基于ARM體系的智能手環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

房天奇

摘 要：本文主要討論一種基于ARM體系的智能手環(huán)，該手環(huán)基于STM32微控制器，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量檢測(cè)、實(shí)時(shí)定位、藍(lán)牙傳輸及音頻播放的功能。手環(huán)的空氣質(zhì)量檢測(cè)功能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集空氣信息后經(jīng)過(guò)手環(huán)的內(nèi)置處理器進(jìn)行智能分析。同時(shí)，手環(huán)可通過(guò)開(kāi)啟GPS模塊，獲得實(shí)時(shí)位置信息。此外，還可以通過(guò)藍(lán)牙模塊與PC機(jī)的接通實(shí)現(xiàn)信息輸入與輸出、系統(tǒng)更新、多平臺(tái)控制等功能。

關(guān)鍵詞：STM32；手環(huán)；藍(lán)牙；空氣質(zhì)量檢測(cè)；GPS；智能

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）04-0046-02

對(duì)于當(dāng)今社會(huì)上空氣污染嚴(yán)重及各種老人兒童走丟等問(wèn)題，本手環(huán)通過(guò)GPS、藍(lán)牙、空氣質(zhì)量傳感器等硬件以及相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)，使用戶能夠適時(shí)了解周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量與位置信息。同時(shí)，對(duì)于建立大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)實(shí)地的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有重要意義。

1 手環(huán)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

STM32F103系列采用基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，其最高工作頻率可達(dá)72MH；其片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器和6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器；采用2.0-3.3V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓，上電復(fù)位（POR）、掉電復(fù)位（PDR）和可編程的電壓探測(cè)器（PVD）。4-16MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路、用于CPU時(shí)鐘的PLL和帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振；具有3種低功耗模式：休眠、停止和待機(jī)模式；具有兩種調(diào)試模式：串行調(diào)試和JTAG接口；擁有12通道DMA控制器，支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、DAC和USART；同時(shí)還內(nèi)置3個(gè)12位的us級(jí)的16通道A/D轉(zhuǎn)換器，測(cè)量范圍為0-3.3V，兼具雙采樣和保持能力。此外，STM32F103還可擁有最多高達(dá)112個(gè)的快速I/O端口，而且所有端口都可以映射到16個(gè)外部中斷向量。

總的來(lái)說(shuō)STM32F103所具有的特點(diǎn)滿足一款所要求的體積小、重量輕和功能強(qiáng)大的要求。

本設(shè)計(jì)是以STM32F103微控制器為核心，結(jié)合多種外部設(shè)備所構(gòu)成的硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

STM32作為主控制器，由電源模塊供電，主要用于收集信息、處理信息、協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，擴(kuò)充了藍(lán)牙模塊、GPS模塊等進(jìn)行信息采集和傳遞；空氣質(zhì)量傳感器用于檢測(cè)當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量狀況，也可以與GPS互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)各地的空氣質(zhì)量信息收集與匯總，可用來(lái)建立大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)實(shí)地的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；大容量?jī)?nèi)存用于儲(chǔ)存各種軟件、音頻、臨時(shí)數(shù)據(jù)等。按鍵電路用于設(shè)置手環(huán)功能、輸入指令；LCD顯示空氣質(zhì)量、位置坐標(biāo)、MP3等各項(xiàng)信息；GPS實(shí)現(xiàn)手環(huán)的即時(shí)定位；藍(lán)牙模塊用于實(shí)現(xiàn)手環(huán)與外界的雙向通信。

通過(guò)配置相關(guān)的外部設(shè)備，該系統(tǒng)主要完成3個(gè)既定功能，分別為：空氣質(zhì)量檢測(cè)、GPS實(shí)時(shí)定位和信息傳輸。

空氣質(zhì)量檢測(cè)：由按鍵控制開(kāi)啟空氣質(zhì)量檢測(cè)功能，通過(guò)空氣質(zhì)量傳感器獲取當(dāng)前大氣中的空氣質(zhì)量信息，然后由STM32接收并處理信息，處理后的信息交給LCD屏對(duì)外顯示。

信息傳輸：由按鍵控制開(kāi)啟信息傳輸功能，根據(jù)需要發(fā)送和接收的不同功能，通過(guò)藍(lán)牙模塊訪問(wèn)手環(huán)系統(tǒng)和PC。

GPS實(shí)時(shí)定位：由按鍵控制開(kāi)啟GPS定位功能，GPS模塊獲取信息并交給軟件處理分析地理信息，處理后的信息交給LCD屏對(duì)外顯示。

系統(tǒng)主體程序設(shè)計(jì)流程如圖2。

2 空氣質(zhì)量檢測(cè)部分設(shè)計(jì)

空氣質(zhì)量檢測(cè)部分硬件設(shè)計(jì)流程如圖3。

空氣質(zhì)量傳感器通過(guò)檢測(cè)空氣質(zhì)量獲得一個(gè)微弱信號(hào)，由于該微弱信號(hào)無(wú)法被單片機(jī)系統(tǒng)直接采集，因此還需要特定的放大電路進(jìn)行放大。STM32雖然有內(nèi)置的ADC模塊，但是其能采集的電壓信號(hào)范圍為0-3.3V，因此需要對(duì)采集放大的信號(hào)進(jìn)行處理，使其滿足STM32的ADC工作需求。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后，由STN32的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得最終的空氣質(zhì)量的值，最后通過(guò)串口發(fā)送到LCD屏進(jìn)行顯示。

空氣質(zhì)量檢測(cè)部分軟件設(shè)計(jì)流程如圖4。

3 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用藍(lán)牙模塊作為信息傳輸?shù)妮d體，以完成無(wú)線傳輸?shù)母黜?xiàng)功能，如圖5。一方面通過(guò)與PC的信息獲取和傳遞向系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)信息或者更新升級(jí)；另一方面，將內(nèi)部的音頻信息發(fā)送給配對(duì)的藍(lán)牙耳機(jī)的進(jìn)行播放。

4 GPS模塊設(shè)計(jì)

由按鍵控制開(kāi)啟GPS定位功能，GPS模塊獲取信息并交給軟件處理分析地理信息，處理后的信息交給LCD屏對(duì)外顯示。

GPS實(shí)時(shí)定位軟件設(shè)計(jì)如圖6。

通過(guò)按鍵中斷來(lái)開(kāi)啟GPS定位功能：按鍵觸發(fā)后，打開(kāi)GPS進(jìn)行初始化，獲取當(dāng)前所處的位置信息，通過(guò)相應(yīng)算法獲得當(dāng)前所處位置，再經(jīng)STM32進(jìn)行顯示或者發(fā)送操作。

5 結(jié)語(yǔ)

本手環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)當(dāng)前生活中糟糕的空氣質(zhì)量狀況及日益嚴(yán)峻的各種老人兒童走丟現(xiàn)象，通過(guò)STM32微控制器以及相關(guān)外部設(shè)備的搭建實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量檢測(cè)和實(shí)時(shí)位置獲取的功能。同時(shí)，也可以通過(guò)用戶群體來(lái)建立大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)實(shí)地的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]楊婷，黃韜，謝亮.基于STM32微控制器的智能手環(huán)的設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng)，2016，177（8）：190-192.

[2]唐緒松，魏冬冬. 基于AT89S51單片機(jī)的自習(xí)室管理系統(tǒng)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，（13）：70-71.

[3]周興華.單片機(jī)智能化產(chǎn)品C語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)例詳解[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]朱薪豪，侯艷艷，單承剛，桑得水.智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2015（11）：244-246.

[5]柴遠(yuǎn)波，賈宇飛，單坡. 基于單片機(jī)的LED自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2， 2015（12）：187-189.

[6]李志明，檀永，徐石明，丁孝華，桑林. STM32嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[7]蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.