智能手環設計方案

唐嘉+何彬彬+郝白東+張李軒+何文達

摘 要

本手環設計本身添加了市面上智能手環的相關功能，能夠實現顯示時間、測量步數、熱量、鬧鐘等功能。因此本設計也適用于普通的使用者，在能夠擁有智能手環的便捷同時。他們也能夠在安靜的環境下進行電話的保密接聽和絲毫不會影響外界地聽自己喜歡音樂。

【關鍵詞】骨傳導 聲音 藍牙 通話 語音識別

手環是一種穿戴式智能設備。通過這款手環，用戶可以記錄日常生活中的步數、熱量等實時數據。

1 功能與指標

電話接聽、掛斷與回撥；通過語音識別指令，控制設備進行音樂播放、暫停、下一首、上一首、音量加減；手環的時間顯示、鬧鐘設定；手環步數計算、熱量計算；手環將聲音通過骨頭傳導的方式收聽

2 實現原理

藍牙通信在手環中是最重要的一部分，同時也是最難的一部分，藍牙通信涉及到通信協議，以及與手機建立連接。藍牙技術是一項新型的無線通信技術，其中藍牙的規范也有很多，藍牙通信是一個完整的通信協議體系，其中覆蓋了射頻、基帶、鏈路控制與管理、語音和數據編碼等技術，包括了完整的OSI參考模型物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層，涉及了IEEE802.3、IEEE802.15和IETF-RFC等許多國際協議標準。

2.1 語音識別原理

語音識別部分能夠很簡單的識別語音命令，實現語音識別功能。可根據應用場景的不同自主配置語音命令列表，極大的拓展了其應用領域。語音識別部分采用非特定人語音識別算法，使用前不需要進行錄音和訓練，不論男女，要求用戶使用的是標準普通話，可以得到最好的識別效果。

2.2 步數計算原理

手環步數計算使用的是MPU6050陀螺儀，陀螺儀通過姿態分解以及計算，通過判斷人體運動的姿勢來記步，記步時采用七步記步法算法記步。然后通過步數來估算人體所消耗的熱量。

2.3 時間顯示原理

時間顯示使用STM32內部集成的RTC時鐘，時鐘通過秒的自動累加來進行計時，將秒數轉換為年、月、日、時、分、秒。通過在學過的C語言算法進行閏年閏月的計算。

RTC是個獨立的定時器。RTC模塊擁有一個連續計數的計數器，在相應的軟件配置下，可以提供時鐘日歷的功能。修改計數器的值可以重新設置當前時間和日期。RTC模塊和時鐘配置系統（RCC_BDCR寄存器）是在后備區域，即在系統復位或從待機模式喚醒后RTC的設置和時間維持不變。但是在系統復位后，會自動禁止訪問后備寄存器和RTC，以防止對后備區域（BKP）的意外寫操作。

RTC核心由一組可編程計數器組成。分兩個主要模塊：

（1）第一個是RTC預分頻模塊，它可以編程產生最長1秒的RTC時間基TR_CLK。如果設置了秒中斷允許位，可以產生秒中斷。

（2）第二個是32位的可編程計數器，可被初始化為當前時間。系統時間按TR_CLK周期累加并與存儲在RTC_ALR寄存器中的可編程時間相比，當匹配時候如果設置了鬧鐘中斷允許位，可以產生鬧鐘中斷。

3 硬件框圖

本次耳語手環的硬件包括了以下部分：MCU核心控制器、MPU姿態傳感器、OLED顯示屏、振動模塊、骨傳導模塊、藍牙、觸摸按鍵、語音識別。

其MCU核心控制器用作主控，通過下載編程的方式來控制其他部分；MPU姿態傳感器用于姿態解析從而計步；OLED顯示屏用于顯示界面的顯示，顯示出步數、時間等；震動模塊用于震動提示，如來電提示；骨傳導模塊用于將音頻信號通過骨頭傳播，從而使得能夠聽見音頻；藍牙用于與手機電腦等設備連接，從而進行通信，盡心來電提示、接通電話、掛斷電話、聽音樂等操控；觸摸按鍵用于屏幕的熄屏喚醒等操作；語音識別則用于識別使用者語音指令，從而進行控制設備，設備所有的操作都能夠通過語音的方式來實現：來電接通電話、掛斷電話、播放音樂等操作。

4 軟件流程圖

本設計的程序方便主要包括兩三個部分，其一為手環的基礎功能，其二為手機通話功能，其三為現場轉化功能。

第一部分為基礎功能，主要為系統的初始化和對時間、步數、熱量等的記錄。首先系統進行一系列初始化，如STM32、MPU6050和藍牙模塊的運行監測，當硬件初始化通過時，藍牙模塊開始建立與手機之間的匹配直至成功，隨后系統開始記錄時間等相關數據的記錄，當確定進入運動狀態時，開始記錄步數，并由OLED 依次顯示。

第二部分為手機通話功能，當手機發出通話請求時，藍牙會接受信號隨后手環開始震動以提示用戶并等待通話確認，當使用者通過安檢或者語音命令確認完成之后，便可以直接開始通話，使用者將手指放到耳朵附近的頜骨處，聲音變換為震動，從手腕到手指再到頜骨，而手環背部的咪頭則能記錄使用者的話語，并通過藍牙傳遞給手機。由此便完成接聽和對話。當使用者再次按下按鍵或者使用語音命令時，通話便可結束。

第三部分為現場轉化功能，該功能的主要目的是解決耳聾患者在與人現場交流時的困難，開啟該功能需要長按手環上的按鍵便向MCU發送交談轉換請求，隨后咪頭接收語音信號并將引號轉化為震動，由此使用者便能通過手環將原本無法聽到的聲音信號由骨傳導聽到。直到下一次長按按鍵之后，結束轉換。

5 結論

作品制作用時將近半年時間，本作品以智能手環為基礎，通過藍牙建立無線連接方式，藍牙部分是重點也是難點部分，涉及到復雜的藍牙協議，與手機的配對方法以及如何將手機的來電信息識別并且輔助手機進行電話的接聽。由于考慮手環體積小使用方便座椅沒有采用按鍵，直接使用語音識別芯片進行語音指令控制電話的接聽與掛斷、音樂的播放與暫停、音樂的換曲以及音量的調節。然后就是步數的計算通過使用陀螺儀將陀螺儀放在手上，通過判斷手腕的姿勢以及加速度進行步數的計算。以上功能基本是所有手環都具有的功能，我們所做的手環的亮點在于，我們將骨傳導與智能手環結合到了一起，首次采用了手環的骨傳聲概念相結合。我們通過采用骨傳導的方式改變了手環接聽電話聲音的傳播路徑，將傳統的聲音接聽轉換成了骨頭傳聲，既給用戶帶來了便利又提高了聲音的傳輸效率。

參考文獻

[1]張燕.骨傳導技術及在消防領域中的應用[J].硅谷，2010（17）.

[2]孫景陽，程光明，吳博達，溫建明，曾平.基于圓形壓電振子的骨傳導聽覺裝置[J].吉林大學學報（工學版），2010（01）.

作者單位

黑龍江科技大學電子與信息工程學院 黑龍江省哈爾濱市 150022endprint