《基于CC2541蓝牙芯片的智能手环设计9200字（论文）》

.绪论1.1选题背景随着近些年物联网行业类别的兴起，可穿戴设备的科技水平正不断的发展，智能可穿戴的使用率越来越高，它是指可以直接穿上或者贴在衣服上的设备，以及可以嵌入到配件中的便携式设备。此外，其拥有极为强大的便利性，因为它的设备功能最近几年刚刚发明，有很好的实用性，并且在很多领域都使用。特别是在医疗、教育领域，可穿戴设备推动了传统工作方式的改革，并且有效提升了人们的工作效率，让人们进入了智能可穿戴设备的时代[1]-[2]。与此同时，人们对于生活质量的要求也与过去大有不同，在人们对于健康的追求中，运动是必不可少的一个环节。在此背景下，基于CC2541的智能手环成为了本次的设计课题。以CC2541蓝牙芯片为主，实现计步功能、距离显示、电量显示、时间显示、休眠、复位等功能。在本智能手环设计中选择使用蓝牙4.0技术。蓝牙低功耗无线技术具有平均值、待机耗能和超低峰值，利用微型纽扣电池可以运行多年，并且具有多设备互操作的特性，这项技术提供了高成本效益、高质量硬件和人机界面装置，并减少了手机和计算机硬件开发所需要的成本和体积[3]。本设计的主控采用业界低功耗的蓝牙芯片CC2541，传感器采用加速度传感器，屏幕采用单色OLED显示屏幕。有机电致发光器件拥有近30年的研发经验，并已进入信息技术和电子领域的先进技术之路。OLED具有高效率、面发光、健康光源以及可制备柔性器件等优点[4]。OLEDs具有低能耗、生产成本低、工艺简单、成本低、响应速度快等优点[5]，液晶显示器在这些方面都不如OLED，因此选择使用OLED作用该设计的显示装备。实践是促进知识吸取的动力，是认识的来源。身为当代大学生，只有通过实践才能充分理解这些知识，掌握本科所学到的东西。将理论运用于实践，巩固自己所学到的理论知识，通过这次毕业设计，能够更好的去对问题进行分析与思考，自己动手尝试去解决问题，巩固所知所学，拓展认知范围，培养实践能力。1.2国内外研究现状用户可以使用智能手环检测睡眠质量，还可以使用它记录每次运动得步数以及每天的饮食情况，并且可以把这些记录同步到用户的手机上、电脑中并进行同步的可穿戴式智能设备，满足人们的生活需求。现如今，智能手环的功能很好对人们产生效用，大部分已有的产品往往是对手机、电脑上的一些功能进行复制。但在提供方便的同时，设备的安全风险也会增大，比如智能手环系统的开放，使得设备的风险更大。现在，智能手环设备的设计通常是为了灵活、方便、用途多样、设计美观，而对设备本身的安全性关注较少。例如，存储个人数据是一个非常重要的问题。在收集和处理设备数据的同时，如何防止他人的侵犯和滥用，这仍然是当下的问题。目前，屏幕显示主要采用OLED和LCos技术。LCos技术的耗电量比较小，并且在色彩解析方面的技术很完善，所以有很多人选择它。OLED具有对比度和厉害的技术反优势，这项技术在未来的屏幕显示装备上将会发挥很大的作用。现如今，三星、LG集团等，对柔性屏幕进行了一系列的研究，也就是说，这项研究不但能改变产品的形状，还能有效促进设备的发展，处理手表面积小的问题，并且设备在外观设计上也会更加贴合大众观感[2]。智能穿戴设备迅速发展，智能手环方便实用的操作和精致的设计，吸引了广大市场的追捧。因此，关于智能手环的研究在国内外屡见不鲜。例如美国罗格斯大学所研发的智能手环技术，能够将技术添加到手环或者其他可穿戴设备中，用于监测心率以及平日的活动。手环内置的电路可以处理电信号，微处理器可以处理数字化数据，蓝牙模块能够通过无线电传输各种数据。例如，通过针刺的方法获得的血液样本，获取的血液可通过通道流入，记录血细胞的数量。然后，数据无线传输到手机相匹配的APP上，APP可以处理并显示数据[6]。1.3主要研究内容本次设计开发了一款基于CC2541的智能手环，本手环实现的主要功能是：计步、计算行走距离、存储步数、检测电池电量。由于该款手环属于可穿戴设备，因此除去手环硬件外，另外开发了一个与之相匹配的APP。这个APP使用TTS语音合成技术，能够将手环上传的数据通过语音播报出来。同时APP还可以远程控制手环显示指定的数据和读取手环中产生的各种数据。1.4论文章节结构本文分为六章：第一章：绪论。本章首先介绍了本设计的研究背景以及意义，接下来描述了当前国内外的研究现状，以及未来的发展趋势。第二章：描述系统的总体设计，对项目的整体进行介绍，并且简单描述本设计所使用的原理。第三章：本章描述本设计所使用的硬件，对每个模块使用的硬件分析介绍并且介绍每个硬件的原理。第四章：本章介绍系统的软件设计，描述每个模块的软件开发流程。第五章：本章对系统进行测试。按照三个部分对每个功能进行测试，确保本设计的功能正常使用。第六章：本章对本论文进行简单的概括总数，并指出本设计的不足之处以及有哪些部分需要完善，对以后的优化完善工作展望。1.5本章小结本章对与选题背景与国内外研究现状进行分析详述，介绍本次研究内容，对论文整体结构的章节设计进行讲述。智能手环能够对人们生活产生效用，方便人们生活，如今的手环设计大多灵活、轻巧，国内外对于智能手环的研究也很成熟，研究项目众多。2.系统总体设计2.1总体设计分析选用CC2541芯片作为主控，计步器模块选用MPU6050，语音模块选用LD3320，屏幕采用单色OLED，完成蓝牙智能手环的开发，并且开发APP，实现APP控制。因为本设计选用蓝牙4.0技术，所以会对该技术具体深入研究。通过手机应用程序可以得到当前的步伐值，手环和手机可以通过BLE实现无线连接，实时读取步伐值，计步功能、时间设置、手环电量指示、行进距离。本次基于蓝牙技术的智能手环的设计分为两部分：服务端，客户端。设计整体实现的功能如下图2-1所示。图2-1总体功能设计服务端，即智能手环的部分。在服务端可以实现以下功能：手环复位，电量、时间、步数与距离的显示，以及休眠功能。长按手环按键，手环可以实现复位功能；依次按下手环按键，可以显示当前电量、当前时间、步数和距离；按下手环按键3秒，手环将进入休眠状态；长按手环按键，手环将进行重启。客户端，即手机应用程序。在客户端可以实现以下功能：设备的扫描与绑定，计步数的显示，当前时间的校准，手环电量的显示，距离的显示，智能语音功能。程序通过扫描可连接的设备，可以进行绑定，也可以解除绑定；能够显示当前行走步数，手环当前电量，行走距离以及当前时间；可以对手环进行复位休眠操控，校准手环时间，清零步数和距离，实现手环的语音识别功能。2.2系统工作原理二者将通过蓝牙BLE进行连接。CC2541在上电后，启动内部协议，打开射频，开始广播。当匹配到附近的设备后，就可以进行绑定，绑定成功后，这时客户端与服务端的无线传输通道建立成功，相互之间就可以相互传输数据。系统流程图如下图2-2所示。图2-2系统流程图将基于CC2541智能手环分为服务端与客户端两个部分。客户端即与硬件匹配连接的手机应用程序。服务端包含三个部分，即计步模块、语音识别模块和显示模块。服务端和客户端通过蓝牙技术建立无线传输通道，进行双向的数据传输。当对着智能手环的语音识别模块里边的麦克风讲话，识别后会将语音数据传输到LD3320芯片的寄存器中。在STC11芯片中会通过串行外围设备接口SPI读取LD3320中识别出的语音结果，如果读到的结果是正确的，就会通过串口输出。CC2541接收结果之后就会对串口里面的数据进行解析，然后进行相应的操作，将结果输出到显示屏幕上。如果事先与手机建立了连接，手环获得的数据会通过蓝牙上传到手机APP中。计步模块则通过I2C接口与CC2541手环进行通信，在使用它的计步功能之前，CC2541需要事先写入一个DMP运动处理固件，当固件加载成功后，才会正式启动计步操作。在行走过程中，MPU6050根据XYZ三个方向的加速度解算出行走一步，结果将会保留到寄存器里。然后数据将会由CC2541读取出来，显示到屏幕上，并且写入到内部的flash里，并且数据将被上传到手机APP中。2.3本章小结本章对本设计的整体设计进行简要的介绍，重点说明了整体的功能设计。本设计分为服务端与客户端两个部分进行开发，即手环的硬件部分，以及与之相匹配的手机APP部分。二者将通过蓝牙BLE进行连接。CC2541在上电后，启动内部协议，打开射频，开始广播。匹配到附近的设备后，进行绑定。打开蓝牙的无线传输通道，进行服务端与客户端之间的数据传输通信。3.系统硬件设计3.1系统硬件总体设计将基于CC2541智能手环分为服务端与客户端两个部分。服务端和客户端通过蓝牙技术建立无线传输通道，进行双向的数据传输。客户端即与硬件匹配连接的手机应用程序。服务端包含三个部分，即计步模块、语音识别模块和显示模块。计步模块与语音识别模块收集的数据将传输到CC2541上，CC2541对数据进行解析后将得出的结果传入到显示模块。系统硬件总体设计图如下图3-1所示。图3-1系统硬件总体设计图3.2蓝牙芯片CC2541CC2541是一款基于8051内核的蓝牙RF单片机，上面置有TI的专属协议栈Z-Stack。这是对Bluetooth低能源消耗以及私有化2.4GHz功率化的真正片载系统解决方法[7]。CC2541的核心板原理图如下图3-2所示。较短的运行模式转换时间让低能耗发展得更进一步。这个协议栈集成了一个小型的操作系统，只需要在操作系统的回调函数中编写相应的代码，即可实现所需要的功能。CC2541用途广泛，经常用于低能耗蓝牙系统、休闲体育设备、移动电话附件以及部分消费类的电子产品等。图3-2核心板原理图3.3智能语音模块在手环的整体设计中，将实现手环数据的语音播报功能。因此选用了LD3320模块用以实现语音播报手环上传的各项数据。LD3320语音识别模块实物图如下图3-3所示。图3-3LD3320语音识别模块实物图本文选用的LD3320芯片基于ASR技术，语音识别处理器和一些外部电路已经集成，例如数模转换器、麦克风接口或者声音输出接口等[8]。本芯片可以作为语音识别模块，还可以用在声控上以及人机对话方面，并且已经集成在产品中，无须添加辅助芯片，本芯片还具有高效节能的优势。此外，识别的关键词语列表是能够被任意动态编辑的[9]。LD3320的原理图如3-4所示。图3-4LD3320-STC11原理图3.4计步器模块对于计步功能，本设计采用了当下较为热门的MPU6050模块。这个模块通过I2C接口与CC2541手环进行通信，在使用它的计步功能前，CC2541需要向其写入一个DMP运动处理固件，当固件加载成功后，才能启动计步操作。MPU6050原理图如下图3-5所示。图3-5MPU6050六轴传感器原理图本文设计的计步器模块能够检测出人在行走过程中步态加速度信号，它具有功耗低、体积小、灵敏度高的特点[11]。MPU6050芯片集成了DMP数字处理器、加速度计以及三轴MEMS陀螺仪。DMP可以直接读取进行中的运动步数[12]。芯片里的算法分析是根据里边的加速度传感器特性，在人行走的过程中会从三个方向分别判断加速度的变化。当用户水平行走时，加速度在前进和垂直两个方向变化，并且变化过程具有周期性，当行走时，用户的重心会上移，如果单脚着地，加速的垂直方向会正向增加。脚前移时，用户重心下移，但是当两个脚同时落地时，会产生反方向的加速度。收脚时，水平加速度会减小，相反，在迈步时，水平加速度会增加[12]-[13]。在使用者行走过程中，前进和垂直两方向的加速度与时间的曲线是正弦曲线，并且峰值会在某一点出现。具体图像如图3-6所示，在用户的步行过程中，垂直和前进两个方向产生的加速度和时间的关系会表现为正弦曲线，并在某一点出现峰值。在这之中，垂直方向产生的加速度变化最大，对轨迹最大值进行检测计算，结合加速度阀值决策，就能实时计算出用户运动的步数，并且能够进一步的估算出用户步行测量出的距离[14]。图3-6步行中加速度和时间的比例变化因为用户在运动过程中手环可能戴在手上或者将手环直接放在衣服口袋里，所以手环具体的放置方向没有办法确定。因此，如果计算三个加速度的矢量长度，就可以得到与图示曲线相似的步行运动轨迹[15]。然后就是对峰值的检测。可以通过观察上一次矢量的长度与这一次的不同，判断得出当前时期加速度的方向，然后与上次保存的记录比较，如果两次加速度的方向相反，便可以判断刚才的阶段是峰值，这时计步器便会准备计步。如果两次加速度的方向相同，就会放弃不会进入计步状态。这样用户步行的步数、时间等相关技术就可以通过分析峰值的次数得出。最后会对以下几种情况进行排除，当用户的手臂移动幅度小或者当遇到快速抖动的状态，快速抖动时可能是因为用户在故意摇晃设备而达到计步的目的，否则会使得计步不准确，影响用户使用。对于这种干扰，可以通过附加阈值以及步频的方法进行过滤[16]。人在跑步时脚步频率最高可以达到5HZ，所以相邻两步的时间间隔至少要0.2秒。如下图3-7，建立Timespan,可以在记录步数时，先将高频噪音过滤，然后通过设置确定的阀值，通过和阀值相比较判断此时的运动是否是有效的。只有判断为有效运动时，才能进入计步状态[14]-[16]。图3-7步频过快3.5OLED液晶显示关于本设计的硬件显示设备，选用了0.96寸的OLED液晶显示屏。它是根据有机电自发光二极管设计产出的显示屏，有不需背光、反应灵敏、厚度轻薄等特点[4]。OLED显示屏电路图如下图3-8所示。图3-8OLED显示屏电路图3.6本章小结本章论述在实现本项目中所需要用到的硬件以及原理。对于硬件的选型进行详细的说明。蓝牙芯片选用CC2541，语音模块采用LD3320，计步器模块则采取了MPU6050。对于计步算法进行了详细的讲解，根据三轴加速度传感器的特性展开分析。可以在使用者行走时，通过从三个方向来判断加速度是否变化。4.系统软件设计4.1CC2541程序设计SimpleBLEPeripheral.C文件是CC2541芯片中的主运行程序，也是整个系统的主运行程序，大部分功能都在SimpleBLEPeripheral.C文件里面实现，CC2541部分代码执行了蓝牙协议栈，以及实时操作系统的代码，包括手环的复位、休眠、重启功能的实现，时间、电量、步数、距离功能的实现以及数据在屏幕上的显示。CC2541实时操作工作流程如下图4-1所示。图4-1CC2541实时操作流程手环与手机APP通过蓝牙进行连接绑定，进行实时操作，接收语音数据和计步相关数据进一步进行解析，显示在手环屏幕上。手环时间的显示，通过内置的低频晶振，驱动内部时钟实现一个稳定的系统时钟。在正常的电池供电系统中，电池是直接连接到CC2541上的，所以CC2541通过采集电源电压就等于直接采集了电池的电压，得到电池电压后，根据充放电公式得出当前电量剩余百分之多少。然后将剩余电量临时存储在系统中，当APP连接后，手机APP可以直接读取电量相关数据。4.2语音识别模块程序设计该程序是语音识别模块LD3320收集语音数据实现的程序设计，通过芯片采集语音数据，将传感器采集到的语音数据再传入CC2541，对数据进行解析操作，最终将识别结果显示在手环的屏幕上。LD3320语音识别模块工作程序流程如下图4-2所示。图4-2语音识别工作流程在正常运行的情况下，对着语音识别模块的麦克风讲话，语音数据会被识别后输入到LD3320芯片的寄存器中。在STC11单片机中会通过串行外围设备接口SPI读取LD3320中识别出的语音结果，如果读到的结果是正确的，就会通过串口输出。CC2541接受了结果之后就会对串口里面的数据进行解析，然后执行相应的动作。如果事先与手机建立了连接，手环获得的数据会通过蓝牙上传到手机APP中。4.3计步模块程序设计该程序是计步模块MPU6050实现步数距离功能的程序设计，加载运动处理固件，将传感器解算出的步数传入到CC2541中，对数据进行解析操作，最终将识别结果显示在手环的屏幕上。MPU6050计步模块工作程序流程如下图4-3所示。图4-3计步工作流程实现计步功能。计步器模块通过I2C接口与CC2541手环进行通信，在使用它的计步功能前，CC2541需要向其写入一个DMP运动处理固件，当固件加载成功后，才能启动计步操作。在行走过程中，MPU6050根据XYZ三个方向的加速度解算出行走一步，结果将会保留到寄存器里。然后CC2541将数据读取出来，显示到屏幕上，并且写入到内部的flash里，并且数据将被上传到手机APP中。4.4手机APP程序设计手机APP程序设计实现了手机软件对手环的远程控制，包括手环的复位、休眠、重启功能、校准时间功能，以及手环数据的在APP上的显示，包括步数、距离、时间和当前电量，并且能通过手机APP远程操控手环屏幕的显示，包括步数、时间、电量、距离等。客户端与服务端的数据进行双向传输，需要建立通道进行数据的无线传输。建立通道的流程如下图4-4所示。图4-4设备间通道建立的流程初始化后，对附近的设备进行扫描，如果扫描到匹配的手环，则尝试与其进行连接。连接后，将发起绑定和配对。之后会Discovery手环中的服务，当服务发现成功后，对其指定的通道打开notification接收数据，并将APP产生的数据通过write形式推送到手环，即可完成整个通信流程。4.5本章小结对硬件和软件的程序设计进行说明。关于蓝牙设备的扫描与连接、手机APP的界面设计、语音识别与播报等各模块的程序进行简要分析。由于该款手环属于可穿戴设备，因此除去手环硬件外，另外开发了一个与之相匹配的APP。这个APP使用TTS语音合成技术，能够将手环上传的数据通过语音播报出来。同时APP还可以远程控制手环显示指定的数据和读取手环中产生的各种数据。5.系统测试5.1测试方案测试将从手环、手机APP、语音控制三个方面进行。经过对手环硬件的测试，将会得到步数、时间、距离、电量的显示界面，以及开机加载的默认界面，并实现手环复位、休眠、重启的功能。经过对手机APP的测试，将会得到手环上步数、时间、距离、电量的显示界面，以及开机加载的默认界面，蓝牙扫描绑定界面，时间校准、步数距离清零功能的实现，以及实现手环复位、休眠、重启的功能。经过对语音控制的测试，将会得到手环上步数、时间、距离、电量的显示界面。5.2测试结果5.2.1手环控制测试对手环通电，手环会显示默认界面，手环加载成功，默认界面如图5-1。 图5-1手环默认界面 短按按键，屏幕会依次显示计步步数、当前时间、当前距离、手环电量。对手环进行步行模拟测试，屏幕上出现步数，且步数为40，步数测试结果如图5-2所示。图5-2步数显示界面在步数界面在此短按按键，屏幕上出现当前时间，如下图5-3所示。图5-3时间显示界面当前显示界面为时间，短按按键后会显示当前距离，并且附有当前步数。测试结果如下图5-4所示，步数为40，距离为36.0米。图5-4距离显示界面在距离显示界面，短按按键后会显示当前电量，测试结果如图5-5所示，显示当前电量为96。图5-5电量显示界面5.2.2手机控制测试手环与手机进行蓝牙连接绑定，实现手机对手环的远程操控。通过手机APP对设备进行扫描并绑定，如图5-6。图5-6蓝牙扫描并绑定设备对时间进行校准测试，初始时间如图6-7所示。图5-7校准前时间校准后时间如图5-8所示。图5-8校准后时间步数距离清零功能实现，点击清零步数和距离，显示结果如图5-9所示。图5-9清零步数和距离通过手机APP对手环进行测试，测试结果会在手环屏幕上显示，与手环控制测试结果相似，测试情况如下表5-1。表5-1APP控制测试情况测试控制结果校准时间时间成功校准，显示当前时间清零步数和距离显示当前步数为零，距离为零复位手环复位成功休眠手环进入休眠状态绑定蓝牙扫描设备进行绑定测试语音手环进入语音测试状态步数手环屏幕显示步数距离手环屏幕显示距离电量手环屏幕显示当前电量时间手环屏幕显示当前时间默认手环屏幕显示默认界面低电量出现手环低电量提示5.2.3语音控制测试在手机APP上点击测试语音，系统进入语音模式。进入语音测试状态，通过语音对手环进行显示控制，测试结果会在手环屏幕上显示，与手环控制测试结果相似，测试情况如下表5-2所示。表5-2语音控制测试情况测试控制结果步数手环屏幕显示步数距离手环屏幕显示距离电量手环屏幕显示当前电量时间手环屏幕显示当前时间默认手环屏幕显示默认界面5.3本章小结本章测试实现各个模块的功能，并对测试结果进行详细说明。本章讲述了使用手环控制进行测试，测试是否可以使用手机APP控制手环使用，能否使用语音控制手环，并且得到了不同的结果。测试结果良好，未出现异常，所设计的功能可以正常实现。6.总结与展望6.1总结本次设计开发了一款基于CC2541的智能手环，这个手环的主要功能是：计步、计算行走距离、存储步数、检测电池电量。由于该款手环属于可穿戴设备，因此除去手环硬件外，另外开发了一个与之相匹配的APP。这个APP使用TTS语音合成技术，能够将手环上传的数据通过语音播报出来。同时APP还可以远程控制手环显示指定的数据和读取手环中产生的各种数据。APP端基于最新AndroidStudio4.1开发。由于CC2541是BLE的，因此在APP中也使用了BLE的方式与其进行通信，先要扫描设备，如果扫描到手环，则尝试与其连接。连接后，将发起绑定和配对。之后会Discovery手环中的服务，当服务发现成功后，对其指定的通道打开notification接收数据，并将APP产生的数据通过write形式推送到手环，即可完成整个通信流程。6.2展望就目前手环实现功能来看，还有个别功能可以继续完善，对于使用人群的定位还不够清晰明确。仍有许多功能可以考虑，精准定位使用人群，在这个范围内进行完善。例如将适用人群定位老年人，可以加上定位功能、语音对话以及紧急呼叫等服务。当老年人使用手环时，能够方便老年人进行与家里人进行联系，以防止老年人走失。参考文献[1]王瑞祥.基于BLE技术的智能手环方案与应用层安全模型设计[D].北京邮电大学,2016.[2]赵煜,孙熙胜,李滔,毛兴.智能可穿戴设备市场与新技术发展趋势分析[J].科技经济导刊,2020,28(19):16-17.[3]陆楠.蓝牙4.0为更多应用提供平台[J].电子设计技术,2010,18(09):73.[4]丁磊.大面积高效率叠层有机电致发光器件的研究[D].苏州大学,2015.[5]黄春辉,李富友,黄维.有机电致发光材料与器件导论[M].上海：复旦大学出版社.2005.第一章.[6]AbbasFurniturewalla,MatthewChan,JianyeSui,KaranAhuja,MehdiJavanmard.Fullyintegratedwearableimpedancecytometryplatformonflexiblecircuitboardwit