跑步训练智能手环总体设计方案撰写：刘述亮、陈定罡、陈东、于旺、李进科大创客空间2014年11月目录1、需求分析 (3)1.1 项目背景 (3)1.2 项目需求及关键技术点 (3)2、跑步训练智能手环总体设计 (4)2.1 设计原则 (4)2.2 系统总体架构 (4)3、实现方案及关键技术 (6)3.1整体设计 (6)3.2嵌入式主控系统设计 (6)3.3电源模块设计 (6)3.4北斗定位模块 (6)3.5脉搏、血氧检测模块设计 (8)3.5.1脉搏、血氧检测原理 (8)3.5.2近红外发射模块 (8)3.5.3光电二极管 (9)3.5.4现有应用 (10)3.6 指南针模块设计 (10)3.7手环解开检测模块设计 (11)3.8 GSM\GPRS通信模块设计 (12)3.9人机界面设计 (13)3.10跑步路程计算算法设计 (14)3.10.1路径直线差值求和法 (14)3.10.2路径曲线拟合积分法 (15)3.10.3基于已知路径的位置匹配路程计算法 (17)3.11数据管理终端 (17)4、手环结构设计 (18)4.1手环结构布局 (18)4.2手环材料选择 (19)4.3手环外壳加工工艺 (19)4.4手环效果图 (20)5、关键技术总结及改进方案 (21)1、需求分析1.1 项目背景生命在于运动，而跑步锻炼是人们最常采用的一种身体锻炼方式。

通过跑步达到强身健体的作用也要讲求科学锻炼。

运动强度不足达不到锻炼的效果，运动过度容易导致运动损伤，甚至出现过度运动猝死。

为了使跑步训练更加精确化定量化，对跑步训练过程中，跑步的时间、速度、路程、心率、血氧饱和度的测量反馈就非常关键。

特别是针对群体跑步训练的反馈和数据分析对于整体的训练具有很强的指导性。

随着可穿戴设备和智能硬件的发展，越来越多功能应用都可以通过可穿戴智能设备实现。

通智能手环来监控反馈跑步训练的参数，使得跑步训练更加科学化。

1.2 项目需求及关键技术点跑步训练智能手环集成有北斗定位模块，能够得到跑步训练者在不同时刻的位置，通过记录的位置时间信息便可以得到跑步训练者的速度，跑步的路程、心率、血氧等信息。

再通过GSM\GPRS通信将数据传到后台服务器，进行进一步的管理分析，便于反馈和调整使得训练更加科学化。

在集体训练中还可通过手环解开检测来防止作弊以及手环丢失。

本手环初步应用的于集体训练，训练项目包括：5公里长跑、400m障碍跑、100折返跑、100游泳。

训练场地既可以是固定训练场地和野外。

因此教练需要配备专门的手持式便携数据管理终端，能够通过GSM\GPRS网络通信，携带方便，不受因特网限制。

方便教练及时了解训练成员的所有信息情况。

在临时断电断网，或者无网络信号的地方正常使用。

跑步训练智能手环主要完成以下功能：1）北斗定位，跑步路程精确计算；2）脉搏检测3）血氧检测4）指南针功能5）手环解开检测6）通过GSM\GPRS与后台服务器通信；7）通过人机接口设置手环的工作模式，包括：5公里长跑、400m障碍跑、100折返跑、100游泳；8）显示跑步训练的相关参数，如跑步速度、路程、时间；9）报警提示，提示运动过度、犯规等数据管理服务终端功能：1）能够接收各个训练手环返回的数据，数据包括手环的佩戴者、参加的训练项目、进度、成绩、犯规情况、脉搏血氧等生理状体。

2）能够及时对犯规以及其他突发情况进行报警，提示教练；3）对成绩进行计入存储管理查询；4）能够将数据备份到电脑上传云端，便于进一步保存管理数据。

其中对跑步路程的精确计算、脉搏检测和血氧检测是本项目的关键难点。

是决定手环是否有实用价值的决定条件。

2、跑步训练智能手环总体设计2.1 设计原则跑步训练智能手环主要应用于室外集体跑步训练，室外天气、气温不定，跑步训练者有可能摔倒碰撞。

根据以上特点，在研发和设计跑步训练智能手环时，需遵循如下原则：1）体积小，重量轻，佩戴舒适；2）功耗低、待机时间长、一次充电使用时间长，方便充电；3）能防水、对温度适应性强；4）操作简单、显示界面人性化；5）和后台通信稳定可靠；2.2 系统总体架构根据用户的需求和跑步训练智能手环工作实际，给出图2.0所以的跑步训练智能手环系统及数据管理终端整体结构图。

图2.0 跑步训练智能手环及数据管理终端整体图框跑步训练手环系统组成：A.嵌入式主控系统：采用STM32F103作为主控,采用ucos操作系统。

B.电源模块：采用锂电池作为手环的电源供给，充电模块负责给电池充电；电源管理模块负责，电池保护，包括过充保护、过放电保护、欠压报警。

C.北斗定位模块：跑步路程精确计算；D.脉搏、血氧检测模块：采用660nm&880nm近红外LED，向手腕组织发射红外脉冲。

用BPW34光电二极管接受手腕反射回来的红外脉冲信号。

实现脉搏检测和血氧检测。

同时实现手环解开检测。

只有手环检测到正常脉搏信号时才正常工作。

E.指南针模块：采用HMC5883L三轴数字罗盘，实现指南针功能。

F. 手环解开检测模块：如果利用脉搏检测模块不能可靠实现手环解开检测，可以采用开关型A3144E霍尔传感器，检测在使用过程中手环是否解开。

避免作弊或者手环丢失。

G. GSM\GPRS通信模块：采用SIM900A实现与数据管理终端通信。

选用5元GPRS流量年卡。

H. 人机界面：采用贴片轻触按钮（3*6*2.5mm ）作为开机、功能选择按钮。

用1.5寸OLED 液晶屏作为显示界面。

显示功能模式、信号、跑步距离、速度、时间、是否犯规。

采用蜂鸣器进行报警提示。

人机接口构成如图2.1图2.1 跑步训练智能手环人机接口功能图框数据管理终端系统组成：A.嵌入式主控系统：采用STM32F429作为主控,自带硬件液晶屏驱动，采用ucos操作系统。

B.电源模块：采用锂电池作为手持式便携数据管理终端电源供给，充电模块负责给电池充电；电源管理模块负责，电池保护，包括过充保护、过放电保护、欠压报警。

C. GSM\GPRS通信模块：采用SIM900A实现与训练手环通信。

选用5元GPRS流量年卡。

D. 人机界面：用7寸液晶触摸电容屏作为显示操作界面。

用于查询显示参与训练手环返回的所有。

3、实现方案及关键技术3.1整体设计根据跑步训练智能手环的使用环境与任务要求，跑步训练智能手环主要包括：嵌入式主控系统、电源模块、北斗定位模块、脉搏血氧检测模块、指南针模块、手环解开检测模块、SM\GPRS通信模块、人机界面、手环外壳。

3.2嵌入式主控系统设计嵌入式主控采用STM32F103C8T6作为处理器，采用实时操作系统μC/OS-II。

STM32 是基于ARM Cortex-M3 内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，最重要的是其性价比。

图3.1 STM32F103C8T63.3电源模块设计本手环采用4.7v锂电池供电，北斗定位模块采用3.3V供电,GSM/GPRS模块采用3.8V 供电。

采用REG117-3稳压芯片为系统供3.3V电压。

用STM32进行AD采样对电池过充和欠压进行管理。

3.4北斗定位模块北斗卫星导航系统﹝BeiDou Navigation Satellite System，英文缩写BDS﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。

系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

从功能选择上，和支撑我国自主定位产业发展角度考虑我们选择了北斗定位系统，为手环定位。

采用VK1612A9M3模块。

VK1612A9M3 BeiDou 模块是一个完整的卫星定位接收设备，具备全方位功能，能满足与业定位的严格要求。

体积小巧，可以装置在汽车内部任何位置，低功耗，能适应个人用户的需要。

该产品采用了新一代ARK 699低功耗芯片，超高灵敏度，在城市峡谷、高架下等信号弱的地方，都能快速、准确的定位。

可广泛应用开収多种终端产品，如：汽车导航汽车保全系统、车辆监控以及其他卫星定位应用等。

图3.2 VK1612A9M3 BeiDou 模块表3.1 VK1612A9M3 BeiDou 模块性能3.5脉搏、血氧检测模块设计在跑步训练过程中脉搏和血氧在一定程度上反映了跑步者运动的强度，如果运动强度不够者达不到好的锻炼效果，如果运动过于剧烈这会导致运动损伤，甚至危及到生命。

脉搏即是心率，心率越快相对运动强队越大，同时血氧含量相对减少。

所以通过脉搏和血氧含量能够很好的调整运动强度，并且做到客观，科学量化。

3.5.1脉搏、血氧检测原理据朗伯比尔（Lamber Beer）定律，物质在一定波长的吸光度是与浓度成正比。

恒定波长的光照射人体组织时，光通过人体组织吸收后，反射衰减测量的光强度将在一定程度上反映出被照射部位组织的结构特征。

光电传感器具有反应速快、结构简单和可靠性高以及能实现无创测量等优点。

脉搏的搏动会改变血液在组织中的容积从而改变反射光的强度。

从而提取出脉搏信号。

基于氧合血红蛋白励HbO2与脱氧血红蛋白Hb的光谱特性特征，近红外血氧饱和度检测通常选用波长在660nm到880nm之间的近红外光线作为无创检测的测量光源。

因为在该波段区域内，氧合血红蛋白HbO2与脱氧血红蛋白Hb对近红外的吸收情况远大于肌体组织内的水分、脂肪、蛋白质等其他物质的吸收量。

近红外无创血氧检测中最常用到的是波长为660nm和880nm的两种近红外光波相结合的双波长检测法。

在上述两个波长处，氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的吸收差异最显著，因而获得的数据也最有代表性。

3.5.2近红外发射模块近红外发射模块采用用三脚双波长红外发射管LED660/880。

图3.3 双波长红外发射管LED660/880此外市面上也有利用绿光来检查脉搏心率，但不便于测量血氧。

如：脉搏、心率测试用绿光发射管MQ-HRT。

此发射管利用血液中的血红蛋白容易吸收绿色等特定波长的光的特性，用LED照射手指，通过捕捉面部表面绿色成分的亮度变化来检测脉搏。

现有现成模块图3.4 绿光脉搏检测模块图3.5 绿光脉搏检测模块脉搏波形3.5.3光电二极管光电二极管选用BPW34B，相关的光学灵敏度如下图，660nm和880nm的灵敏度都达到了80%。

图3.6 光电二极管图3.7 光电二极管光学灵敏度曲线3.5.4现有应用如：指夹式脉搏血氧仪，采用近红外检测脉搏和血氧。

图3.8 指夹式脉搏血氧仪3.6 指南针模块设计指南针模块采用霍尼韦尔HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。

HMC5883L 包括最先进的高分辨率HMC118X 系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°~2°的12 位模数转换器.简易的I2C 系列总线接口。