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智能手表電路控制程序方案開發(fā)
本文設計了一種能夠?qū)崟r監(jiān)測人體溫度、統(tǒng)計運動步數(shù)的多功能智能手表。體溫是機體不斷新陳代謝的結果，同時體溫又是機體功能活動正常進行的重要保障。在正常情況下，人體溫度不隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，保持在37℃左右。但是當人體內(nèi)的某些機能發(fā)生變化或某些部位產(chǎn)生病變時，恒定的體溫將會發(fā)生改變。在臨床醫(yī)學中，體溫是一個重要的生理參數(shù)，病人的體溫為醫(yī)生提供了了解生理狀況的重要信息，同時還可以對某些重大疾病或隱藏于身體內(nèi)部的健康問題起到積極的預防和警示作用。所以人們需要并有必要實時了解自身的體溫狀況，使自己的體溫維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
針對人們對自身體溫實時監(jiān)測的需求，本文設計了一個擁有128×64大小OLED顯示屏的智能多功能手表，主要采用STM32F103C8T6單片機作為系統(tǒng)主控單元，將德州儀器設計生產(chǎn)的TMP100作為溫度采集傳感器。該手表可實時記錄采集的數(shù)據(jù)與每日運動量，并對人體溫度進行實時監(jiān)控。當用戶獲得自身的健康數(shù)據(jù)后便可以采取相應措施使自己保持健康的狀態(tài)。在這基礎之上，本文采用更低功耗的主控芯片與外圍器件，提高設備的續(xù)航能力，優(yōu)化用戶操作界面，使設備能真正運用到生活中，為實時健康監(jiān)測提供可能。
一、智能手表系統(tǒng)功能介紹
本文設計的智能手表主要具有時鐘功能、體溫實時檢測功能和計步功能，系統(tǒng)功能結構如圖1所示。
（1）在時鐘功能界面下，用戶可以選擇手動校準時間。（2）在體溫檢測功能界面下，用戶可以查看此刻自身的體溫，也可以查看當天自身體溫的變化情況。（3）在計步功能界面下，用戶可以查看當天的累計步數(shù)，了解自身運動量。
此外，用戶在使用設備的過程中一旦體溫下降或者上升，低于或超過閾值，則系統(tǒng)會向用戶發(fā)出警告，提醒用戶此刻體溫處于非正常狀態(tài)，用戶可根據(jù)自身情況及時處理。
二、智能手表硬件設計
2.1智能手表硬件組成及原理
多功能智能手表系統(tǒng)硬件主要由電源管理模塊、主控芯片模塊、溫度傳感器模塊、加速度傳感器模塊和OLED液晶顯示器與按鍵組成，硬件系統(tǒng)的組成及連接關系如圖2所示。電源管理模塊將不穩(wěn)定的電池電壓轉換成系統(tǒng)需要的3.3V穩(wěn)定電壓，并輸送給各個模塊。主控芯片從溫度傳感器和加速度傳感器獲取采集數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行算法處理，最終通過人機交互模塊顯示出來。
2.2智能手表硬件模塊設計
STM32F103C8T6是一款基于ARM32位CortextM3內(nèi)核的單片機，具有2.0～3.6V的寬電壓供電范圍，CPU工作頻率最大可達72MHz，具有單周期乘法指令和硬件除法功能，以及優(yōu)先級可編程的中斷系統(tǒng)。同時它還具有64KB的FLASH存儲器與20KB的SRAM存儲器，集成了豐富的片內(nèi)外設，如看門狗，定時器，GPIO口，DMA控制器，ADC，UART，SPI接口，I2C接口等，具有成本低、速度快、性價比高等優(yōu)點。
人體溫度采集傳感器采用德州儀器生產(chǎn)的TMP100。TMP100是一個SOT23-6封裝的兩線串行輸出溫度傳感器，無需其他元器件，精度可達0.0625℃。此外TMP100具有系統(tǒng)管理總線以及I2C接口的兼容性，可在總線上掛載8個設備。工作溫度為-55～125℃，測量精度可通過程序編程選擇。TMP100的器件地址由ADD0和ADD12個引腳決定，引腳輸入與器件地址的關系見表1所列。根據(jù)設計原理與圖中ADD0和ADD1引腳接地可知，TMP100的器件地址應為0x48。
加速度傳感器模塊采用飛思卡爾，這是一款比較新的MMA8452加速度傳感器。飛思卡爾是具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機械加速度傳感器，其主要特性如下：
（1）可以感受X，Y，Z三個自由度的加速度信號，全方位感知人體運動信息。
（2）具有±2g/±4g/±8g的可選量程。傳感器的靈敏度在±2g量程時為1024個數(shù)字/g，靈敏度精度為±2.5％。
采集的加速度數(shù)據(jù)可以通過傳感器內(nèi)部的高通濾波器實時輸出，濾波器的截止頻率可以通過軟件設置，也可以不經(jīng)過濾波器直接輸出。輸出信號被轉換為12位數(shù)字量信號，經(jīng)I2C接口輸出，輸出數(shù)據(jù)速率在1.25～800Hz之間，可調(diào)。電源管理芯片采用德州儀器設計生產(chǎn)的TPS79333，其具有超低噪聲、高PSRR、快速射頻、高電平啟用的200mA低壓降穩(wěn)壓器，可將3.7～5V的電源電壓穩(wěn)定在3.3V，具有體積小、效率高、噪聲小等特點。
三、智能手表系統(tǒng)軟件設計
3.1智能手表程序主框架搭建
本文設計采用主循環(huán)和定時器中斷相結合的運行框架。主循環(huán)中實現(xiàn)OLED顯示功能。定時器可定時對溫度、加速度傳感器進行數(shù)據(jù)采集和算法處理。程序主框架如圖3所示。
3.2時鐘功能設計與實現(xiàn)
時鐘模塊主要以定時器中斷為主，打開一個定時器中斷，中斷時間為0.1s，累計600次加1分鐘，累計60分鐘加1小時。
3.3體溫監(jiān)測功能設計與實現(xiàn)
TSP100溫度傳感器是一款數(shù)字傳感器，為I2C通信方式。ADD0和ADD1同時接地，查表可知，器件地址為0x90，初始化STM32F103C8T6的I2C后就可得到TSP100采集的數(shù)據(jù)。相比其他等價傳感器，TSP100溫度傳感器的精度較高，但也會因為環(huán)境等因素產(chǎn)生一些噪音（噪音可控），本文采用中位值濾波解決該問題。
3.4記步功能設計與實現(xiàn)
MMA8452加速度傳感器是一款數(shù)字輸出傳感器，與采集溫度的方式相同，不同之處在于加速度傳感器是慣性傳感器，在靜態(tài)狀態(tài)下能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，但運動后其數(shù)據(jù)變化較大。如果將處于運動中的加速度計的返回值以時間為X軸，值為Y軸，靜態(tài)時會呈現(xiàn)一條平滑的曲線，運動時將會是雜亂無章的噪點，所以對加速度傳感器的采集值進行濾波十分必要。本文設計采用低通濾波和防脈沖干擾平均濾波相結合的方式。
當對加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理后，默認當前獲得的數(shù)值即實際數(shù)值，之后對數(shù)據(jù)進行分析，使之轉化為需要的步數(shù)。據(jù)研究，距離、速度、加速度等都可以作為描述人體行走狀態(tài)的參數(shù)。近年來，由于MEMS加速度傳感器的快速發(fā)展和其優(yōu)越特性，被廣泛用于人體運動檢測。行走時腳、腿、腰、手臂都在運動，會產(chǎn)生相應的加速度，垂直方向的加速度信號變化最大。人行走的過程分析：腳蹬地離開地面是一步的開始，此時由于地面的反作用力，垂直加速度開始增大，身體重心上移，當腳要達到最高位置時垂直加速度達到最大，然后腳向下運動，垂直加速度開始減小，直至腳著地，加速度減小至最小值，接著下一次邁步發(fā)生。利用腰部的垂直加速度來檢測步數(shù)是可行的，通過對加速度的峰值檢測可以得到行走的步數(shù)。
一對連續(xù)的波峰和波谷代表了人體行走的一步，本文采用統(tǒng)計波峰的方法來統(tǒng)計步數(shù)。由于人體運動一般不會超過5步/s，即在1s內(nèi)理論上不會出現(xiàn)多于5個波峰，連續(xù)兩個波峰之間的時間差也不會小于0.2s。設定采樣頻率為50次/s，記錄采樣時間t和Z軸的加速度信息Acc。如果一個點的Acc值比前后各兩次采樣值都大，則視為一個極大值并將該信息與前一個極值的時間差Δt及Acc值存入一個二維鏈表。時間差Δt代表兩個假定步伐之間的時間差，如果Δt小于0.2s，則將兩個極大值中Acc較小者視為采樣噪點，從二維鏈表中去掉，并將剩下的數(shù)據(jù)重新與鏈表中前一記錄比較，大于0.2s且Acc值比前后Acc值都小20%或者更多，也視為噪點去掉。剩下的極大值就確定為一個有效步伐。最后系統(tǒng)可獲得比較精準的計步結果。
結語
本文設計了一個可實現(xiàn)對人體溫度實時監(jiān)測、運動步數(shù)實時統(tǒng)計的智能可穿戴多功能手表。通過理論與實踐的結合，從硬件實現(xiàn)與軟件實現(xiàn)切入，清晰展現(xiàn)了軟硬件的設計流程，并提供了解決辦法。從實現(xiàn)結果可以看出，本文的設計方案可行，能實現(xiàn)對人體溫度的實時監(jiān)控和對個人每日運動量的實時記錄，當體溫處于不正常數(shù)據(jù)值時，智能手表又能給出相應的提示警告，從而方便用戶根據(jù)獲取的體溫及運動數(shù)據(jù)對自身的健康狀況及時做出處理。
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