探讨智能手环的几种设计方案

探讨智能手环的几种设计方案

朱华琴

(上海歌尔声学电子有限公司上海市200233)

摘要：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步数、热量等实时数据。

关键词：智能手环；设计方案

引言：

从智能手表到运动手环，这些可穿戴应用都可以通过蓝牙无线技术将采集到的活动数据，发送到智能手机或平板电脑上，透过云端的数据分析，向用户反馈各类健康活动资讯。为此，在接下来的文章中，将围绕智能手环的几种设计方案展开详细分析。

一、智能手环功能与指标

电话接听、挂断与回拨；通过语音识别指令，控制设备进行音乐播放、暂停、下一首、上一首、音量加减；手环的时间显示、闹钟设定；手环步数计算、热量计算；手环将声音通过骨头传导的方式收听。

二、智能手环实现原理

蓝牙通信在手环中是最重要的一部分，同时也是最难的一部分，蓝牙通信涉及到通信协议，以及与手机建立连接。蓝牙技术是一项新型的无线通信技术，其中蓝牙的规范也有很多，蓝牙通信是一个完整的通信协议体系，其中覆盖了射频、基带、链路控制与管理、语音和数据编码等技术，包括了完整的OSI参考模型物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，涉及了IEEE802.3、IEEE802.15和IETF-RFC等许多国际协议标准。

（一）语音识别原理

语音识别部分能够很简单的识别语音命令，实现语音识别功能。可根据应用场景的不同自主配置语音命令列表，极大的拓展了其应用领域。语音识别部分采用非特定人语音识别算法，使用前不需要进行录音和训练，不论男女，要求用户使用的是标准普通话，可以得到最好的识别效果。

（二）时间显示原理

时间显示使用STM32内部集成的RTC时钟，时钟通过秒的自动累加来进行计时，将秒数转换为年、月、日、时、分、秒。通过在学过的C语言算法进行闰年闰月的计算。RTC是个独立的定时器。RTC模块拥有一个连续计数的计数器，在相应的软件配置下，可以提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置当前时间和日期。RTC模块和时钟配置系统(RCC_BDCR寄存器)是在后备区域，即在系统复位或从待机模式唤醒后RTC的设置和时间维持不变。但是在系统复位后，会自动禁止访问后备寄存器和RTC，以防止对后备区域(BKP)的意外写操作。RTC核心由一组可编程计数器组成。分两个主要模块：第一个是RTC预分频模块，它可以编程产生最长1秒的RTC时间基TR_CLK。如果设置了秒中断允许位，可以产生秒中断。第二个是32位的可编程计数器，可被初始化为当前时间。系统时间按TR_CLK周期累加并与存储在RTC_ALR寄存器中的可编程时间相比，当匹配时候如果设置了闹钟中断允许位，可以产生闹钟中断。

三、智能手环的几种设计方案简析

（一）基于ToshibaTZ1021+AMSAS7000的智能健康手环方案

现今健康照护及老人化人口日益趋增，穿戴式健康侦测需求倍增，以便能随时侦测老人，幼童或任何有需求的人的心跳变化，可做实时变化追踪。该系统功能：使用AMSAS7000心跳传感器作为侦测前端，透过LED发射穿透皮肤后折射回来的电流经过放大，TZ1021精准的ADC转换及算法后将心跳信息藉由BLE传输到手机App系统[1]。方案特性：东芝TZ1000系列应用处理器整合了Bluetooth®LowEnergy（LE）、低功率无线通信标准、传感器、处理器和闪存。这些功能紧密地整合在单一封装芯片、从而缩小了安装面积、非常适用于小型可穿戴设备。该应用处理器对传感器所取得的数据进行分析处理、并且功率消耗非常低、所以适用于需电池长时间运行的可穿戴设备。TZ1021产品整合了高分辨率ADC，可以将来自外部传感器的仿真信号（比如：脉冲波和心电图）转换成数字数据并将其传输至内部处理器。TZ1021具有DSP的高性能ARM®Cortex®-M4F和浮点运算处理单元结合多个传感器（内部和外部传感器）的数据，从而提高了准确性。AS7000具有目前最小的传感器尺寸，加上低噪度的光学前端设计及其特殊的算法，可以提供高精度的光学心律量测结果。

（二）基于ToshibaTZ1041的智能健康手环

本方案是一款集心电、血压、脉搏于一体的智能健康腕带，在血压测量方面，采用的是非充气式血压监测技术，使用了大数据动态血压算法。在心率测量方面，支持动态测量，准确性高，处行业领先地位，采用光电容积技术，可以连续采集心电、血压、脉搏，使得数据更加准确。除此之外还有计步、卡路里、睡眠监测、震动提醒等功能。采用蓝牙4.0和手机连接，支持android/ios系统。该系统功能：其一，心电图：通过高精度的模拟前端采集心电信号；其二，血压：抛弃传统测量方式，采用了大数据动态血压算法；其三，脉搏：通过PPG测量脉搏；其四，计步：精确的计算步数，了解运动情况；其五，睡眠：监测睡眠情况，提供科学的建议；其六，卡路里：计算运动所消耗的卡路里；其七，震动提醒：通过马达进行震动提醒[2]。

（三）基于ToshibaTZ1041的智能健康手环

在促成小型系统的设计的同时提高了自主设计的自由度。其优势在于，第一，超低功耗：TZ1041应用处理器系列为了最大限度的降低功耗，准备可供选择的多样化功率模式，为实现可穿戴设备尽可能长时间的运行提供可能；第二，高精度模拟前端：TZ1041应用处理器的另一大特点就是拥有高性能的模拟前端（AFE），集成了24bit高分辨率的模数（A/D）转换器，可将来自外部传感器的模拟信号（生物医学信号），比如脉搏和心电图（ECG）信号转换为数字信号，并传送至内部处理器，从而为医疗保健市场提供一个更为有效的解决方案。

（四）基于STBlueNRG-1的运动手环方案

BlueNRG-1基于CortexM0的超低功耗蓝牙网络处理器，是上一代BLUENRG-MS进一步整合。BlueNRG-1是一个功耗极低的BLE单模网络处理器，符合蓝牙规范4.2，在安全性方面有了很大的提升。BlueNRG-1在极低功率的休眠模式以及操作模式之间极短的转换时间实现了极低的平均电流消耗，从而延长电池寿命。BlueNRG-1较大的发射功率，使得信号传播距离加大，同时在多个信号源的环境下，更容易搜寻到目标信号。BlueNRG-1工作温度范围是-40℃至105℃，极大地提升了芯片的耐高温性能。一般的消费品芯片，工作范围是-40℃至85℃。ST依托自有的晶源工厂，同时推出了车规级BLEBlueNRG-1。该系统主要具有以下功能：第一，BlueNRG-1：蓝牙低功耗资料无线传输，把读到sensor的数据传输接收端进行数据处理；第二，计步器：LSM6DS3内部集成有硬件计步功能，很容易进行计步算法；第三，检测相对海拔高度：经过检测LPS25HB的大气压值变化，可以比较容易检测出相对的海拔高度。

结论：

随着时代的不断发展，智能手环出现在人们的生活当中，因为技术的进步，使智能手环现下遇到了市场发展问题。基于此，为了促使智能手环能够继续发展创新，打开市场，文章围绕智能手环的几种设计方案进行了详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

参考文献：

[1]适用于可穿戴设备的应用处理器得到迅猛发展[J].电子产品世界，2014（08）.

[2]东芝为可穿戴医疗推出TZ1000处理器[J].电子产品世界，2014（12）.