6.28m/s 时五公里长跑路程误差如图 3-9-10、3-9-11图 3.25 2m/s 时路程误差时间曲线

22、图图 3.26 6.28m/s 时路程误差时间曲线图与前一种算法相比，可以看出定位精度提高非常多。五公里误差为在5m 以内，并且精5o0五里腔理季耳吋问曲蛭1tlOD2WM250D时间I (1五也里昭性唳哙Hi冃曲垢20度和跑步训练者的速度关系不大。具有一定的实用价值。3.10.3 基于已知路径的位置匹配路程计算法在实际跑步训练过程中，跑步训练者跑步的跑道是相对确定的，如长跑中固定 的环形跑道，折返跑中固定的直线跑道。因此可以利用这些已知的路径信息进一 步修正北斗定位误差，进一步提高手环计算路程的精度，理论上可以使路程计算 的误差接近北斗定位误差。若还要进一步提高精度，就必须与其他传感器数据进

23、 一步融合。如加速度计陀螺仪等。3.11 数据管理终端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。图 3.273.27STM32F429IGT6STM32F429IGT6 芯片简介：内 核：Cortex-M4 32-bit RISC ；特性：单周期 DSP 指令；工作频率：180MHz，225 DMIPS/1.25 DMIPS/MHz ；工作电压：1.8V-3.6V ；封 装：LQFP176 ；存储资源：1024kB Flash，256+4kB SRAM ；资 源: 6 x SPI，4 x USART，4 x UART，2 x I2S，1

24、x SAI，3 x I2C ；1 x FMC，1 x SDIO，2 x CAN ；1 xLCD-TFT ；1 x USB 2.0 FS/HS 控制器（带有专用 DMA）；1 x USB HS ULPI （用于外接 USB HS PHY）；1 x 10/100 Ethernet MAC ；1 x 8 to 14-bit 摄像头接口；3 x AD （ 12 位，1us，分时 24 道），2 x DA （ 12 位）；调试下载：支持 JTAG/SWD 接口的调试下载，支持 IAP。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21源管理模块负责，电池保护

25、，包括过充保护、过放电保护、欠压报警。C. GSMGPRS 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。22D.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。图 3.283.28 7 7 寸触摸电容屏电容屏参数如下:4、手环结构设计4.1 手环结构布局手环结构是承载手环所有功能的基础，决定了手环佩戴舒适度、耐用性、防水性。7inch CapacitiveTouch LCD (D)电容1024x60024PINRGB/LVDSFT5206GE1MCU 带 LCD控制器按键显示屏图 4.1 手环外观结构-正面布局2

26、3图 4.2 手环背面传感器布局4.2 手环材料选择手环要接受北斗定位信号、要和GSMGPRS 基站通信，因此手环结构材料不能选用金属。运动健身手环主要用在跑步训练游泳训练，跑步训练过程中手环会接触到汗液，游泳过程中手环要长期浸泡在水中，因此手环材料要具有良好的密封性、耐腐蚀性、耐磨性。 要保证佩戴的舒适性需要材料具有一定的弹性。要适应户外温度变化，从冰雪天气到烈阳炙烤需要有一定的耐高温低温特性。同时需要有良好的耐老化性，保证手环使用寿命。 综合全面考虑以上条件以及结合市面上现有手环材料初步选用全氟醚橡胶。全氟醚橡胶材料性能：全氟醚橡胶材料具有良好的电气绝缘性能和良好的耐燃烧性能。同时氟橡胶具

27、有非常好 的气密性、耐磨性；乎能承受一切化学介质的腐蚀，其中包括醚类、酮类、苯环类溶剂、强 氧化剂、强酸、强碱等，有着在这方面全无敌的美誉；全氟醚橡胶具有最好的耐高温性能， 全氟醚橡胶 Kalrez 耐高温品级可在327C环境中使用，苏威苏莱克斯的耐高温品级可在310C左右使用，远远高于氟橡胶。全氟醚橡胶的低温使用温度可达-20C；主要应用领域有宇航工业、炼油、化工生产、电子工业、机械工业、高温水蒸气系统、天然气石油开采、 核电站、特殊仪器仪表等。4.3 手环外壳加工工艺主要采用注塑成型，成型周期短、生产率高、能一次成型、外形复杂、尺寸精确或带有 金属嵌件的塑件；制品表面粗糙度低，后加工量少，易于实现自动化生产，生产适应性强等优点，因此广泛用于各种塑件的生产，其产量约占塑料制品总量的30%。尤其是塑料作为24工程结构材料的出现，注射塑件的用途已从民用扩大到生产的各个领域，并逐步呈上升趋势。254.4 手环效果图初步通过 S