跑步训练智能手环技术方案

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 WFTC MAKFR PACE 科大创客空间 2014年11月 目录 1、需求分析 3 1.1 项目背景 3 1.2 项目需求及关键技术点 3 2、跑步训练智能手环总体设计 4 2.1 设计原则 4 2.2 系统总体架构 4 3、实现方案及关键技术 6 3.1 整体设计 6 3.2 嵌入式主控系统设计 6 3.3 电源模块设计 6 3.4 北斗定位模块 6 3.5 脉搏、血氧检测模块设计 8 3.5.1 脉搏、血氧检测原理 8 3.5.2 近红外发射模块 8 3.5.3 光电二极管 9 3.5.4 现有应用

2、10 3.6 指南针模块设计 10 3.7 手环解开检测模块设计 11 3.8 GSMGPRS 通信模块设计 12 3.9 人机界面设计 13 3.10 跑步路程计算算法设计 14 3.10.1 路径直线差值求和法 14 3.10.2 路径曲线拟合积分法 16 3.10.3 基于已知路径的位置匹配路程计算法 17 3.11 数据管理终端 17 4、手环结构设计 18 4.1 手环结构布局 18 4.2 手环材料选择 19 4.3 手环外壳加工工艺 20 4.4 手环效果图 20 5、关键技术总结及改进方案 22 1、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采用的一种身体锻

3、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

4、信息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

5、智能手环主要完成以下功能： 1）北斗定位，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

6、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。 2、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

7、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。 外部 电源 数据管理终端 电源權 块 嵌入式主控系统 GSMGPRS 通营 后台数 据库 外部 电廉 GSMGPRS通信檯块 脉博 血筆 模块 指南 针赛 块 GPS f立複按 范步 训练 智能 手环 图2.0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

8、程精确计算； D. 脉搏、血氧检测模块： 采用660nm 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。选用5兀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。 图3.28 7寸触摸电容屏 电容屏参数如下: 7inch Capacitive Touch LCD (D) 电容 1024x600 24PIN RGB/LVDS FT5206GE1 MCU带 LCD 控制器 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

9、了手环佩戴舒适度、耐用性、防水性。 按谑显示屏 图4.1手环外观结构-正面布局 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

10、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 327 C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-20 C；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

11、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 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。 4.4手环效果图 初步通过SolidWorks对手环进行建模，和效果渲染，设计效果图如下: 5、关键技术总结及改进方案 性能，提高定位和路程计算精度： 由于本手环利用卫星定位，因此一定程度上制约了手环的应用范围，如果跑步训练的路 段有部分或全部接受不到北斗信号则路程计算会产生较大的误差。因此可以利用

12、惯性传感器 来进行补偿。由于人的跑步运动是有一定规律的运动，而不是随意运动。因此可以通过识别 跑步运动的一些特征来校正惯性传感器计算位移时的误差累计。比如利用运动的周期性，在 一个周期中开始和结束的地方速度为零且往往加速度最大。因此就可以消除速度误差的不断 累加，从而减少路程积分误差。在算法上，不断优化算法，如通过开展卡漫滤波、辛普森积 分等等提高数值计算的精度，减少误差。 功能，提高检测的智能性。 手环不仅能戴在手上也可戴在脚上。可以对手和脚的运动同时进行监测。 通过加速度和角速度的数据进行进一步的分析可以得到手环的运动轨迹特征。根据数据特征 智能识别运动模式如： 行走、正步、跑步、游泳等。根据这些特征对运动的规范性进行评估。 从而达到辅助训练的目的。此时的应用范围可以扩大到正步训练、舞蹈训练、高尔夫训练等 等场合。 此时可以采用九轴传感器 MPU-9150替换HMC5883L三轴磁传感器。 RnlMc: cpom GIL 24 2? 22 21 as 1 z 3 z MPU-9150 1G 三 5 14 t 1 3 7 10 4 CLKIIM RESU VDD RESW RESV GND GND HSV GND RESV VDD 一弓 Rfoou 呵 ADU CT8-0 nlJS GL LG A 吗flrtflix 4mm i