基于ARM Cotex-M0的高續(xù)航可充電定位鞋墊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉文超，史智明，周艷玲，曾張帆

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

0 引言

據(jù)中國(guó)之聲《央廣夜新聞》報(bào)道，中國(guó)每年的失蹤兒童不完全統(tǒng)計(jì)有20萬(wàn)人左右，究其原因，一部分是人口販賣(mài)分子的犯罪行為，然而更普遍的情況是由于監(jiān)護(hù)人的疏忽大意造成的。同時(shí)，我國(guó)患有癡呆癥的老人超過(guò)800萬(wàn)，走失的情況也時(shí)有發(fā)生。兒童、老人的走失給家庭帶來(lái)嚴(yán)重的災(zāi)難，已成為一類亟需解決的社會(huì)問(wèn)題以達(dá)到預(yù)期的效果。

基于此，本文研發(fā)出一款能夠進(jìn)行跟蹤定位的智能鞋墊。該鞋墊能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)鞋墊使用者所在的地理位置進(jìn)行獲取，并傳輸至云平臺(tái)，最終在手機(jī)上或者網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行圖形化顯示，利于監(jiān)護(hù)人對(duì)家中老人、兒童的遠(yuǎn)程跟蹤，將大大降低他們失散的可能性。本系統(tǒng)通過(guò)在Windows、android平臺(tái)上構(gòu)建Lighttpd輕量級(jí)Web服務(wù)器和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功能程序、底層驅(qū)動(dòng)程序、自定義PCB和C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

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

圖1 高續(xù)航可充電定位鞋墊系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件部分由主控核心Cotex-M0芯片、鋰電池、無(wú)線+壓力充電模塊、2.4 G通信模塊、PWM電子開(kāi)關(guān)、ZVS模塊、GPS定位模塊組成。Cotex-M0負(fù)責(zé)采集鋰電池電量信息，通過(guò)采集到的電量信息數(shù)據(jù)，控制無(wú)線+壓力充電模塊給鋰電池安全、及時(shí)的充電；同時(shí)控制GPS模塊實(shí)時(shí)采集位置信息。

系統(tǒng)軟件部分由云端服務(wù)器、Web客戶端、手機(jī)APP三部分組成。GPS將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議上傳到云端服務(wù)器，通過(guò)Web客戶端和手機(jī)APP端實(shí)時(shí)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(gè)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(shè)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。采用這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行效率很高(0.9DMIPS/MHz)，能在較少的周期里完成一項(xiàng)任務(wù)。這意味著CortexM0可以在大部分的時(shí)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(mén)數(shù)也降低了待機(jī)電流。而高效的中斷控制器(NVIC)需要很小的中斷開(kāi)銷(xiāo)[1]。

2.2 充/供電部分

無(wú)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(gè)感應(yīng)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(hào)，電磁信號(hào)通過(guò)LC諧振技術(shù)推動(dòng)感應(yīng)線圈發(fā)出電量，給無(wú)線充電接收模塊，無(wú)線充電接收模塊上的線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)從而產(chǎn)生電流，將電流傳輸給鋰電池，使鋰電池開(kāi)始充電，實(shí)現(xiàn)一次無(wú)線充電[2]。壓力發(fā)電模塊通過(guò)壓力感應(yīng)產(chǎn)生電量給鋰電池充電，經(jīng)過(guò)極化了的壓電陶瓷片的兩端會(huì)出現(xiàn)束縛電荷, 所以在電極表面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。當(dāng)給陶瓷片施加外界壓力時(shí)，陶瓷片的兩端會(huì)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(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生變化, 壓電陶瓷會(huì)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(jié)構(gòu)，保證壓電陶瓷的安全性。

如圖2所示，無(wú)線充電接收端需要在無(wú)線感應(yīng)區(qū)實(shí)現(xiàn)充電。交流信號(hào)通過(guò)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(wú)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(jié)構(gòu)作為抗壓層。壓力充電模塊要承受來(lái)自人體的重量和沖量，每層結(jié)構(gòu)都能有效的減少?zèng)_擊。壓電陶瓷外面包裹自主設(shè)計(jì)的十七層結(jié)構(gòu)作為抗壓層，在受到外部壓力的沖擊時(shí)，產(chǎn)生足夠的電流給電池充電。模塊工作原理如下：

1) 整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，AD模塊首先檢測(cè)鋰電池電量，鋰電池電量充足時(shí)，電子開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)，反之處于關(guān)閉狀態(tài)；電子開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，表明鋰電池電量不足，無(wú)線充電發(fā)射模塊開(kāi)始工作。

2) 將無(wú)線充電接收模塊放置于無(wú)線感應(yīng)區(qū)，鋰電池開(kāi)始充電。

3) 壓力充電模塊在受到力量沖擊時(shí)，就會(huì)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(shí)，仍然能夠正常工作，在壓電陶瓷上使用了自主設(shè)計(jì)的十七層結(jié)構(gòu)作為抗壓層。十七層結(jié)構(gòu)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(wú)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(hù)層，青科紙層作為電池絕緣層，F(xiàn)e304瓷片作為電池保護(hù)層，304不銹鋼作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗壓層，壓力發(fā)電薄膜作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的壓力發(fā)電層，無(wú)線充電線圈作為無(wú)線充電層。

無(wú)線+壓力充電模塊能夠提高鋰電池的續(xù)航能力，無(wú)線和壓力充電模塊產(chǎn)生的都是交流信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)開(kāi)啟/關(guān)閉無(wú)線充電模塊。其輸出為無(wú)線充電發(fā)送模塊的電量。該模塊使用ZVS模塊將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)，同時(shí)將轉(zhuǎn)換的交流信號(hào)傳輸?shù)綗o(wú)線充電模塊上，通過(guò)LC諧振技術(shù)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(wù)，通過(guò)電信、移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線電通訊網(wǎng)絡(luò)(如GSM網(wǎng)、CDMA網(wǎng))獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息(地理坐標(biāo)，或大地坐標(biāo))，在GIS(geographic information system，地理信息系統(tǒng))平臺(tái)的支持下，為用戶提供相應(yīng)定位服務(wù)。因此此定位模塊無(wú)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(huì)主動(dòng)搜索GPS定位衛(wèi)星，最多能夠搜索到18顆衛(wèi)星信號(hào)。模塊接收來(lái)自定位衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)備會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)傳送到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)主動(dòng)搜索附近 WIFI信號(hào)和基站信號(hào)，最多能夠搜索到8個(gè)WIFI熱點(diǎn)和5個(gè)基站。設(shè)備接收來(lái)自WIFI熱點(diǎn)和基站的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)[5]。

3 系統(tǒng)軟件部分

3.1 整體軟件架構(gòu)

系統(tǒng)在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了軟硬件可編程工作方式。該架構(gòu)不僅充分實(shí)現(xiàn)了軟件編程開(kāi)發(fā)速度快與硬件實(shí)現(xiàn)響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)增加了硬、軟件資源配置的靈活性[6]。此外，整體的軟件架構(gòu)模塊化程度高，易于維護(hù)和后續(xù)的功能擴(kuò)展。該系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。Web操作層和APP操作層負(fù)責(zé)頁(yè)面設(shè)計(jì)，定義用戶交互界面；系統(tǒng)調(diào)用層負(fù)責(zé)具體的功能設(shè)計(jì)；設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)初始化AD、SPI、GPIO等外設(shè)。采用這種模塊化的設(shè)計(jì)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(shí)也會(huì)推出設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，用戶不需要明白底層的詳細(xì)設(shè)計(jì)，只需要明白具體的功能，就可實(shí)現(xiàn)軟硬件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

3.2 Web、APP操作層

Web、APP操作層的功能設(shè)計(jì)目標(biāo)就是基于網(wǎng)絡(luò)控制的定位系統(tǒng)，給整個(gè)硬件系統(tǒng)按照制定的協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，并且實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)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(yè)服務(wù)器、手機(jī)APP開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)Web頁(yè)面和制定數(shù)據(jù)交互協(xié)議。Lighttpd服務(wù)器是一套開(kāi)源的網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，相較其他類似的開(kāi)源網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，它僅需要少量的內(nèi)存及CPU資源即可達(dá)到同樣的性能，同時(shí)在支持靜態(tài)對(duì)象時(shí)，例如圖片文件，Lighttpd響應(yīng)速度更快、更理想[7]。為后續(xù)實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的Web端留有余地。移植步驟及配置過(guò)程在此就不詳細(xì)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(guò)Windows中的Html Script來(lái)捕捉輸入?yún)?shù)值再傳給應(yīng)用程序，為了加強(qiáng)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(yàn)、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(shè)計(jì)需要完成兩個(gè)功能，一是通過(guò)調(diào)用AD、SPI的功能函數(shù)庫(kù)控制ARM核，實(shí)現(xiàn)AD采樣和SPI實(shí)時(shí)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(shè)備驅(qū)動(dòng)層

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)需要完成3個(gè)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(wú)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(hào)；三是硬件數(shù)據(jù)保存，以便設(shè)備使用時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題可以現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。

4 實(shí)物效果、系統(tǒng)測(cè)試與分析

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

圖5 系統(tǒng)實(shí)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(wú)線感應(yīng)區(qū)域，右邊上層放置的是無(wú)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(shè)備。

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

底層硬件電路測(cè)試包括對(duì)硬件電路模塊穩(wěn)定性測(cè)試、2.4 G無(wú)線通信模塊的SPI通信時(shí)序測(cè)試、續(xù)航能力測(cè)試、壓力發(fā)電測(cè)試、無(wú)線充電測(cè)試等。對(duì)隔離、解碼、鎖存和驅(qū)動(dòng)等各個(gè)模塊分別進(jìn)行單元測(cè)試，其輸入輸出滿足功能需求。在整體集成測(cè)試時(shí)，電源模塊經(jīng)常不能正常工作，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能工作。經(jīng)過(guò)全面分析后，定位問(wèn)題于濾波電容的選擇不正確，原因是經(jīng)過(guò)整流之后的信號(hào)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(dǎo)致整個(gè)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(cè)試達(dá)到目標(biāo)需求。

ARM編碼邏輯測(cè)試是通過(guò)SPI采集數(shù)據(jù)再用邏輯分析儀對(duì)輸出時(shí)序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 SPI典型工作時(shí)序

第三行SCK為數(shù)據(jù)傳輸心跳時(shí)鐘;第一行MOSI為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；第四行SSI為從設(shè)備使能信號(hào)；圖中MOSI管腳傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為0111_1101；對(duì)主設(shè)備的預(yù)置數(shù)據(jù)和從設(shè)備輸出的時(shí)序數(shù)據(jù)對(duì)比分析后，從設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)序與主設(shè)備的預(yù)置數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，時(shí)序驗(yàn)證均正確。

鞋墊續(xù)航能力經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，得出在使用GPS定位的情況下，鞋墊能夠穩(wěn)定運(yùn)行35個(gè)小時(shí)，使用LBS/WIFI定位的情況下，鞋墊穩(wěn)定運(yùn)行48小時(shí)，使用A-GPS定位的情況下，鞋墊穩(wěn)定工作24個(gè)小時(shí)，在休眠狀態(tài)下鞋墊能夠待機(jī)96小時(shí)。

壓力充電模塊測(cè)試，壓力充電模塊受到外力沖擊時(shí)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(gè)瞬時(shí)的過(guò)程，難以通過(guò)常用設(shè)備對(duì)模塊的發(fā)電能力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因此在測(cè)量上我們引入了常規(guī)的LED燈進(jìn)行了定性測(cè)試。當(dāng)用力敲擊壓力充電模塊時(shí)，LED開(kāi)始發(fā)光，證明此時(shí)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(jìn)而證明了本系統(tǒng)壓力充電功能可行。

無(wú)線充電接收模塊測(cè)試，將無(wú)線充電接收模塊放入到感應(yīng)區(qū)之后，給鋰電池充電。由于無(wú)線充電的原理是LC諧振技術(shù)，難以通過(guò)常用設(shè)備對(duì)本系統(tǒng)的充電性能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。在測(cè)量上我們引入了常規(guī)的LED燈進(jìn)行了定性測(cè)試?？梢钥吹剑?dāng)測(cè)試終端放置在無(wú)線充電線圈上時(shí)，LED開(kāi)始發(fā)光，證明此時(shí)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(jìn)而證明了本系統(tǒng)無(wú)線充電功能可行。

Web頁(yè)面的功能控制頁(yè)面，Web頁(yè)面顯示支持多種比例放大、查看多個(gè)設(shè)備信息。此外，通過(guò)對(duì)該頁(yè)面進(jìn)行多設(shè)備切換顯示實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該網(wǎng)頁(yè)控制模塊的功能性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)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(shè)備續(xù)航時(shí)間短、充電方式繁瑣的問(wèn)題；通過(guò)多次續(xù)航能力測(cè)試，鞋墊在滿負(fù)荷工作的情況下，依然能夠穩(wěn)定工作24個(gè)小時(shí)；無(wú)線+壓力充電模塊能夠給鋰電池實(shí)時(shí)充電，總功率達(dá)到2 W；實(shí)時(shí)的對(duì)鞋墊使用者所在的地理位置進(jìn)行獲取，并傳輸至云平臺(tái)，最終在手機(jī)上或者網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行圖形化顯示。本系統(tǒng)通過(guò)云端服務(wù)器將控制數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳遞到手機(jī)APP和網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，通過(guò)APP和網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)查看設(shè)備位置、設(shè)備電量等信息。這不僅能夠?qū)崟r(shí)定位設(shè)備位置信息，而且還較好的體現(xiàn)當(dāng)前社會(huì)普遍關(guān)心的話題-兒童、老人走失等問(wèn)題的防范方法，促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展。

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