一種配合交通乘運設備使用的多功能手環(huán)方案設計

張晴，鄧軍，張娟，張妤婕，楊丹妮，閆夢真

（南京師范大學中北學院，江蘇鎮(zhèn)江，212300）

1 概述

■1.1 國內(nèi)外研究背景

國外：到2014 年底之前，智能手環(huán)的產(chǎn)品類型已經(jīng)超過50 多種，在全球市場中，智能手環(huán)對外出貨量達到年均1300 萬只。據(jù)數(shù)據(jù)預測，截止到2017 年底，智能手環(huán)對外年出貨量將會突破到3600 萬只。

國內(nèi)：我國智能手環(huán)自2013年開始出現(xiàn)，市場發(fā)展迅速，出現(xiàn)了華為、榮耀、三星以及小米等為主導的國內(nèi)電子市場，目前位列關注榜前15的幾乎都是國產(chǎn)品牌，國內(nèi)手環(huán)市場進一步開拓。

國內(nèi)手環(huán)的類型主要有榮耀手環(huán)，其功能是全觸控操作，可以血氧檢測、運動監(jiān)測、睡眠監(jiān)測、擁有健康數(shù)據(jù)系統(tǒng)；小米手環(huán)，其主要功能是智能語音、游泳監(jiān)測、鬧鐘、多運動模式、卡路里消耗；華為運動版手環(huán)，主要功能即為運動監(jiān)測；蘋果智能手環(huán)，主要功能跟其他手環(huán)不同，它可以支持第三方應用下載，簡單直接地解鎖電腦，可以配合Airpods 使用聽歌，在沒有手機的情況下，也能進行收發(fā)微信、接打電話的操作[1]。

■1.2 設計思路及創(chuàng)新點

市場現(xiàn)有手環(huán)的功能對于老人來說使用較復雜且針對性不強，結合問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，我們對于手環(huán)的交通出行功能做了提升，以定位功能為基礎，延伸出一鍵叫車及到站提醒功能。

2 總體技術方案

■2.1 非接觸式IC 卡系統(tǒng)

該手環(huán)采用Mifare S50 射頻薄卡飛利浦(NXP)原裝IC芯片，這種芯片的優(yōu)點是可靠性高，操作方便,加密性能好，快速的防沖突機制。

刷卡功能實現(xiàn)方式：LC 諧振電路。IC 芯片主要用于存儲信息，感應天線用于充電和通信。它具體的工作原理如下：在卡內(nèi)形成的LC 串聯(lián)諧振電路中，其接收來自射頻讀寫器發(fā)出的固定頻率電磁波組，電磁波頻率與讀寫器發(fā)射頻率一致，電路受到電磁波的激勵作用共振產(chǎn)生電荷，使卡內(nèi)的電容攜帶電荷；在電荷的對面連接一個單向?qū)娮颖?，把這個泵作為橋梁，將電容內(nèi)的電荷運輸?shù)搅硪粋€電容內(nèi)并存儲，當這個電容內(nèi)存儲的電壓超過2V 時，這個電容可當做電源，在電路中提供工作電壓，向外發(fā)送卡內(nèi)數(shù)據(jù)的同時也能夠接收來自讀寫器的數(shù)據(jù)。

圖1 IC 卡電路

■2.2 定位子系統(tǒng)

定位電子手環(huán)一般采用兩種定位方式，即GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)和LBS 基站定位。本手環(huán)設計方案采用GPS 定位芯片UBLOX 7020，其可靠性較高、體積小，可以對定位者準確定位，確定距離，并且不會輕易透露出定位者的定位情況。

■2.3 電池選型

該手環(huán)采用SR626 電池，該電池容量大、性價比較高、使用壽命長且被廣泛應用，相較于一般電池直徑更小，滿足設計中微型的需求。不管在高溫還是低溫時，電池表現(xiàn)都非常良好，超過市面上大多數(shù)的汞鋅電池。

■2.4 到站震動功能

該手環(huán)采用0820 扁平馬達，它的優(yōu)點是體積小并且重量輕、平面上是徑向或周向旋轉(zhuǎn)、結構簡單、噪音較低且功耗小、震動的感覺強烈、擁有很強的可靠性且響應時間很短。

圖2 GPS 電路圖

到站震動的功能主要是通過震動馬達來實現(xiàn)，考慮到設計手環(huán)的輕便性，微型的震動馬達就是我們的最優(yōu)選擇。微型震動馬達是直流有刷電機的一種，電機軸的上方存在一個偏心輪，在馬達轉(zhuǎn)動的時候，偏心軸的圓心偏離電機的轉(zhuǎn)心，導致馬達一直在不平衡的情況下工作，再由于慣性的作用發(fā)生震動[2]。

■2.5 到站提醒功能

這一功能為本系統(tǒng)核心模塊，控制件采用STC89C52型8 位單片機[3]，電路如圖3 所示，通過設定的程序?qū)⑿畔⑽淖肿x取后在液晶屏上顯示出來，人們即可獲得所需的站臺數(shù)和站名信息，并通過按鍵控制手環(huán)系統(tǒng)進行下一步操作。

圖3 手環(huán)控制系統(tǒng)電路

語音功能采用的是ISD1730 芯片，這種芯片包含了新信息提示、多信息管理系統(tǒng)以及雙運作模式等，還有可定制的信息操作指示音效。芯片的內(nèi)部包括麥克風前置擴大器、自動增益控制、揚聲器驅(qū)動線路、振蕩器與內(nèi)存等的全方位整合系統(tǒng)功能?？刂品绞接袃煞N，分別是錄音輸入方式、放音輸出方式；在信息處理方面該芯片可以處理255 段或以上的信息；其工作狀態(tài)顯示是非常多樣的；它有很多種錄放時間，而每一種錄放時間都有著相對應的采樣頻率；這種芯片的音質(zhì)較其他芯片比較突出，電壓的范圍相對廣一些，應用比較靈活，相對于市場上其他的芯片來講，它的性價比是最高的[4]。

語音信號會在系統(tǒng)進行語音錄制時，通過電路送給語音合成電路中的語音芯片，在進行數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)字化的信息儲存到存儲芯片里，就此建立語音庫。語音功能采用ISD1730 語音芯片設計錄放電路，其綜合性能更強，語音的錄制和播放均由按鍵直接進行控制，電路的穩(wěn)定性和可靠程度都很高，符合設計需求，語音功能電路如圖4 所示。

圖4 語音提示模塊

采用4 個按鍵開關來選擇電路當前的執(zhí)行狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 功能選擇電路

如流程圖6 所示，當程序開始后，系統(tǒng)開始初始化，While（1）其中1 代表一個常量表達式，它永遠不會等于0，所以循環(huán)會一直執(zhí)行下去。執(zhí)行以下循環(huán)：若按下鍵達到目的，此時液晶顯示清屏，若沒有達到目的，則繼續(xù)按鍵，此時液晶顯示此站及下一站、語音播報此站及下一站，若還未達到目的，則繼續(xù)按鍵，此時液晶顯示此站及上一站、語音播報此站及上一站，若目的仍未達到，則重新繼續(xù)上述循環(huán)直到達到目的。

圖6 設計流程圖

按照程序流程圖，編寫程序如下：

■2.6 一鍵叫車系統(tǒng)

該手環(huán)提供了一種新型的網(wǎng)約車一鍵呼叫器，這種呼叫器內(nèi)設有信號觸發(fā)器、信號收發(fā)裝置、存儲裝置以及信號顯示裝置，它們的主要功能分別為：觸發(fā)預約的需求、傳輸預約需求、儲存預約需求和反饋預約需求。該裝置的表面設有一個呼叫按鈕，人們可以通過選擇按鈕來發(fā)出出行的指令。其呼叫器內(nèi)部設有藍牙模塊，解決了呼叫器與移動通訊設備間的信號傳輸，其呼叫器上還設有信號顯示裝置，出行人可以直觀的了解網(wǎng)約車目前的狀態(tài)。

圖7 一鍵叫車功能流程圖

■2.7 手環(huán)外觀

市面上大多數(shù)的智能手環(huán)采用的都是醫(yī)用橡膠材質(zhì)，無毒無味，天然無害，我們智能手環(huán)的主體選取的也是醫(yī)用橡膠材質(zhì)，考慮到該手環(huán)的主要受眾群體是老人，相較于別的外觀獨特且復雜的智能手環(huán)，我們手環(huán)的外觀設計相對簡約，但卻又不失時尚感，我們在手環(huán)的兩端設有卡鎖，使佩戴者戴起來更加舒適。

圖8 手環(huán)外觀及功能模塊

在該智能手環(huán)的內(nèi)置區(qū)設有震動馬達、GPS 芯片、續(xù)航時間較長的紐扣電池，和一個配合交通乘運設備使用的IC 芯片，外部結構和內(nèi)置區(qū)的芯片配合，在處理器的支撐下發(fā)揮各自的作用，使手環(huán)能夠正常運作。

3 結論

本設計方案是在調(diào)研老人出行需求的基礎上提出的，增加了一鍵叫車等功能，具有較強的功能針對性和使用性，結合其他功能型手環(huán)的設計方案，選擇采用適合于本系統(tǒng)的功能芯片，并設計了各功能的電路，具有可行性強、穩(wěn)定可靠的特點。