基于ARM Cotex-M0的高續(xù)航可充電定位鞋墊設計與實現(xiàn)

劉文超，史智明，周艷玲，曾張帆

(湖北大學 計算機與信息工程學院，武漢 430062)

0 引言

據(jù)中國之聲《央廣夜新聞》報道，中國每年的失蹤兒童不完全統(tǒng)計有20萬人左右，究其原因，一部分是人口販賣分子的犯罪行為，然而更普遍的情況是由于監(jiān)護人的疏忽大意造成的。同時，我國患有癡呆癥的老人超過800萬，走失的情況也時有發(fā)生。兒童、老人的走失給家庭帶來嚴重的災難，已成為一類亟需解決的社會問題以達到預期的效果。

基于此，本文研發(fā)出一款能夠進行跟蹤定位的智能鞋墊。該鞋墊能夠?qū)崟r的對鞋墊使用者所在的地理位置進行獲取，并傳輸至云平臺，最終在手機上或者網(wǎng)頁上進行圖形化顯示，利于監(jiān)護人對家中老人、兒童的遠程跟蹤，將大大降低他們失散的可能性。本系統(tǒng)通過在Windows、android平臺上構建Lighttpd輕量級Web服務器和設計開發(fā)功能程序、底層驅(qū)動程序、自定義PCB和C語言來實現(xiàn)該系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體架構

高續(xù)航可充電定位系統(tǒng)總體架構如圖1所示，主要包括二個部分：可穿戴設備終端; 系統(tǒng)軟件平臺。

圖1 高續(xù)航可充電定位鞋墊系統(tǒng)架構圖

系統(tǒng)硬件部分由主控核心Cotex-M0芯片、鋰電池、無線+壓力充電模塊、2.4 G通信模塊、PWM電子開關、ZVS模塊、GPS定位模塊組成。Cotex-M0負責采集鋰電池電量信息，通過采集到的電量信息數(shù)據(jù)，控制無線+壓力充電模塊給鋰電池安全、及時的充電；同時控制GPS模塊實時采集位置信息。

系統(tǒng)軟件部分由云端服務器、Web客戶端、手機APP三部分組成。GPS將采集到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議上傳到云端服務器，通過Web客戶端和手機APP端實時顯示位置信息。

2 系統(tǒng)硬件部分

本系統(tǒng)硬件部分主要包括3個子模塊：邏輯控制部分；充/供電部分；子控制模塊部分。

2.1 邏輯控制部分

邏輯控制子模塊由ARMCotex-M0芯片和2.4 G發(fā)送模塊組成。Cotex-M0芯片內(nèi)集成了ARM邏輯，包括ARM Cortex-M0處理器、固定外設和存儲系統(tǒng)。采用這類系統(tǒng)結構的運行效率很高(0.9DMIPS/MHz)，能在較少的周期里完成一項任務。這意味著CortexM0可以在大部分的時間里處于休眠狀態(tài)，消耗很少的能量，具有良好的能耗效率。同樣較小的邏輯門數(shù)也降低了待機電流。而高效的中斷控制器(NVIC)需要很小的中斷開銷[1]。

2.2 充/供電部分

無線+壓力充電模塊用于提高鋰電池的續(xù)航能力。該模塊由兩個感應線圈、壓電陶瓷、整流濾波電路組成，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號，電磁信號通過LC諧振技術推動感應線圈發(fā)出電量，給無線充電接收模塊，無線充電接收模塊上的線圈感應發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流，將電流傳輸給鋰電池，使鋰電池開始充電，實現(xiàn)一次無線充電[2]。壓力發(fā)電模塊通過壓力感應產(chǎn)生電量給鋰電池充電，經(jīng)過極化了的壓電陶瓷片的兩端會出現(xiàn)束縛電荷, 所以在電極表面上吸附了一層來自外界的自由電荷。當給陶瓷片施加外界壓力時，陶瓷片的兩端會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。另外, 壓電陶瓷具有自發(fā)極化的性質(zhì),因此當給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場時會發(fā)生變化, 壓電陶瓷會有變形；因此在壓力發(fā)電模塊中，為保證壓電陶瓷不被人體重量和壓力破壞，采用自主研發(fā)的十七層結構，保證壓電陶瓷的安全性。

如圖2所示，無線充電接收端需要在無線感應區(qū)實現(xiàn)充電。交流信號通過整流、濾波等子模塊最終轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，給鋰電池充電。

圖2 無線+壓力充電工作圖

在壓力發(fā)電模塊中，壓電陶瓷作為發(fā)電源，采用十七層結構作為抗壓層。壓力充電模塊要承受來自人體的重量和沖量，每層結構都能有效的減少沖擊。壓電陶瓷外面包裹自主設計的十七層結構作為抗壓層，在受到外部壓力的沖擊時，產(chǎn)生足夠的電流給電池充電。模塊工作原理如下：

1) 整個系統(tǒng)開啟時，AD模塊首先檢測鋰電池電量，鋰電池電量充足時，電子開關處于開啟狀態(tài)，反之處于關閉狀態(tài)；電子開關處于關閉狀態(tài)時，表明鋰電池電量不足，無線充電發(fā)射模塊開始工作。

2) 將無線充電接收模塊放置于無線感應區(qū)，鋰電池開始充電。

3) 壓力充電模塊在受到力量沖擊時，就會產(chǎn)生電流給鋰電池充電。

為了保證壓力充電模塊在受到人體腳部力量的沖擊時，仍然能夠正常工作，在壓電陶瓷上使用了自主設計的十七層結構作為抗壓層。十七層結構從上到下依次為：鞋墊層、聚苯乙烯層、壓力發(fā)電薄膜層、聚苯乙烯層、304不銹鋼板、聚苯乙烯層、B7000填充層、PCB主控板層、B7000填充層、聚苯乙烯層、青科紙層、B7000填充層、鋰電池、B7000填充層、Fe304瓷片層、B7000填充層、無線充電線圈層，其中鞋墊層、聚苯乙烯層、B7000填充層作為PCB主控板緩沖保護層，青科紙層作為電池絕緣層，F(xiàn)e304瓷片作為電池保護層，304不銹鋼作為整個結構的抗壓層，壓力發(fā)電薄膜作為整個結構的壓力發(fā)電層，無線充電線圈作為無線充電層。

無線+壓力充電模塊能夠提高鋰電池的續(xù)航能力，無線和壓力充電模塊產(chǎn)生的都是交流信號，需要經(jīng)過整流濾波之后才能給鋰電池充電[3]。

2.3 子控制模塊部分

子控制模塊的輸入為2.4 G發(fā)送模塊，發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?.4 G接收模塊，2.4 G接收模塊控制PWM電子開關開啟/關閉無線充電模塊。其輸出為無線充電發(fā)送模塊的電量。該模塊使用ZVS模塊將直流信號轉(zhuǎn)換為交流信號，同時將轉(zhuǎn)換的交流信號傳輸?shù)綗o線充電模塊上，通過LC諧振技術產(chǎn)生電流。GPS模塊采用A-GPS(Assisted GPS)定位方式，支持LBS(location based service)定位，LBS定位它是基于位置的服務，通過電信、移動運營商的無線電通訊網(wǎng)絡(如GSM網(wǎng)、CDMA網(wǎng))獲取移動終端用戶的位置信息(地理坐標，或大地坐標)，在GIS(geographic information system，地理信息系統(tǒng))平臺的支持下，為用戶提供相應定位服務。因此此定位模塊無論是在室內(nèi)還是室外都能精確、快速、穩(wěn)定的工作[4]。GPS模塊的工作流程如圖3所示。

圖3 GPS模塊工作流程圖

在室外環(huán)境下，GPS定位模塊會主動搜索GPS定位衛(wèi)星，最多能夠搜索到18顆衛(wèi)星信號。模塊接收來自定位衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，同時設備會將接收到的數(shù)據(jù)傳送到云端服務器，云端服務器接收到數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進行解析，解析之后的數(shù)據(jù)傳輸至Web端和APP端，Web端和APP端顯示模塊地理位置。

在室內(nèi)環(huán)境下，GPS定位模塊會主動搜索附近 WIFI信號和基站信號，最多能夠搜索到8個WIFI熱點和5個基站。設備接收來自WIFI熱點和基站的數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)傳送至云端服務器，云端服務器接收到數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進行解析，解析之后的數(shù)據(jù)傳輸至Web端和APP端，Web端和APP端顯示模塊地理位置。

GPD定位模塊采用聯(lián)發(fā)科公司生產(chǎn)的MT2503芯片，內(nèi)置A-GPS定位，支持LBS定位，低功耗設計[5]。

3 系統(tǒng)軟件部分

3.1 整體軟件架構

系統(tǒng)在軟件架構設計方面實現(xiàn)了軟硬件可編程工作方式。該架構不僅充分實現(xiàn)了軟件編程開發(fā)速度快與硬件實現(xiàn)響應迅速的優(yōu)點，同時增加了硬、軟件資源配置的靈活性[6]。此外，整體的軟件架構模塊化程度高，易于維護和后續(xù)的功能擴展。該系統(tǒng)的軟件架構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件架構

軟件架構由上至下依次包括Web操作層、APP操作層、系統(tǒng)調(diào)用層和設備驅(qū)動程序。Web操作層和APP操作層負責頁面設計，定義用戶交互界面；系統(tǒng)調(diào)用層負責具體的功能設計；設備驅(qū)動程序負責初始化AD、SPI、GPIO等外設。采用這種模塊化的設計思想，符合新硬件推廣的流程，硬件廠商在推出一款新硬件的同時也會推出設備驅(qū)動程序，用戶不需要明白底層的詳細設計，只需要明白具體的功能，就可實現(xiàn)軟硬件的應用開發(fā)。

3.2 Web、APP操作層

Web、APP操作層的功能設計目標就是基于網(wǎng)絡控制的定位系統(tǒng)，給整個硬件系統(tǒng)按照制定的協(xié)議進行網(wǎng)絡通信，并且實現(xiàn)了跨平臺的通信。在軟件層次方面的主要工作分為三塊：移植Lighhttpd網(wǎng)頁服務器、手機APP開發(fā)、設計Web頁面和制定數(shù)據(jù)交互協(xié)議。Lighttpd服務器是一套開源的網(wǎng)頁服務器，相較其他類似的開源網(wǎng)頁服務器，它僅需要少量的內(nèi)存及CPU資源即可達到同樣的性能，同時在支持靜態(tài)對象時，例如圖片文件，Lighttpd響應速度更快、更理想[7]。為后續(xù)實現(xiàn)更加復雜的Web端留有余地。移植步驟及配置過程在此就不詳細描述，主要步驟包括下載源碼、編譯、修改配置文件等。數(shù)據(jù)交互主要通過Windows中的Html Script來捕捉輸入?yún)?shù)值再傳給應用程序，為了加強數(shù)據(jù)交互的可靠性及規(guī)范性，本作品自定義數(shù)據(jù)交互協(xié)議，增加奇偶校驗、隔離碼等常用手段。

3.3 系統(tǒng)調(diào)用層

系統(tǒng)調(diào)用層的功能設計需要完成兩個功能，一是通過調(diào)用AD、SPI的功能函數(shù)庫控制ARM核，實現(xiàn)AD采樣和SPI實時通信，二是圍繞特定功能添加或刪減功能函數(shù)。保證AD和SPI模塊能夠符合系統(tǒng)功能，穩(wěn)定、高效的工作。

3.4 設備驅(qū)動層

設備驅(qū)動程序設計需要完成3個功能，一是硬件初始化，GPIO的功能初始化、AD模塊的配置初始化、2.4 G無線通信模塊接口的SPI配置初始化以及一些基本電路的初始化工作；二是讀取控制模塊中正在輸入輸出的控制信號；三是硬件數(shù)據(jù)保存，以便設備使用時出現(xiàn)問題可以現(xiàn)場恢復。

4 實物效果、系統(tǒng)測試與分析

依據(jù)上述整體架構與軟、硬件技術，本文設計的高續(xù)航可充電定位鞋墊如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實物圖

可以看到，該系統(tǒng)左邊上層放置的是高續(xù)航可充電定位鞋墊。中間上層的是無線感應區(qū)域，右邊上層放置的是無線充電發(fā)射裝置，中間下層放置的是鞋墊內(nèi)部嵌入的設備。

該系統(tǒng)的測試包括底層硬件電路測試、ARM編碼邏輯測試以及Web、APP頁面功能控制模塊測試等。

底層硬件電路測試包括對硬件電路模塊穩(wěn)定性測試、2.4 G無線通信模塊的SPI通信時序測試、續(xù)航能力測試、壓力發(fā)電測試、無線充電測試等。對隔離、解碼、鎖存和驅(qū)動等各個模塊分別進行單元測試，其輸入輸出滿足功能需求。在整體集成測試時，電源模塊經(jīng)常不能正常工作，最終導致整個系統(tǒng)不能工作。經(jīng)過全面分析后，定位問題于濾波電容的選擇不正確，原因是經(jīng)過整流之后的信號依然保留著較高的頻率，紙質(zhì)電容器損耗大只適用于低頻電路，導致整個電源模塊處于振蕩狀態(tài)[8]。解決方案為將原先采用的塑料薄膜電容更換成云母電容，采用云母電容之后電源模塊正常工作。最終硬件的整體集成測試達到目標需求。

ARM編碼邏輯測試是通過SPI采集數(shù)據(jù)再用邏輯分析儀對輸出時序進行測試，測試結果如圖7所示。

圖6 SPI典型工作時序

第三行SCK為數(shù)據(jù)傳輸心跳時鐘;第一行MOSI為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；第四行SSI為從設備使能信號；圖中MOSI管腳傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為0111_1101；對主設備的預置數(shù)據(jù)和從設備輸出的時序數(shù)據(jù)對比分析后，從設備數(shù)據(jù)時序與主設備的預置數(shù)據(jù)相對應，時序驗證均正確。

鞋墊續(xù)航能力經(jīng)過多次測試，得出在使用GPS定位的情況下，鞋墊能夠穩(wěn)定運行35個小時，使用LBS/WIFI定位的情況下，鞋墊穩(wěn)定運行48小時，使用A-GPS定位的情況下，鞋墊穩(wěn)定工作24個小時，在休眠狀態(tài)下鞋墊能夠待機96小時。

壓力充電模塊測試，壓力充電模塊受到外力沖擊時候，產(chǎn)生電流。由于壓力沖擊壓電陶瓷產(chǎn)生的電流是一個瞬時的過程，難以通過常用設備對模塊的發(fā)電能力進行準確測量，因此在測量上我們引入了常規(guī)的LED燈進行了定性測試。當用力敲擊壓力充電模塊時，LED開始發(fā)光，證明此時產(chǎn)生了能夠使LED正常工作所需的3.3 V電壓，30 mA電流。進而證明了本系統(tǒng)壓力充電功能可行。

無線充電接收模塊測試，將無線充電接收模塊放入到感應區(qū)之后，給鋰電池充電。由于無線充電的原理是LC諧振技術，難以通過常用設備對本系統(tǒng)的充電性能進行準確測量。在測量上我們引入了常規(guī)的LED燈進行了定性測試?？梢钥吹剑敎y試終端放置在無線充電線圈上時，LED開始發(fā)光，證明此時產(chǎn)生了能夠使LED正常工作所需的3.3 V電壓，300 mA電流。進而證明了本系統(tǒng)無線充電功能可行。

Web頁面的功能控制頁面，Web頁面顯示支持多種比例放大、查看多個設備信息。此外，通過對該頁面進行多設備切換顯示實驗，驗證了該網(wǎng)頁控制模塊的功能性和穩(wěn)定性。

5 結論

本文介紹了一種新型的基于ARM Cotex-M0的高續(xù)航可充電定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)可穿戴設備續(xù)航時間短、充電方式繁瑣的問題；通過多次續(xù)航能力測試，鞋墊在滿負荷工作的情況下，依然能夠穩(wěn)定工作24個小時；無線+壓力充電模塊能夠給鋰電池實時充電，總功率達到2 W；實時的對鞋墊使用者所在的地理位置進行獲取，并傳輸至云平臺，最終在手機上或者網(wǎng)頁上進行圖形化顯示。本系統(tǒng)通過云端服務器將控制數(shù)據(jù)準確的傳遞到手機APP和網(wǎng)頁服務器，通過APP和網(wǎng)頁端實時查看設備位置、設備電量等信息。這不僅能夠?qū)崟r定位設備位置信息，而且還較好的體現(xiàn)當前社會普遍關心的話題-兒童、老人走失等問題的防范方法，促進社會和諧發(fā)展。

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