摘 要： 智能手環(huán)作為一款穿戴式的電子產(chǎn)品，制約其發(fā)展的最大因素是待機(jī)時間和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文采用TI公司的MSP430F5529 16位超低功耗單片機(jī)為主控制器，在其上移植μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)后改進(jìn)了計步算法。實驗測試了手環(huán)的待機(jī)功耗和手環(huán)計步的精確度，通過與目前市場上其他主流產(chǎn)品對比，本文設(shè)計的智能手環(huán)在計步的準(zhǔn)確度與低功耗方面都有顯著提升，有進(jìn)一步研究和推廣的價值。
關(guān)鍵詞： MSP430F5529；智能手環(huán)；超低功耗；μC／OS-Ⅱ
0 引言
智能手環(huán)是一種穿戴式智能設(shè)備，其最基本的功能是計步和睡眠質(zhì)量追蹤，而這兩個最基本的數(shù)據(jù)都是依靠手環(huán)中的加速度傳感器來測量的。加入用戶身高、體重、年齡等數(shù)值后通過軟件計算可得出消耗熱量[1-3]、行走距離、睡眠質(zhì)量[4]等其他數(shù)據(jù)。目前其困境主要來源兩個方面，一方面是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，計步的原理是根據(jù)人行走時擺臂產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)來統(tǒng)計步數(shù)，如何屏蔽非行走時擺臂產(chǎn)生的干擾是計步算法的一大難點，而僅依靠睡眠時手臂產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)，以多導(dǎo)睡眠圖（包含腦電圖、心電圖、肌電圖等10多種生理信號）的標(biāo)準(zhǔn)來衡量睡眠質(zhì)量不夠科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)，只能作為一種參考；另一方面智能手環(huán)的待機(jī)時間也是制約其發(fā)展的一大因素，在供電電池電量受體積所限的情況下必須降低系統(tǒng)功耗達(dá)到延長待機(jī)的目的。本文設(shè)計的智能手環(huán)特點在于采用了TI公司的MSP430超低功耗單片機(jī)為主控制器，在其上移植了μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，完成了整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并根據(jù)反復(fù)測試的實驗數(shù)據(jù)設(shè)計了精確度更高的計步算法。
1 硬件設(shè)計
本文將系統(tǒng)硬件部分劃分為三個模塊：系統(tǒng)主模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。顯示模塊選用ST公司的STM8L101K3經(jīng)濟(jì)型單片機(jī)驅(qū)動的19×5字母LED點陣顯示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信模塊選用CC2541的低功耗藍(lán)牙芯片，完成與IOS或ANDROID設(shè)備通信。系統(tǒng)主模塊主要由LIS3DH傳感器、BQ2423電源管理模塊和MSP430F5529單片機(jī)組成。
系統(tǒng)選擇MSP430F5529單片機(jī)為主控制器，其主要優(yōu)勢如下：
（1）低功耗。MSP430F5529主要用到2種功耗模式，一是激活模式（AM），其功耗為270 μA/MHz（8 MHz， 3.0 V）；二是待機(jī)模式（LPM3），功耗為2.1 μA（3.0 V）。
?。?）高性價比。MSP430F5529片內(nèi)有4個通用串行通信接口，128 KB的閃存，8 KB的SRAM，支持SPI、I2C、UART，在滿足本系統(tǒng)應(yīng)用的情況下MSP430F5529擁有最低的價格。
2 LIS3DH傳感器
LIS3DH是ST公司出品的一款低功耗三軸加速度芯片，其有自動休眠的功能，本系統(tǒng)中如果20 s內(nèi)傳感器沒有檢測到任何加速度的變化則自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)加速度變化時LIS3DH會被喚醒。內(nèi)置有96級的FIFO可以作為數(shù)據(jù)緩存存儲32組XYZ軸的加速度數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO溢出時會產(chǎn)生一個中斷輸出，將中斷輸出映射到MSP430F5529單片機(jī)的外部中斷源上能將430單片機(jī)從待機(jī)模式喚醒讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，緩存的存在能使430單片機(jī)一次連續(xù)讀取32組的數(shù)據(jù)，相比一次讀取一組數(shù)據(jù)的方式能讓430單片機(jī)更多時間處于待機(jī)模式。LIS3DH芯片本身支持 SPI或者I2C兩種接口，本系統(tǒng)選擇SPI，其具體外圍電路如圖2所示。數(shù)字IO的供電雖然與芯片加速度部分的供電電壓相等，但必需保證IO部分先于加速度部分工作，否則芯片的初始化會有問題，因此加速度部分供電引腳VDD相比數(shù)字IO供電引腳VDD_IO另外并聯(lián)了一個大電容以保證VDD_IO足夠的上電時間。
3 系統(tǒng)程序設(shè)計
3.1 移植μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)
μC／OS-Ⅱ是一種采用優(yōu)先級搶占式調(diào)度方案的實時操作系統(tǒng)，經(jīng)過多年研究已經(jīng)成功移植到多種MSP430系列的單片機(jī)中。本系統(tǒng)在MSP430F5529上成功移植了μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)，移植的關(guān)鍵部分是根據(jù)MSP430F5529處理器內(nèi)核修改OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C三個文件中的代碼。
?。?）OS_CPU.H文件編寫
根據(jù)MSP430F5529的內(nèi)核重新定義數(shù)據(jù)類型，不同內(nèi)核的控制器字長不同，μC／OS-Ⅱ移植包括各種數(shù)據(jù)類型、開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏定義，以及堆棧增長方向和一些常量標(biāo)識聲明。
?。?）OS_CPU_A.ASM文件編寫
在OS_CPU_A.ASM文件中需要用匯編語言修改4個函數(shù)：OSStartHighRdy（），由OSStart（）函數(shù)調(diào)用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)；OSCtxSw（），是一個任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)，調(diào)用該函數(shù)可能造成系統(tǒng)任務(wù)重新調(diào)度；OSIntCtxSw（），中斷級的任務(wù)切換函數(shù)；OSTickISR（），提供一個定時Tick。
?。?）OS_CPU_C.C文件編寫
在OS_CPU_C.C文件中需要改寫6個函數(shù)，實際需要修改的只有OSTaskStkInit（）函數(shù)，其余5個函數(shù)只需聲明。OSTaskStkInit（）函數(shù)由OSTaskCreate（）函數(shù)和OSTaskCreateExt（）函數(shù)調(diào)用，用來初始化任務(wù)的堆棧。其代碼編寫如下：
OS_STK*OSTaskStkInit（void（*task）（void*pd），void*p_arg，OS_STK*ptos，INT16U opt）
{
INT16U *top；
opt=opt；
top=（INT16U*）ptos；
top--；
*top=（INT16U）（（（INT32U）task）&0xffff）；
top--；
*top=（INT16U）（（（（INT32U）task）&0x000f0000）>>4）；
*top|=（INT16U）0x0008；
top--；
*top=（INT16U）0x0404；
top--；
*top=（INT16U）0x0505；
top--；
*top=（INT16U）0x0606；
top--；
*top=（INT16U）0x0707；
top--；
*top=（INT16U）0x0808；
top--；
*top=（INT16U）0x0909；
top--；
*top=（INT16U）0x1010；
top--；
*top=（INT16U）0x1111；
top--；
*top=（INT16U）p_arg；
top--；
*top=（INT16U）0x1313；
top--；
*top=（INT16U）0x1414；
top--；
*top=（INT16U）0x1515；
return（（OS_STK*）top）；
}
3.2 任務(wù)設(shè)計
智能手環(huán)的應(yīng)用非常強(qiáng)調(diào)低功耗特性。MSP430系列[4]的特點也在于此。如果由于運行μC／OS-Ⅱ而破壞了單片機(jī)的低功耗特性是得不償失的。在整個系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計一個最低優(yōu)先級的任務(wù)Task_EnterLPM3（），其作用就是使系統(tǒng)進(jìn)入LPM3的待機(jī)模式。這樣，在其他高優(yōu)先級的任務(wù)都運行完畢后，系統(tǒng)會調(diào)用這個任務(wù)使整個系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作模式，當(dāng)其他任務(wù)又恢復(fù)運行時，會自動進(jìn)入其特定的工作狀態(tài)，以達(dá)到降低功耗的目的。
當(dāng)MSP430F5529在完成對各模塊的初始化和任務(wù)的創(chuàng)建后就調(diào)用OSStart（）函數(shù)，此時系統(tǒng)任務(wù)由μC／OS-Ⅱ進(jìn)行調(diào)度，開始Task_EnterLPM3（）任務(wù)處于就緒態(tài)，其余所有任務(wù)都掛起，MCU進(jìn)入LPM3的待機(jī)模式，通過系統(tǒng)中斷，在中斷服務(wù)程序中將對應(yīng)任務(wù)喚醒成就緒態(tài)，其他任務(wù)按優(yōu)先級的高低搶占CPU運行，運行完后再次掛起[5]。
本系統(tǒng)中斷和任務(wù)主要設(shè)計了以下幾種：
?。?）MCU內(nèi)部RTC的定時中斷（alarm interrupt），當(dāng)RTC時鐘走到定時時間觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中喚醒定時任務(wù)，任務(wù)函數(shù)震動馬達(dá)，達(dá)到無聲喚醒的鬧鐘功能。
?。?）MCU內(nèi)部的RTC的時鐘時間事件中斷（clock time event interrupt），當(dāng)RTC時鐘走到第二天0時觸發(fā)時鐘時間事件中斷，同上，當(dāng)任務(wù)函數(shù)獲取CPU后將當(dāng)天測得的步數(shù)、卡路里消耗、睡眠質(zhì)量等數(shù)據(jù)自動存入MCU片內(nèi)SRAM中。
?。?）LIS3DH內(nèi)部FIFO溢出中斷，任務(wù)函數(shù)喚醒MCU處理FIFO中的加速度數(shù)據(jù)。
?。?）CC2541藍(lán)牙模塊接收到手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，觸發(fā)UARTRX中斷，任務(wù)函數(shù)根據(jù)不同的發(fā)送數(shù)據(jù)完成不同的操作，如進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，或修改內(nèi)部的參數(shù)（身高、體重、步長、時間、鬧鐘等）。
?。?）按鍵中斷，任務(wù)函數(shù)根據(jù)按鍵的時間、次數(shù)進(jìn)行復(fù)位，在LED點陣上顯示數(shù)據(jù)，開關(guān)藍(lán)牙等操作。
本系統(tǒng)程序在μC／OS-Ⅱ調(diào)度下的流程圖如下圖3所示。
4 計步算法
智能手環(huán)的一大重要功能就是計步，而計步的準(zhǔn)確性除依賴高精度的傳感器外，還需要復(fù)雜的軟件算法來實現(xiàn)，本文參考多次測試的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行算法的分析設(shè)計。
行走時產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)波形是周期性的類正弦波[6]，具有周期性且運動步數(shù)與正弦波數(shù)一致，在經(jīng)濾波[7]處理后的加速度數(shù)據(jù)中尋找波峰，當(dāng)出現(xiàn)一對波峰時，判斷是否滿足三個條件：一是兩個波峰的時間間隔是否在時間窗口內(nèi)；二是局部最值之差是否滿足軟件設(shè)置的閾值；三是系統(tǒng)是否處于計步確認(rèn)模式。如上述條件都滿足則步數(shù)加一，流程圖如圖4所示。
每秒行走的步數(shù)在[2，5]區(qū)間內(nèi)，第一個條件的時間窗口定義了人行走一步所需的最短和最長時間，不滿足就不計步。不同的運動形式（如打字時手臂的微小晃動與步行時手臂的擺動）產(chǎn)生的運動沖擊力不同，從而導(dǎo)致加速度幅度變化不同，第二個條件中加速度的局部最大最小值之差[8]可以反映正弦波形的幅度大小，通過其與閾值進(jìn)行比較可以判斷人是否處于行走狀態(tài)。為判斷LIS3DH傳感器檢測到的加速度是真正的步行還是偶爾的擾動所致，第三個條件中設(shè)計兩個工作狀態(tài)：搜索模式和確認(rèn)模式[8-9]，系統(tǒng)最初處于搜索模式，此時檢測到的步數(shù)計入緩存，若計入緩存的步數(shù)大于兩步則進(jìn)入確認(rèn)模式，開始正常計步并將之前緩存中的步數(shù)加上；系統(tǒng)處于確認(rèn)模式時，若出現(xiàn)不滿足條件的情形，如數(shù)據(jù)波峰間隔不在時間窗口內(nèi)則退出計步，進(jìn)入搜索模式重新搜索。
5 測試
按照前面智能手環(huán)的軟硬件設(shè)計完成實驗?zāi)Ｐ偷拇罱?，選用TI公司的MSP-EXP430F5529LP評估板外接上傳感器模塊、藍(lán)牙模塊和顯示模塊，用3.7 V的鋰電池為系統(tǒng)供電，使用藍(lán)牙助手APK驗證藍(lán)牙模塊與手機(jī)通信的連通性，實際模型如圖5所示。
為檢測手環(huán)測量數(shù)據(jù)的精確性與系統(tǒng)的低功耗是否達(dá)到預(yù)期的效果，分別對系統(tǒng)計步的精確度與待機(jī)功耗做了合理的測試。表1是A、B、C、D四名被測試者將實驗?zāi)Ｐ徒壴谑滞笊系挠嫴綔y試結(jié)果，檢測步數(shù)是模型的顯示結(jié)果，實際步數(shù)是兩名旁觀者口頭計數(shù)的平均值。
因為智能手環(huán)在實際使用中藍(lán)牙和顯示模塊不需要經(jīng)常開啟，測量實驗?zāi)Ｐ偷拇龣C(jī)（關(guān)閉藍(lán)牙和顯示模塊）功耗能反應(yīng)系統(tǒng)在電池供電下實際運行時間。如下表2是兩名被測試者（A和B）在一星期內(nèi)使用手環(huán)（關(guān)閉藍(lán)牙和顯示模塊）電池電量的消耗情況，電池電量為90 mAh。
6總結(jié)
本次試驗在構(gòu)建智能手環(huán)軟硬件系統(tǒng)方面探討了如何降低整個系統(tǒng)的功耗，并最終選擇了以MSP430F5529為主控制器移植μC／OS-Ⅱ的設(shè)計方案，16位的MSP430單片機(jī)兼顧了性能與低功耗的特點，相比目前電池容量40 mAh、普遍待機(jī)7~10天的智能手環(huán)產(chǎn)品，本系統(tǒng)在同等電池容量40 mAh下能將待機(jī)時間延長至15~20天，且在計步方面有更高的精確度，有進(jìn)一步研究的意義與價值。
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