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(shí)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(jì)步算法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了手環(huán)的待機(jī)功耗和手環(huán)計(jì)步的精確度，通過(guò)與目前市場(chǎng)上其他主流產(chǎn)品對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的智能手環(huán)在計(jì)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(jià)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(jì)步和睡眠質(zhì)量追蹤，而這兩個(gè)最基本的數(shù)據(jù)都是依靠手環(huán)中的加速度傳感器來(lái)測(cè)量的。加入用戶身高、體重、年齡等數(shù)值后通過(guò)軟件計(jì)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(lái)源兩個(gè)方面，一方面是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，計(jì)步的原理是根據(jù)人行走時(shí)擺臂產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)步數(shù)，如何屏蔽非行走時(shí)擺臂產(chǎn)生的干擾是計(jì)步算法的一大難點(diǎn)，而僅依靠睡眠時(shí)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(hào)）的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(shí)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(zhǎng)待機(jī)的目的。本文設(shè)計(jì)的智能手環(huán)特點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并根據(jù)反復(fù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了精確度更高的計(jì)步算法。
1 硬件設(shè)計(jì)
本文將系統(tǒng)硬件部分劃分為三個(gè)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(dòng)的19×5字母LED點(diǎn)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(shì)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(jià)比。MSP430F5529片內(nèi)有4個(gè)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(jià)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(dòng)休眠的功能，本系統(tǒng)中如果20 s內(nèi)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到任何加速度的變化則自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)加速度變化時(shí)LIS3DH會(huì)被喚醒。內(nèi)置有96級(jí)的FIFO可以作為數(shù)據(jù)緩存存儲(chǔ)32組XYZ軸的加速度數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO溢出時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shí)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(huì)有問(wèn)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(gè)大電容以保證VDD_IO足夠的上電時(shí)間。
3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
3.1 移植μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)
μC／OS-Ⅱ是一種采用優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度方案的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)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(gè)文件中的代碼。
?。?）OS_CPU.H文件編寫(xiě)
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(zhǎng)不同，μC／OS-Ⅱ移植包括各種數(shù)據(jù)類型、開(kāi)關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏定義，以及堆棧增長(zhǎng)方向和一些常量標(biāo)識(shí)聲明。
?。?）OS_CPU_A.ASM文件編寫(xiě)
在OS_CPU_A.ASM文件中需要用匯編語(yǔ)言修改4個(gè)函數(shù)：OSStartHighRdy（），由OSStart（）函數(shù)調(diào)用，功能是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)；OSCtxSw（），是一個(gè)任務(wù)級(jí)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(jí)的任務(wù)切換函數(shù)；OSTickISR（），提供一個(gè)定時(shí)Tick。
?。?）OS_CPU_C.C文件編寫(xiě)
在OS_CPU_C.C文件中需要改寫(xiě)6個(gè)函數(shù)，實(shí)際需要修改的只有OSTaskStkInit（）函數(shù)，其余5個(gè)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(lái)初始化任務(wù)的堆棧。其代碼編寫(xiě)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(jì)
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(diǎn)也在于此。如果由于運(yùn)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)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(jí)的任務(wù)都運(yùn)行完畢后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用這個(gè)任務(wù)使整個(gè)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(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)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(duì)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(shí)系統(tǒng)任務(wù)由μC／OS-Ⅱ進(jìn)行調(diào)度，開(kāi)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(guò)系統(tǒng)中斷，在中斷服務(wù)程序中將對(duì)應(yīng)任務(wù)喚醒成就緒態(tài)，其他任務(wù)按優(yōu)先級(jí)的高低搶占CPU運(yùn)行，運(yùn)行完后再次掛起[5]。
本系統(tǒng)中斷和任務(wù)主要設(shè)計(jì)了以下幾種：
?。?）MCU內(nèi)部RTC的定時(shí)中斷（alarm interrupt），當(dāng)RTC時(shí)鐘走到定時(shí)時(shí)間觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中喚醒定時(shí)任務(wù)，任務(wù)函數(shù)震動(dòng)馬達(dá)，達(dá)到無(wú)聲喚醒的鬧鐘功能。
（2）MCU內(nèi)部的RTC的時(shí)鐘時(shí)間事件中斷（clock time event interrupt），當(dāng)RTC時(shí)鐘走到第二天0時(shí)觸發(fā)時(shí)鐘時(shí)間事件中斷，同上，當(dāng)任務(wù)函數(shù)獲取CPU后將當(dāng)天測(cè)得的步數(shù)、卡路里消耗、睡眠質(zhì)量等數(shù)據(jù)自動(dòng)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(zhǎng)、時(shí)間、鬧鐘等）。
?。?）按鍵中斷，任務(wù)函數(shù)根據(jù)按鍵的時(shí)間、次數(shù)進(jìn)行復(fù)位，在LED點(diǎn)陣上顯示數(shù)據(jù)，開(kāi)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(jì)步算法
智能手環(huán)的一大重要功能就是計(jì)步，而計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，本文參考多次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法的分析設(shè)計(jì)。
行走時(shí)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(yùn)動(dòng)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(duì)波峰時(shí)，判斷是否滿足三個(gè)條件：一是兩個(gè)波峰的時(shí)間間隔是否在時(shí)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(jì)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(gè)條件的時(shí)間窗口定義了人行走一步所需的最短和最長(zhǎng)時(shí)間，不滿足就不計(jì)步。不同的運(yùn)動(dòng)形式（如打字時(shí)手臂的微小晃動(dòng)與步行時(shí)手臂的擺動(dòng)）產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)沖擊力不同，從而導(dǎo)致加速度幅度變化不同，第二個(gè)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(guò)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(cè)到的加速度是真正的步行還是偶爾的擾動(dòng)所致，第三個(gè)條件中設(shè)計(jì)兩個(gè)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(shí)檢測(cè)到的步數(shù)計(jì)入緩存，若計(jì)入緩存的步數(shù)大于兩步則進(jìn)入確認(rèn)模式，開(kāi)始正常計(jì)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(shí)，若出現(xiàn)不滿足條件的情形，如數(shù)據(jù)波峰間隔不在時(shí)間窗口內(nèi)則退出計(jì)步，進(jìn)入搜索模式重新搜索。
5 測(cè)試
按照前面智能手環(huán)的軟硬件設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ǎx用TI公司的MSP-EXP430F5529LP評(píng)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(yàn)證藍(lán)牙模塊與手機(jī)通信的連通性，實(shí)際模型如圖5所示。
為檢測(cè)手環(huán)測(cè)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(duì)系統(tǒng)計(jì)步的精確度與待機(jī)功耗做了合理的測(cè)試。表1是A、B、C、D四名被測(cè)試者將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒壴谑滞笊系挠?jì)步測(cè)試結(jié)果，檢測(cè)步數(shù)是模型的顯示結(jié)果，實(shí)際步數(shù)是兩名旁觀者口頭計(jì)數(shù)的平均值。
因?yàn)橹悄苁汁h(huán)在實(shí)際使用中藍(lán)牙和顯示模塊不需要經(jīng)常開(kāi)啟，測(cè)量實(shí)驗(yàn)?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(shí)際運(yùn)行時(shí)間。如下表2是兩名被測(cè)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(yàn)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(gè)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(jì)方案，16位的MSP430單片機(jī)兼顧了性能與低功耗的特點(diǎn)，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(shí)間延長(zhǎng)至15~20天，且在計(jì)步方面有更高的精確度，有進(jìn)一步研究的意義與價(jià)值。
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