基于CC3200的可穿戴計步器的設計

何楓 楊鳳年 何文德 黃浩嵐

【摘 要】設計了采用鋰電池供電的可穿戴計步器，以CC3200作為微控制器，將加速度傳感器ADXL345采集到的加速度值進行處理得到用戶運動步數，并在液晶屏上顯示實時時間、步數和運動時長，還可通過Wi-Fi將步數和運動時長上傳到指定的云平臺進行統計分析。

【關鍵詞】計步器;CC3200;ADXL345

中圖分類號： R197.39 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.007

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對身體健康的關注程度也日益提高。散步是人們日常生活中一種簡單且深受喜愛的運動方式，且不受場地器材的限制，是實施全民健身計劃綱要的有效措施[1];散步能促使血管彈性的增加，特別是腿的持續運動，可促使更多的血液回到心臟，有利于改善血液循環，提高心臟的工作效率。散步作為一項健身運動，與其他運動一樣，對不同的群體有不同的運動量要求，要準確掌握散步的運動量，必須有相應的計量設備。

可穿戴計步器是方便有效的步行運動量計量設備，通過統計用戶行走步數、距離、速度、時長等數據來掌握其運動量，實現運動里程，能量消耗，心率測評等相關數據的監測，有助于防止運動不足或是運動過量。若能將運動信息通過無線網絡發送到相應的云平臺，進行運動信息的統計、分析，然后通過智能手機向用戶給出運動、飲食等方面的健康提示，將大大提高計步器的實用價值。因此，設計一款具備無線通信功能的可穿戴計步器，能更好地滿足人們對運動健康信息掌握的渴求。

1 總體方案設計

本計步器主要包含電源管理模塊、微控制器、加速度傳感器模塊、存儲器模塊、Wi-Fi模塊和液晶顯示器（LCD）模塊等。它通過微控制器采集三軸加速度傳感器獲取的加速度值，配合適當的計步算法獲得用戶的運動步數和時長等信息，并在LCD上顯示當天的運動信息和實時時間，且利用Wi-Fi將這些信息發送到指定的云平臺。此外，若微處理器內部沒有集成用于存儲應用程序的存儲器，系統就需要外接Flash來存儲應用程序。系統主要功能模塊如圖1所示。

計步算法包括以下三部分：

運動曲線獲取：通過計算三軸加速度傳感器的三個加速度的矢量長度，可以獲得步行者運動時類似正弦波的運動曲線。

峰值檢測：利用記錄的上次矢量長度和運動方向，通過矢量長度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進行比較。如果是相反的，即是剛過峰值狀態，則進入計步邏輯進行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數累加，可得到用戶行走的步數。

去干擾：人體最快的跑步頻率為5HZ，即相鄰兩步的時間間隔的至少大于0.2秒。手持設備會有一些低幅度和快速的抽動狀態，俗稱手抖，或者某個惡作劇用戶想通過短時快速反復搖動設備來模擬人走路，這些干擾數據可以通過給檢測曲線加上閥值和步頻判斷來過濾剔除。

2 計步器硬件設計

計步器的硬件包括：含微控制器和Wi-Fi模塊CC3200芯片及其Wi-Fi濾波器與天線、三軸加速度傳感器ADXL345、LCD、串行閃存（S-Flash）、LED指示燈、按鍵、蜂鳴器、鋰電池及其充電電路、低壓差線性穩壓器（LDO）電路。此外，還要考慮開發調試及通過USB轉串口燒錄用戶程序到S-Flash中，設計樣機階段必須有USB和JTAG接口。計步器的硬件組成如圖2所示。

2.1 微處理器與WiFi模塊的選擇

計步器作為可穿戴設備，必須做到體積小、功耗低，性能穩定，因此本課題著重考慮功耗低、穩定性好、集成度高的微控制器芯片。CC3200是TI公司推出的一款針對物聯網應用、集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的單片無線MCU，無線信號經過2.4GHz的帶通濾波器以及阻抗匹配網絡后通過天線發送出去，方便用戶能夠用單個集成電路實現物聯網應用開發[2]。借助片上Wi-Fi、互聯網和穩健耐用的安全協議，用戶無需Wi-Fi開發經驗即可實現快速開發。

CC3200采用易于布局布線的四方扁平無引線（QFN）封裝。其應用MCU子系統包含一個運行頻率為80MHz的ARM Cortex-M4內核。該器件還包含多種外設，其中包括GPIO、UART、SPI、IIC和四通道模數轉換器。還包括用于代碼和數據的靈活嵌入式RAM，以及具有外部串行閃存引導加載程序和外設驅動程序的ROM。

CC3200支持訪問點（STA）、基站（AP）和Wi-Fi直接（P2P）模式。本文中CC3200工作在STA模式，因此計步器只能通過無線路由器實現與云平臺的數據通信。

2.2 加速度傳感器的選擇

ADXL345是ADI公司推出的基于iMEMS技術的小巧纖薄低功耗三軸數字輸出加速度傳感器，適合應用于移動設備[3]。它可以對高達±16g的加速度進行13位分辨率測量。數字輸出為16位二進制補碼格式，可通過SPI或者IIC接口訪問，適合移動應用場景。

2.3 處理器外圍電路設計

系統采用充電電流最高1A的線性鋰電池充電芯片TP4056對2000 mAh鋰電池進行充電管理。CC3200通過定時器中斷的方式對ADC輸入鋰電池輸出電壓進行定時采樣，當電壓低于3.7V時蜂鳴器發出告警聲并自動關機。并采用適用于鋰電池供電且低成本的LDO芯片RT9013-33為系統提供3.3V電源，通過其EN引腳可實現軟件自動關機和按鍵開關機功能[4]。

3 計步器軟件設計

3.1 低功耗設計

為了使計步器更省電，必須在無運動狀態下使CC3200和ADXL345運行在睡眠狀態。CC3200內置的Cortex M4內核支持低功耗深度睡眠（LPDS）模式，可在保持網絡連接的同時，提供最優功耗。在該模式下，Cortex M4核及其絕大部分外設都會掉電，丟失狀態和上下文信息，RAM可以有選擇地保留數據。該模式可以被定時器或6個特定的GPIO喚醒。

本文將ADXL345設置為自動休眠模式，并將其Activity、Inactivity中斷源編程分別映射到管腳INT1和INT2，再將以上管腳分別與CC3200的GPIO2和GPIO3相連，用于CC3200的睡眠喚醒和進入睡眠提醒。

INT1連接GPIO2即可實現喚醒，即當用戶開始運動后，ADXL345感應到的加速度值大于最大閾值后，ADXL345從睡眠模式被喚醒，并使INT1輸出高電平且通過與之連接的GPIO2將CC3200喚醒，閾值一般設定為佩戴者抬腕動作所產生的加速度值。當加速度值低于設定閾值且持續一定時長后，INT2輸出高電平且通過與之連接的GPIO3“提醒”CC3200進入LPDS模式。

3.2 主程序設計

進入應用程序的main（）函數后，首先是全系統的初始化，主要包括：ADXL345、S-Flash、RTC、定時器、GPIO、中斷、ADC、SPI、UART、PWM、JTAG和TCP/IP連接初始化;初始化完成后，讀取實時時鐘的值，連再續讀取多個加速度矢量長度后計算出當日步數和運動時長，然后判讀是否到時間0點0分，如果是步數和運動時長清零，若不是，更新LCD顯示的實時時間、運動時長和當日步數;判斷是否有Wi-Fi，若有Wi-Fi就按規定的時間間隔將步數上傳到指定云平臺;查詢GPIO3，若為高電平則準備進入LPDS模式;進入LPDS模式后，僅當GPIO2有高電平輸入時，CC3200才被喚醒重新進入正常工作模式。

4 結語

本文提出了一種可穿戴計步器的設計方案，采用集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的單片無線MCU CC3200完成運動信息處理和無線通信功能，提高了開發效率、降低了產品體積。充分利用CC3200和ADXL345二者良好的電源管理特性，結合軟件設計中采用的較高效的電源管理措施，實現了可穿戴設備軟硬件協同設計中的低功耗目標。系統實現了實時時間、運動步數和運動時長顯示，以及運動信息上傳到云平臺，借助于智能手機APP，用戶可實現個人運動信息統計分析和圖表展示，還可獲得來自云平臺個性化推送的運動健康飲食等方面的參考建議信息，增強了產品實用性，是計步器設計的有益嘗試。

【參考文獻】

[1]黃紅梅，劉永暉.散步對中老年高級知識分子心臟功能影響的追蹤分析[J].體育科學研究，2004，8（4）：41-44.

[2]Taxas Instruments.CC3100/CC3200 SimpleLink？ Wi-Fi？ and Interneton a Chip Users Guide[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/ swru368a/swru368a.pdf，2015.

[3]孟維國.三軸加速度計ADXL345的特點及其應用[J].電子設計工程，2007，13（11）：23-24.

[4]楊鳳年.基于STM32的人體跌倒報警裝置的設計[J].福建電腦，2018，34（2）：31-32.