基于藍牙5.0的智能開關(guān)機系統(tǒng)設(shè)計*

任志敏，李長旺

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

目前，家中的各種電器設(shè)備眾多，既有電燈、電視機、電扇等傳統(tǒng)電器，也有掃地機器人、藍牙功放等新設(shè)備，不管是哪種電器，開關(guān)機的方式無非就是三種，一是傳統(tǒng)的機械開關(guān)；二是遙控器開關(guān);三是通過手機端APP實現(xiàn)開關(guān)機。從中不難發(fā)現(xiàn)，機械開關(guān)需要人體直接接觸，遙控器和APP雖然增加了便利性，比起機械開關(guān)方式進步了很多，但是還需要人為操作干預，三種開關(guān)機方式都未能做到真正的智能化自主開關(guān)機。

傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得我們可以較為方便地隨時隨地獲取人體的心率數(shù)據(jù)。本課題設(shè)計了一個系統(tǒng)，在人體進入睡眠狀態(tài)后，自主關(guān)閉電燈等家用電器，人體開始蘇醒時，自主打開相關(guān)家用電器和設(shè)備。

1 總體設(shè)計

通過研究發(fā)現(xiàn)，獲取心率數(shù)據(jù)的有效方案主要有以下三種。

方案一是使用攝像頭拍攝人體手指等部位，把采集的視頻信息進行數(shù)字化處理，分析視頻信息的顏色變化，經(jīng)過一系列的處理獲取心率數(shù)據(jù)[1]。

方案二是ECG(Electrocardiograph)[2]，ECG的典型應用就是醫(yī)院的心電圖，其優(yōu)點是測量數(shù)據(jù)精確，缺點是需要較多測量裝置，體積較大，不易佩戴。

方案三是PPG(Photoplethysmography)[3]。PPG指的是光電容積脈搏波描記法。血管中的血液流動會受到心臟搏動影響，而產(chǎn)生周期性活動，形成血壓呈周期性變化，在充滿彈性的血管中因為連續(xù)的壓力變化，因而造成血管的截面管徑會因此而改變血管直徑大小，這種血管變化亦會造成血壓在變化上呈現(xiàn)連續(xù)的狀態(tài)[4]。PPG測量脈搏就是基于以上基礎(chǔ)，采用LED和光電探測器，LED一般向血管發(fā)射綠色光，有部分發(fā)射光被吸收，還有一部分光被反射或透射，被光接收器接收，其工作原理如圖1所示。

圖1 反射式光電探測器工作原理圖

PPG的典型應用是現(xiàn)在的運動手環(huán)或手表，其優(yōu)點是體積較小，攜帶方便，易于佩戴，缺點是較之ECG方案心率數(shù)據(jù)精確性稍低。

經(jīng)過研究比較現(xiàn)有的三種方案后發(fā)現(xiàn)，方案一操作起來比較麻煩，而且需要使用攝像頭，需處理的數(shù)據(jù)量較大。方案二也不適合本課題，顯然不可能在人體睡眠時佩戴各種電極裝置，因此，排除方案一和二。方案三的裝置倒是合適的，但是現(xiàn)有的運動手環(huán)或手表僅僅局限于測量心率，數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸至手機APP端顯示，用戶僅僅能讀取心率數(shù)據(jù)，了解自己身體狀況，無法有效利用數(shù)據(jù)。因為大多數(shù)該類型APP程序并未公開源碼，用戶無法對其數(shù)據(jù)進行二次處理。

為此，我們提出了本課題的方案，借鑒方案二的一些優(yōu)點，摒棄其局限性。本課題總體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計方案圖

從圖2中可以看出，系統(tǒng)一共由四部分組成，分別是①心率采集處理裝置S(以下簡稱為裝置S)；②開關(guān)機命令接收執(zhí)行裝置R(以下簡稱為裝置R)；③PC端上位機處理程序(以下簡稱PC端程序)；④手機或平板設(shè)備處理程序(以下簡稱手機端程序)。其中裝置S處于整個系統(tǒng)的核心地位，負責心率數(shù)據(jù)采集，處理，學習，判斷，基于數(shù)據(jù)判斷情況通過無線模塊發(fā)出開關(guān)機命令。

2 硬件設(shè)計

根據(jù)總體設(shè)計方案，選擇低功耗藍牙無線傳輸方式，分別設(shè)計了心率數(shù)據(jù)采集模塊，無線模塊電路，裝置S主板電路，裝置R主板等電路。

2.1 心率數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

如前文所述，采用PPG方式獲取心率數(shù)據(jù)。心率數(shù)據(jù)采集模塊主要由環(huán)境光傳感器APDS-9008，綠色光源發(fā)光二極管AM2520ZGC09和運放MCP6001組成。共引出三個引腳，分別是電源VCC，電源地GND和信號SIGNAL。

2.2 無線模塊電路設(shè)計

nRF52832是Nordic公司推出的一款支持BLE(Bluetooth4.0 low energy)的嵌入式微控制器[9]。它是一款為超低功耗無線應用ULP(Ultra Low Power)打造的多協(xié)議單芯片解決方案。nRF52832整合了Nordic一流的無線收發(fā)器，一個ARM Cortex-M4內(nèi)核以及512KB的Flash+64KB的RAM，其支持BLE和專用2.4GHz協(xié)議棧。nRF52832有豐富的外設(shè)接口，包括31個靈活可配置的通用輸入輸出引腳，支持SPI/TWI/UART等串行通信，支持10bit ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，最高工作主頻達64 MHz。

從中我們不難發(fā)現(xiàn)，nRF52832既支持低功耗藍牙BLE5.0，即支持主從一體模式，又采用32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，不管是從運行速度還是藍牙支持方面都符合本課題的設(shè)計需求。因此，nRF52832作為裝置S和R的核心微控制器，用于核心板的設(shè)計，如圖3所示。

圖3 無線模塊nRF52832原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 雙緩沖PPI通道模數(shù)轉(zhuǎn)換

nRF52832基于Cortex-M4內(nèi)核設(shè)計，內(nèi)部設(shè)置了PPI(Programmable Peripheral Interconnect)可編程外設(shè)接口，功能上PPI和DMA(Direct Memory Access)直接存儲訪問有些類似。PPI通道使得外設(shè)可以通過PPI自動連接任務(wù)和事件，不需要CPU參與，可以有效降低功耗，提高處理器效率。PPI一端連接的是事件端點(EEP)，另外一端連接的是任務(wù)端點(TEP)。因此PPI可以通過一個外設(shè)上發(fā)生的事件自動觸發(fā)另一個外設(shè)上的任務(wù)。首先外設(shè)事件需要通過與事件相關(guān)的寄存器地址連接到一個事件端點，另一端外設(shè)任務(wù)事件也需要通過此任務(wù)相關(guān)的任務(wù)寄存器地址連接到任務(wù)端點，當兩端連接好后就可以通過PPI自動觸發(fā)了。

為了保證心率采集數(shù)據(jù)的準確性、穩(wěn)定性和可靠性，本課題把心率采集模塊的Signal信號輸出口與P0.31引腳模擬輸入通道7相連，配置為單通道輸入方式，采樣精度為10位，參考電壓為內(nèi)部0.6V。采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式(continuous mode)，連續(xù)采樣模式能夠通過內(nèi)部定時器實現(xiàn)定時采樣，或者觸發(fā)任務(wù)通過PPI連接一個通用寄存器來實現(xiàn)。為了提高轉(zhuǎn)換效率，本課題采用精確的1/16 MHz定時器通過PPI啟動的雙緩沖中斷采樣模式，把啟動ADC采樣事件的任務(wù)交給定時器和PPI通道來完成，CPU不需要參與。

基于以上分析，本課題采用PPI通道雙緩沖采集數(shù)據(jù)步驟為：

Step1:SAADC初始化，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換通道為NRF_SAADC_INPUT_AIN7，配置好SAADC轉(zhuǎn)換回調(diào)函數(shù)，設(shè)置雙緩沖數(shù)組。

Step2:配置好定時器事件和PPI觸發(fā)通道，定時時間為2ms。

Step3:使能PPI觸發(fā)通道，等待SAADC采用完成觸發(fā)中斷，調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

其中Step1中設(shè)置雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機制，通過設(shè)置2個緩沖數(shù)組，啟動采樣后數(shù)據(jù)依次進入緩沖數(shù)組1和緩沖數(shù)組2，當兩個數(shù)組內(nèi)都有數(shù)據(jù)就會觸發(fā)中斷事件發(fā)生，中斷后輸出緩沖數(shù)組2的內(nèi)容。數(shù)據(jù)流向如圖4所示。

圖4 雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸流程圖

設(shè)置雙緩沖機制的好處是顯而易見的，心率數(shù)據(jù)采集為2ms一次，雙緩沖可以保證有足夠的時間處理心率數(shù)據(jù)，避免前后心率數(shù)據(jù)覆蓋。

3.2 處理心率數(shù)據(jù)觸發(fā)開關(guān)機算法設(shè)計

為了實現(xiàn)通過心率數(shù)據(jù)，特別是BPM值準確判斷人體狀態(tài)的目的，本課題研究了幾種方案。方案一是設(shè)定兩個BPM閾值，比如70和75，即若監(jiān)測500次BPM值，平均值低于74，認為人體進入睡眠狀態(tài);若平均值位于70～75之間，認為人體開始進入蘇醒狀態(tài)。方案二是監(jiān)測心率變化的狀態(tài)，即從BPM曲線看，曲線趨勢是下降的，認為人體進入睡眠狀態(tài);曲線趨勢是高低不平的，認為人體是日?；顒訝顟B(tài);曲線趨勢是上升的，認為人體開始進入蘇醒狀態(tài)。經(jīng)過實驗表明，方案一的BPM閾值設(shè)定不是一件容易的事情，因為BPM與每個個體相關(guān)。方案二曲線趨勢變化，當人體進入睡眠狀態(tài)，曲線趨勢也是有高有低的?？紤]到以上兩種方案的劣勢，本課題研究了第三種方案，步驟是：

Step1：首先學習人體在不同狀態(tài)時的BPM值，比如人體在22:00開始睡覺，與此同時開始監(jiān)測BPM值，設(shè)定監(jiān)測時間，可以是30 min，45 min，60 min等，統(tǒng)計這段時間內(nèi)人體的BPM平均值；其次，持續(xù)監(jiān)測人體在睡眠狀態(tài)時的BPM值，直到人體開始進入蘇醒狀態(tài)的時刻，每隔1 h計算一次平均BPM值，通過這些平均BPM值可以較好判斷人體到底處于哪種狀態(tài)，這些學習經(jīng)驗值存入裝置S的EEPROM存儲器。

Step2:關(guān)機判斷算法。有了Step1的人體狀態(tài)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，接下來就可以通過其做出判斷和決策了。關(guān)機判斷程序算法如圖5所示，算法描述中使用的相關(guān)變量描述見表1。

表1 關(guān)機判斷程序相關(guān)變量描述

從圖5中可以看出，從某個時間點開始，持續(xù)監(jiān)測人體心率BPM，并作計數(shù)，每個BPM與用戶設(shè)定的myThresh值與經(jīng)驗學習的人體進入睡眠狀態(tài)BPM平均值A(chǔ)VE比較大小，分別計數(shù)小于次數(shù)countd和大于次數(shù)countu，共監(jiān)測500次BPM作為一組，若計數(shù)countd多余countu，則認為人體進入睡眠狀態(tài)，發(fā)出關(guān)機命令，否則繼續(xù)進入下一個500次BPM數(shù)據(jù)的比較。開機判斷算法與關(guān)機算法類似，在此不再贅述。

3.3 PC端上位機程序設(shè)計

PC端通過串口與裝置S相連，本課題設(shè)計的PC端上位機實現(xiàn)兩大任務(wù)，一是直觀顯示心率曲線，二是設(shè)定心率學習參數(shù)，比如設(shè)定心率學習時間段，設(shè)定閾值等，用于測試裝置S心率學習、判斷、決策、指揮的功能能否順利實現(xiàn)[5]。上位機程序運行圖如圖6所示。

圖6 PC端上位機程序運行圖