本帖最后由 fenrindo 于 2019-11-15 15:45 编辑
1 引言随着社会的进步，越来越多的白领处于一种非常忙碌的状态，很少有时间关心自己的身体健康，导致发现问题时，常常已经到了比较严重的地步。使用智能手环等可穿戴设备对个人健康情况进行监测是解决该问题的一种非常有效的手段。根据目前的传感器种类，在手环上通常集成脉搏传感器、加速度计、地磁传感器等集成芯片传感器。另一方面，可穿戴设备的待机时间对用户体验的影响十分巨大。良好的健康监测能力还需要系统具备较低的功耗，以延长使用时间。同时，还需要具备连接云端服务器的能力。 本项目设计一种低功耗智能手环——健康管家，健康管家能够采集： 1、 用户的心率、脉搏波动幅度； 2、 用户每天的步数以及里程； 3、 能够将数据通过手机蓝牙上传至云端服务器，并且能够在手环本地存储数据； 4、 使用低功耗器件，延长手环充电间隔。
2 总体设计本项目的系统总体设计如Figure1所示，主控器采用国产乐鑫双核MCU，该芯片最高主频240MHz，采用系统级封装技术，片上集成40MHz晶振和2MB Flash以及部分天线滤波电路。利用官方提供的IOT DevelopmentFirmware可以实现WiFi以及低功耗蓝牙等功能。MCU将所采集的数据进行处理后，通过蓝牙或者WiFi上传至云端。所设想的网络云端服务器具有健康人群数据分析能力，可提早预警健康问题。
传感器部分采用罗姆半导体集成传感器芯片，此类芯片具有业界最低功耗的突出优势。 脉搏传感器BH1790GLC作为一款光学类传感器芯片，自带LED驱动器以及绿光监测光电二极管，具有优秀的降低环境光干扰的能力。此外，芯片本身在工作时仅消耗200μA的电流。 加速度传感器KX224-1053是罗姆半导体旗下公司Kionix所生产的高精度集成传感器芯片，自带大容量FIFO，高精度模式下电流消耗约145μA，低精度模式下低至10μA。用于进行加速度测量，并推算步数以及里程。 3轴地磁传感器BM1422AGMV用于为加速度传感器提供方向基准，电流消耗低至150μA。 环境照度接近传感器用于测量环境亮度，并根据接近传感器数据切换工作模式，以降低系统功耗。所有芯片在间隔时间内，均处于低功耗状态。 电源管理部分时系统的关键部分之一。设计采用了锂电池作为系统能源，使用BQ24072作为电源路径管理；为了最小化电源部分在PCB上的占用面积，使用XC6203进行3.3V稳压。
3 电路设计3.1 电源管理部分采用TI公司BQ24072芯片，该芯片能够实现电源路径切换、锂电池充电、充电状态监测等功能，非常适合用于低功耗可穿戴设备。
4 实物图本项目利用罗姆官方提供的开发模组以及ESP32-PICO-D4模组进行原型系统开发，限于时间以及技术水平，仅完成了脉搏心率部分以及电子墨水屏显示驱动部分。整个系统的实物图如所示。
5 关键代码在优化心率传感器过程中发现，所测得心率值总是偏大，通过对官方的算法进行分析后发现，由于ESP32在处理心率数据时，会导致采样时间因子由0.031250s增加至0.040000s。因此，加入时间测量代码，修正采样时间因子。
Figure 6．心率计算函数中利用实际时间间隔进行计算 未来个人医疗以及生活的发展将极大的提高对可穿戴设备的需求，也就是微型传感器的需求，这种需求将覆盖多种场合，从城市生活到野外探险。智能可穿戴设备将成为人类生活尤其是医疗健康领域中必不可少的助手。同时，对于用户健康数据的监测以及分析也将诞生一系列的分区增值服务。 限于时间以及技术能力，该项目目前仅实现了电子墨水屏以及心率传感器部分的研制。但从实测结果来看，罗姆脉搏传感器及其官方算法性能强劲，能够准确计算出设计中加入的正弦样例波形的频率。此外，能够同时实现手指心率监测和手腕心率监测。
下一步计划： 1、目前的ESP32的程序采用FreeRTOS开发，在时间片区分配上有待优化； 2、电子墨水屏的驱动过于耗时，需要优化驱动程序； 3、心率监测数据的处理比较耗时，需进一步优化算法结构； 4、加速度以及地磁传感器的算法设计；
---------------------------------------- 附件说明： 1、系统采用ESP32的idf固件进行开发，利用cmake进行编译，主函数文件为E_ink.c。
_Rohm_Watch_20191112.zip
(429.03 KB, 下载次数: 0)
| 
/3 
发表于 2019-11-15 15:25:47
