北斗三號(hào)融合智能穿戴產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用

柳芳震

（福信富通科技股份有限公司，福建 福州 350001）

本文重點(diǎn)講述了北斗三號(hào)融合智能穿戴產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用的軟硬件設(shè)計(jì)和相關(guān)案例借鑒，為發(fā)展北斗+智能穿戴產(chǎn)品提供技術(shù)借鑒。

1 研究背景

借助北斗三號(hào)全球組網(wǎng)成功，賦能北斗技術(shù)走進(jìn)民生已是國(guó)家戰(zhàn)略，為規(guī)范中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)民用示范組織管理工作，中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)管理辦公室于2015-04-15 印發(fā)了《中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)民用示范項(xiàng)目管理辦法（試行）》的通知。結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用需求，優(yōu)先選取事關(guān)國(guó)計(jì)民生、社會(huì)公益的重大方向，全國(guó)各省都已開(kāi)展北斗綜合應(yīng)用示范。

新時(shí)代下應(yīng)響應(yīng)習(xí)近平總書(shū)記的號(hào)召，大力弘揚(yáng)新時(shí)代北斗精神，發(fā)揮北斗技術(shù)特點(diǎn)和“數(shù)字中國(guó)”建設(shè)良好基礎(chǔ)條件的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步抓住創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、大數(shù)據(jù)、“一帶一路”等國(guó)家發(fā)展機(jī)遇，結(jié)合鞋服產(chǎn)業(yè)，研發(fā)北斗三號(hào)穿戴感知產(chǎn)品，賦能北斗智能應(yīng)用，打造數(shù)字鞋服，促進(jìn)傳統(tǒng)行業(yè)升級(jí)。

2 研究目的和意義

為給北斗創(chuàng)新應(yīng)用孵化提供優(yōu)良土壤，從技術(shù)創(chuàng)新、模式創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新3 個(gè)方面推進(jìn)北斗+智能穿戴在鞋服產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。借助最新的北斗技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，將傳感器網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)動(dòng)科學(xué)和云平臺(tái)等集為一體，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作識(shí)別、步態(tài)識(shí)別、體征感知、運(yùn)動(dòng)感知、健康檢測(cè)、位置服務(wù)等功能，希望能對(duì)中國(guó)北斗融合智能穿戴實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。

3 北斗融合智能穿戴產(chǎn)品技術(shù)方案

3.1 整體設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)主要包括北斗RNSS 模塊、三維（6 軸）加速度傳感器、力敏傳感器及數(shù)據(jù)發(fā)射器，如圖1 所示。

圖1 整體組成

3.1.1 北斗三號(hào)RNSS 模塊

北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“北斗三號(hào)系統(tǒng)”）由24 顆中圓地球軌道衛(wèi)星、3 顆地球靜止軌道衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星共30顆衛(wèi)星組成[1]。北斗三號(hào)相比北斗二號(hào)，增加了B1I、B1C、B2A 等頻點(diǎn)，系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度。頻點(diǎn)對(duì)比表如表1 所示。

表1 頻點(diǎn)對(duì)比表

選用TAU1105，TAU1105 是一款低成本、高性?xún)r(jià)比的多系統(tǒng)定位模塊，搭載了華大北斗的CYNOSUREIIGNSS SoC 芯片，支持新一代北斗三號(hào)信號(hào)體制，同時(shí)支持全球所有民用導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（包括BDS、GPS、GLONASS、GALILEO、QZSS 及SBAS）[2]。TAU1105尺寸小、集成度高且應(yīng)用簡(jiǎn)單，非常適合智能穿戴產(chǎn)品的GNSS 規(guī)?；瘧?yīng)用。RNSS 模塊技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 RNSS 模塊技術(shù)指標(biāo)

3.1.2 通信機(jī)制

通信模組采用3GPP el.13 LTE 技術(shù)，可提供下行10 Mbps 和上行5 Mbps 數(shù)據(jù)速率；支持豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口以及超高性能，適用于Windows、Linux、Android 的USB 串行驅(qū)動(dòng)程序，建議尺寸小于19.6 mm×19.6 mm×2.46 mm，以適用于手表、手環(huán)等小型穿戴終端；模組支持OPEN CPU，無(wú)需外部處理器以及相關(guān)的存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備，降低了硬件成本，縮短了時(shí)間周期。為了實(shí)現(xiàn)智能化，總模塊包括總處理器、多模定位模塊、北斗RTK 定位模塊、通話(huà)雙向監(jiān)聽(tīng)模塊、低電量報(bào)警模塊、心率檢測(cè)模塊、防拆報(bào)警模塊、越界報(bào)警模塊和遠(yuǎn)程傳輸模塊。

3.1.3 基于A(yíng)I 的動(dòng)態(tài)組合定位算法

通過(guò)姿態(tài)傳感器及動(dòng)能轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)感應(yīng)電壓變化曲線(xiàn)，識(shí)別基于錨點(diǎn)的步幅、步頻、航向監(jiān)測(cè)；運(yùn)動(dòng)形態(tài)識(shí)別的方法其特征在于通過(guò)監(jiān)測(cè)姿態(tài)傳感器橫滾、俯仰角度變化，判斷使用者的走姿狀況；通過(guò)姿態(tài)傳感器旋轉(zhuǎn)軸和繞該軸旋轉(zhuǎn)的角度構(gòu)造一個(gè)四元數(shù)，四元數(shù)定義公式如下：

式中：α為繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)值；cos（βx）、cos（βy）、cos（βz）分別為旋轉(zhuǎn)軸在x、y、z方向的分量，以確定旋轉(zhuǎn)軸。

四元數(shù)轉(zhuǎn)換成三維姿態(tài)角，變換公式如下：

式中：φ為姿態(tài)傳感器滾角的數(shù)值；θ為姿態(tài)傳感器仰角的數(shù)值；ψ為姿態(tài)傳感器方位角的數(shù)值。

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要的腳步運(yùn)動(dòng)形態(tài)有：協(xié)調(diào)型φ≤|n|，翻轉(zhuǎn)型φ＞|n|，預(yù)估n的最優(yōu)取值2°；腳步起落協(xié)調(diào)型φ≤|n|，判斷為正常內(nèi)旋；腳步起落翻轉(zhuǎn)型φ＞|n|，n為正值，判斷為內(nèi)旋不足；腳步起落翻轉(zhuǎn)型φ＞|n|，n為負(fù)值，判斷為過(guò)度內(nèi)旋[3]。

通過(guò)檢測(cè)腳底不同部位的受力情況，從而了解其他數(shù)據(jù)，例如平衡情況、體重轉(zhuǎn)移、地面接觸力等，并按一定的規(guī)律安裝在智能跑鞋鞋墊上的多個(gè)位置，收集運(yùn)動(dòng)者的平均觸底時(shí)間、著地比例、步態(tài)比例，從3 個(gè)維度結(jié)合大數(shù)據(jù)的建模和分析，基本可以得出運(yùn)動(dòng)者的步姿、習(xí)慣是否科學(xué)合理。

3.1.4 多維復(fù)合工作模式介紹

提供各種場(chǎng)景下的定位模式。第一種為日常模式，也稱(chēng)標(biāo)配模式。該模式下通過(guò)AI姿態(tài)算法無(wú)報(bào)警、無(wú)特殊情況發(fā)生時(shí)，默認(rèn)不上報(bào)數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入APP/小程序，平臺(tái)會(huì)下行wake 指令設(shè)備上報(bào)當(dāng)前最新位置，在用戶(hù)使用APP 過(guò)程中，每2.5 min 會(huì)上報(bào)位置信息，將精度和耗能降到最低。第二種為定時(shí)上報(bào)模式，適合監(jiān)管或運(yùn)動(dòng)使用場(chǎng)景。該模式下用戶(hù)自行設(shè)置運(yùn)動(dòng)/靜止?fàn)顟B(tài)下設(shè)備的上報(bào)周期，根據(jù)設(shè)置的周期，設(shè)備按頻率上報(bào)位置信息。第三種為鬧鐘模式，該模式下用戶(hù)可設(shè)置多個(gè)鬧鐘，設(shè)備根據(jù)鬧鐘設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)當(dāng)前時(shí)間位置，設(shè)備僅在設(shè)置的時(shí)間點(diǎn)上報(bào)位置信息，其余時(shí)間則不上報(bào)數(shù)據(jù)，該模式也稱(chēng)為省電模式，功耗較低，使用場(chǎng)景適用考勤簽到等應(yīng)用場(chǎng)景。第四種模式為追蹤模式。追蹤模式下，系統(tǒng)分析當(dāng)前設(shè)備處于圍欄范圍外等特殊情況，自動(dòng)開(kāi)啟北斗RNSS 模式定位，對(duì)設(shè)備穿戴人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位跟蹤，實(shí)時(shí)獲取地理位置信息，在跟蹤模式下耗能和精度同時(shí)提高，但功耗高，縮短了使用時(shí)間；當(dāng)電池電量達(dá)到特定臨界值時(shí)，自動(dòng)給緊急聯(lián)系人發(fā)送信息告警，提醒及時(shí)充電，同時(shí)發(fā)送最后精確位置信息數(shù)據(jù)。

3.2 云平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 平臺(tái)架構(gòu)

北斗大數(shù)據(jù)底座主要用于解決數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、設(shè)備命令下發(fā)等問(wèn)題，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)部分和大數(shù)據(jù)支撐的主體部分。

穿戴應(yīng)用服務(wù)，管理業(yè)務(wù)包括用戶(hù)管理、權(quán)限管理、機(jī)構(gòu)管理、菜單管理、設(shè)備管理等基礎(chǔ)服務(wù)，應(yīng)用業(yè)務(wù)包括運(yùn)動(dòng)軌跡、實(shí)時(shí)位置、安全圍欄、步數(shù)分析、跌倒報(bào)警、監(jiān)控中心、行為分析、報(bào)警查詢(xún)和系統(tǒng)日志的業(yè)務(wù)服務(wù)。

北斗穿戴APP 作為前端業(yè)務(wù)，為使用群體提供移動(dòng)端業(yè)務(wù)服務(wù)，主要包括安全圍欄、運(yùn)動(dòng)軌跡、實(shí)時(shí)位置、消息中心、設(shè)備綁定、成員管理、步數(shù)統(tǒng)計(jì)、電量監(jiān)測(cè)、監(jiān)控預(yù)警和個(gè)人中心的業(yè)務(wù)服務(wù)。

3.2.2 技術(shù)架構(gòu)

采用J2EE 技術(shù)路線(xiàn)，基于前后端分離、服務(wù)分層解耦和微服務(wù)分布化及異步化的原則進(jìn)行5 層系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3 所示，分別為基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、中間件服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層、服務(wù)接入層、頁(yè)面展示層，確保系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)且可靠。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

3.2.3 安全體系

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部署在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，但部分功能需要開(kāi)放互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)，為確保信息安全，平臺(tái)遵循安全防護(hù)的相關(guān)要求，按照“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用、橫向隔離、縱向認(rèn)證、動(dòng)態(tài)感知、全面防護(hù)”的原則，針對(duì)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)從物理安全、邊界安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、終端安全等方面進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)[4]。平臺(tái)應(yīng)用安全體系架構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)安全體系架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2.4 系統(tǒng)接口要求

平臺(tái)對(duì)外提供各種開(kāi)發(fā)接口，包括完全兼容數(shù)據(jù)第三方二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)源各個(gè)組件API接口，REST 訪(fǎng)問(wèn)接口包括Web 以及REST 接口；同時(shí)通過(guò)支持SQL最新標(biāo)準(zhǔn)和MYSQL，提供JDBC/ODBC 接口，能夠使傳統(tǒng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景向大數(shù)據(jù)平臺(tái)上進(jìn)行平滑遷移。平臺(tái)提供的主要開(kāi)發(fā)接口詳細(xì)描述如表3 所示。

表3 系統(tǒng)主要接口開(kāi)發(fā)要求

建議二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件采用SOA 架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可服務(wù)化封裝的功能列表如表4 所示。

表4 可服務(wù)化封裝功能列表

4 北斗融合穿戴產(chǎn)品的案例

北斗穿戴應(yīng)用建議在手表、手環(huán)、鞋服、掛飾等產(chǎn)品形態(tài)上設(shè)置2 類(lèi)產(chǎn)品：一類(lèi)為消費(fèi)類(lèi)通用產(chǎn)品，另一類(lèi)為老人、兒童關(guān)愛(ài)類(lèi)產(chǎn)品。消費(fèi)類(lèi)以位置服務(wù)、運(yùn)動(dòng)記錄、人體姿態(tài)監(jiān)測(cè)為主導(dǎo)，提供智能化應(yīng)用；老人、兒童類(lèi)產(chǎn)品則為專(zhuān)業(yè)的關(guān)愛(ài)、守護(hù)、健康數(shù)據(jù)分析為主導(dǎo)，這樣增加了產(chǎn)品組合的深度，迎合了不同消費(fèi)者的產(chǎn)品需求，并達(dá)到擴(kuò)大市場(chǎng)占有率的目的。已有民政局幫扶全市部分60 周歲以上老人（散居特困供養(yǎng)對(duì)象、60周歲以上失智老年人有定位防走失需求的）制定幫扶方案，建立對(duì)象摸底表等工作臺(tái)賬，及時(shí)掌握活動(dòng)進(jìn)展情況。幫扶工作所需物資為基于北斗三號(hào)定位技術(shù)的運(yùn)動(dòng)軌跡記錄智能鞋，切實(shí)維護(hù)老年人在信息時(shí)代下的合法權(quán)益，幫助老年人跨越“數(shù)字鴻溝”，提升老年人獲得感、幸福感、安全感，開(kāi)展“智慧養(yǎng)老幫扶”行動(dòng)。

5 結(jié)論

北斗三號(hào)融合智能穿戴創(chuàng)新應(yīng)用旨在通過(guò)北斗結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)感知、行為識(shí)別、體征監(jiān)測(cè)、位置服務(wù)等創(chuàng)新應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)北斗三號(hào)智能穿戴應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展提供一定的技術(shù)借鑒。