基于ARM體系的智能手環系統設計

房天奇

摘 要：本文主要討論一種基于ARM體系的智能手環，該手環基于STM32微控制器，實現空氣質量檢測、實時定位、藍牙傳輸及音頻播放的功能。手環的空氣質量檢測功能通過現場采集空氣信息后經過手環的內置處理器進行智能分析。同時，手環可通過開啟GPS模塊，獲得實時位置信息。此外，還可以通過藍牙模塊與PC機的接通實現信息輸入與輸出、系統更新、多平臺控制等功能。

關鍵詞：STM32；手環；藍牙；空氣質量檢測；GPS；智能

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0046-02

對于當今社會上空氣污染嚴重及各種老人兒童走丟等問題，本手環通過GPS、藍牙、空氣質量傳感器等硬件以及相關的軟件設計，使用戶能夠適時了解周圍環境的空氣質量與位置信息。同時，對于建立大范圍內實時實地的空氣質量監測系統有重要意義。

1 手環系統總體設計

STM32F103系列采用基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，其最高工作頻率可達72MH；其片上集成32-512KB的Flash存儲器和6-64KB的SRAM存儲器；采用2.0-3.3V的電源供電和I/O接口的驅動電壓，上電復位（POR）、掉電復位（PDR）和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振。內嵌出廠前調校的8MHz RC振蕩電路。內部40 kHz的RC振蕩電路、用于CPU時鐘的PLL和帶校準用于RTC的32kHz的晶振；具有3種低功耗模式：休眠、停止和待機模式；具有兩種調試模式：串行調試和JTAG接口；擁有12通道DMA控制器，支持的外設：定時器、ADC、DAC和USART；同時還內置3個12位的us級的16通道A/D轉換器，測量范圍為0-3.3V，兼具雙采樣和保持能力。此外，STM32F103還可擁有最多高達112個的快速I/O端口，而且所有端口都可以映射到16個外部中斷向量。

總的來說STM32F103所具有的特點滿足一款所要求的體積小、重量輕和功能強大的要求。

本設計是以STM32F103微控制器為核心，結合多種外部設備所構成的硬件系統，系統構成如圖1。

STM32作為主控制器，由電源模塊供電，主要用于收集信息、處理信息、協調系統中各個功能的正常運轉。此外，擴充了藍牙模塊、GPS模塊等進行信息采集和傳遞；空氣質量傳感器用于檢測當地的空氣質量狀況，也可以與GPS互聯互通，實現各地的空氣質量信息收集與匯總，可用來建立大范圍內實時實地的空氣質量監測系統；大容量內存用于儲存各種軟件、音頻、臨時數據等。按鍵電路用于設置手環功能、輸入指令；LCD顯示空氣質量、位置坐標、MP3等各項信息；GPS實現手環的即時定位；藍牙模塊用于實現手環與外界的雙向通信。

通過配置相關的外部設備，該系統主要完成3個既定功能，分別為：空氣質量檢測、GPS實時定位和信息傳輸。

空氣質量檢測：由按鍵控制開啟空氣質量檢測功能，通過空氣質量傳感器獲取當前大氣中的空氣質量信息，然后由STM32接收并處理信息，處理后的信息交給LCD屏對外顯示。

信息傳輸：由按鍵控制開啟信息傳輸功能，根據需要發送和接收的不同功能，通過藍牙模塊訪問手環系統和PC。

GPS實時定位：由按鍵控制開啟GPS定位功能，GPS模塊獲取信息并交給軟件處理分析地理信息，處理后的信息交給LCD屏對外顯示。

系統主體程序設計流程如圖2。

2 空氣質量檢測部分設計

空氣質量檢測部分硬件設計流程如圖3。

空氣質量傳感器通過檢測空氣質量獲得一個微弱信號，由于該微弱信號無法被單片機系統直接采集，因此還需要特定的放大電路進行放大。STM32雖然有內置的ADC模塊，但是其能采集的電壓信號范圍為0-3.3V，因此需要對采集放大的信號進行處理，使其滿足STM32的ADC工作需求。經過信號處理電路后，由STN32的ADC進行數據采集，單片機進行數據處理獲得最終的空氣質量的值，最后通過串口發送到LCD屏進行顯示。

空氣質量檢測部分軟件設計流程如圖4。

3 藍牙模塊設計

本系統采用藍牙模塊作為信息傳輸的載體，以完成無線傳輸的各項功能，如圖5。一方面通過與PC的信息獲取和傳遞向系統內部存儲信息或者更新升級；另一方面，將內部的音頻信息發送給配對的藍牙耳機的進行播放。

4 GPS模塊設計

由按鍵控制開啟GPS定位功能，GPS模塊獲取信息并交給軟件處理分析地理信息，處理后的信息交給LCD屏對外顯示。

GPS實時定位軟件設計如圖6。

通過按鍵中斷來開啟GPS定位功能：按鍵觸發后，打開GPS進行初始化，獲取當前所處的位置信息，通過相應算法獲得當前所處位置，再經STM32進行顯示或者發送操作。

5 結語

本手環系統的設計主要針對當前生活中糟糕的空氣質量狀況及日益嚴峻的各種老人兒童走丟現象，通過STM32微控制器以及相關外部設備的搭建實現了空氣質量檢測和實時位置獲取的功能。同時，也可以通過用戶群體來建立大范圍內實時實地的空氣質量監測系統，具有一定的應用價值。

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