低功耗无按键运动腕表的设计研究

摘要

随着可穿戴设备的兴起和人们对自身健康意识的增强，具备运动检测功能的运动腕表正逐渐走入人们的生活。无按键运动腕表相比于有按键运动腕表具有外观时尚、防水性好等优点，具备良好的用户体验和计步性能，但同时也面临着各种各样的功耗问题。本文的主要研究内容和创新点包括:
　　本文首先定义了一套完整的无按键运动腕表系统，包括腕表的功能定义和腕表的工作模式，然后对该运动腕表的各个功能模块进行设计，包括算法上的低功耗优化，最后将这些功能模块集成起来，实现一个完整的低功耗无按键运动腕表。
　　本文设计的无按键运动腕表利用敲击代替按键来控制时间状态显示和运动状态切换，并提出了预测敲击算法，即在敲击算法的基础上加入前置动作抬臂的检测来进行优化，在不降低用户体验的情况下，可以大大减少计算的复杂度和时间，进而达到减少功耗的目的。本文还在常规计步算法的基础上提出了根据运动状态自适应地调节加速度传感器采样率和算法计算次数的自适应计步算法，在保证计步准确度和灵敏度的情况下有效地降低了功耗。另外，还增加了睡眠翻身次数监测模块，用于监测人们的睡眠质量。
　　本文基于低功耗蓝牙技术，设计了一套完整的通信模块，有效地实现了腕表和手机之间的数据和时间的同步。本文还设计了运动睡眠数据库，包括运动睡眠数据结构的定义，数据库的初始化和数据的读写擦除机制，并考虑了数据库溢出等问题，该数据库能够对运动睡眠数据进行有效的管理。
　　本文基于TI的片上系统CC2541以及ADI的加速度传感器ADXL362进行开发，将预测敲击算法和自适应计步算法应用于该运动腕表中，实验结果表明，这两种改进算法能够有效地减少处理器运算时间，在保证用户体验和计步精度的情况下显著降低系统功耗。另外低功耗蓝牙通信模块和运动睡眠数据库的设计也对类似产品的开发有很好的借鉴意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 本文研究的背景和意义

1．2 国内外的研究现状

1．3 本文的任务和主要内容

2 腕表定义

2．1 腕表功能定义

2．2 腕表工作模式

2．3 功能模块

2．3．1 敲击检测模块

2．3．2 运动睡眠监测模块

2．3．3 低功耗蓝牙通信模块

2．3．4 运动睡眠数据库模块

2．4 本章小结

3 敲击检测算法

3．1 基本敲击检测算法

3．1．1 基本原理

3．1．2 信号调理

3．1．3 敲击检测状态机

3．2 预测敲击检测算法

3．2．1 工作原理

3．2．2 抬臂检测

3．2．3 降臂检测

3．3 实验结果

3．4 本章小结

4 运动睡眠算法

4．1 运动算法

4．1．1 物理模型

4．1．2 常用计步算法

4．1．3 自适应计步算法

4．2 睡眠算法

4．2．1 物理模型

4．2．2 算法流程

4．3 实验结果

4．3．1 运动算法测试

4．3．2 睡眠算法测试

4．4 本章小结

5 基于低功耗蓝牙技术的通信模块

5．1 低功耗蓝牙介绍

5．1．1 基本介绍

5．1．2 低功耗蓝牙协议栈

5．1．3 应用配置文件(Profile)

5．1．4 低功耗蓝牙通信过程

5．2 腕表的低功耗蓝牙通信模块实现

5．2．1 腕表的应用配置文件定义

5．2．2 腕表的特征值定义

5．2．3 腕表通信流程

5．3 本章小结

6 运动睡眠数据库

6．1 基本介绍

6．2 数据结构

6．2．1 数据库信息

6．2．2 数据页信息

6．2．3 运动数据

6．2．4 睡眠数据

6．3 数据库管理

6．3．1 数据库初始化

6．3．2 数据管理

6．4 本章小结

7 腕表的软硬件实现

7．1 硬件设计

7．1．1 低功耗蓝牙芯片

7．1．2 加速度传感器

7．1．3 系统硬件架构及电路图

7．2 软件设计

7．2．1 腕表端软件

7．2．2 手机端软件

7．3 开发调试环境

7．4 成果及测试

7．4．1 系统实物图

7．4．2 测试

7．5 本章小结

8 总结与展望

8．1 论文研究工作总结

8．2 未来工作展望

参考文献

作者简历及在学习期间取得的科研成果