一種教學用藍牙手環結構及其快速計步算法的設計

摘要：為了提升高職信息類專業的教學質量，創新實訓載體，提出一種服務于職業教育的基于CC2541低功耗藍牙芯片的智能可穿戴手環系統，并對于計步算法和噪聲濾波算法進行了設計，同時利用藍牙通信方式實現了與Android手機通信。通過開放協議，在手機端app發送指令，實現控制手環震動、同步時間、讀取和設置計步數據、讀取實時加速度傳感器數據、創意性增加手環字符串顯示等并在手機app端顯示出來，在移動互聯技術應用開發的教學領域具有一定推廣價值。

關鍵詞：職業教育;可穿戴手環;計步算法優化

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）34-0082-03

本文提出了以智能可穿戴設備為載體，以其承載的嵌入式、開放協議的軟件分析與優化、應用層移動APP的開發為重點的實訓教學模式并加以實踐，力求使學生在掌握移動應用開發的技能的同時，又具備一定的產品設計概念，從而增強學生在職場上的競爭力，創新出一種新的實訓教學模式。智能手環是智能可穿戴設備的典型產品，考慮到職業教育的特點，提出了一種低成本、低功耗、以CC4521藍牙芯片和意法半導體llis3dh傳感器模塊為核心的藍牙教學手環，同時在嵌入層代碼開放協議，使學生可以通過手機APP控制手環的絕大部分功能，提升學生興趣和教學質量。

1 手環結構圖

結合本教學手環的功能要求，該系統的整體架構如圖1所示。

可以從圖中看出其中比較耗電的是LED模塊及馬達模塊。

2 藍牙模塊

藍牙模塊結合系統的低功耗需求，選擇德州儀器TI的CC2541芯片。該型號是一款低功耗以及2.4GHz的功率優化片載系統解決方案[1]。具有出色的RF收發器，內核是可編程的8051MCU、具有8KB容量大小的RAM相連，從而使其具有功能強大、低功耗等特點。其結構如圖2所示。

3 加速度傳感器模塊

選用意法半導體llis3dh三軸高分辨率加速度計芯片。該芯片能夠測量加速度的輸出數據速率為3.125Hz-1.6kHz。支持nciSPI數字輸出接口，寬電源電壓1.71V-3.6V。如圖3所示。

4 計步算法及其優化設計

使用嵌入式集成軟件環境IAR Embedded Workbench，它提供了一個框架，并適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，它為用戶提供一個易學和具有最大量代碼繼承能力的開發環境、對大多數和特殊目標的支持[2]。嵌入式IAREm-bedded Workbench有效提高了用戶的工作效率，IAR集成了許多種處理器，在建立工程后必須對工程進行設置才能夠開發出相應的程序。加載TI的BLE-CC254x-1.3.2藍牙4.OBLE協議棧后，可以看到該框架的結構及本教學手環的底層程序，其中協議棧用于射頻數據收發。應用程序用于用戶的指令執行，本教學手環開發的應用程序主要為：

1）射頻鏈路控制，控制藍牙廣播、連接和斷開、數據收發等。

2）數據處理，對藍牙射頻從手機端接收的數據進行解析和處理，執行相應指令，如馬達震動、屏幕顯示等。

3）手環功能支持，如讀取傳感器數值、刷新屏幕顯示、電量管理等。

其中saAcceIMeter.c文件是三軸加速度應用程序，計算步數的基本原理是：當人體行走時，垂直加速度與水平加速度呈周期性變化。邁步時，垂直加速度減小，水平加速度增加。收腳時，垂直加速度增加，水平加速度減小。勻速跑步理想狀態下垂直加速度和前進加速度與時間大致是一個正弦曲線[3]，且在某一點有一個峰值，其中垂直方向的加速度變化最大，以上是一種人體運動的理想狀態，如圖5所示：

但是針對手環設備，運動方向不是只有兩個方向，現采用x-y-z三軸加速度測量方法解決手環設備的計步功能，方法是：

1）記錄x-y-z三個方向的運動矢量長度，形成一條運動曲線。

2）均值濾波去干擾，然后選取計算軸，然后判斷是否大于閾值，小于閾值，則返回重新獲取加速度。大于閡值則判斷時間窗，如果在時間窗外，則返回重新獲取加速度。如果在時間窗內，則步數加1。

3）更新閾值，以防人為或者不合法運動步數的累計。比如人體最快跑步頻率為SHz，則兩步之間的時間間隔大于0.2s，可去高頻步數。

4）判斷電量，如果電量低，則程序結束，否則返回重新獲取加速度。

整個計步及濾波的流程如圖6所示：

考慮到職業教育的教學對象和教學效果，本手環在計步去干擾時采用了響應最快的均值濾波，其原理是對待處理的當前像素，選擇一個模板，該模板為其鄰近的若干個像素組成，用模板的均值來替代原像素的值的方法[4-5]。

此算法去除干擾信號使用均值濾波，優點是簡潔有效，適用于運動幅度變化較為劇烈的場景，比如從快跑變成慢跑等情況，計算步頻的閾值只與上次運動數據的特征（極值）有關，而與之前的運動數據特征無關，相較于常見的運動手環而言，采取開放協議，使所有手環硬件的功能都可以通過手機APP來控制，而一般能夠與手機APP互動的商業手環最多設置1-2個控制功能。

5 系統測試

為驗證該手環設計方案的準確性，選6人對其在1分鐘內的步數進行統計，得到如表1所示的測試結果。

通過利用Android應用開發技術進行開發，可以得到如圖8所示的APP開發界面及運動曲線圖。

6 結束語

該手環設計以提高學生開發app的興趣為目的，由此設計如下特色功能。

1）控制協議開放，可以通過編寫手機app，發送指令，實現控制手環震動、同步時間、讀取和設置計步數據、讀取實時加速度傳感器數據、重命名手環等功能。

2）創意性增加字符串顯示。可通過app發送任意字符串，顯示在手環屏幕上，且可設置多種文字滾屏方式。

3）圖形顯示，通過app發送圖片至手環，顯示在手環屏幕上，手環更具個性化。

通過以上特色功能，學生可以自行編程，讀取手環數據和控制手環顯示，通過程序個性化設置自己的手環，熟悉手機藍牙4.0的應用開發的同時，直接看到自己app作品的藍牙控制效果，學有所用，真正體會到物聯網中萬物互聯、無線控制的樂趣。

參考文獻：

[1]鐘晨.基于單片機技術的可穿戴智能手環設計[J].微處理機，2017，38（3）：75-78.

[2] IAR Systems; IAR Embedded Workbench Supports RenesasGraphics Library for Automotive Instrument Cluster Develop-ment[J]. Electronics Business Journal，2016.

[3] Tencent CDC[EB/OL]. https：//cdc.tencent.com/2013/07/26.

[4]彭姝姝，基于均值濾波和小波變換的圖像去噪[J].現代計算機，2019（12）：62-67.

[5]陳銀溢.基于CC2541和LIS3DSH的計步器設計[J].機械工程與自動化，2014（6）：96-98.

【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2019-09-26

作者簡介：王彤（1968-），男，陜西安康人，副教授，工程碩士，主要研究方向為軟件技術、專項信息系統開發、數字圖像處理及模式識別領域。