摘要：智能手表是一種新型的可穿戴式設(shè)備，其中蘊(yùn)含了大量的新穎的設(shè)計(jì)理念，包括傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生命體征，無線通信將實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)向其他設(shè)備發(fā)送。它的出現(xiàn)體現(xiàn)了可穿戴式設(shè)備的快速發(fā)展，同時(shí)也體現(xiàn)出可穿戴式設(shè)備的應(yīng)用將一步一步走向人們的生活。而其智能手機(jī)客戶端，在保證智能手表的基礎(chǔ)功能的前提下，同時(shí)優(yōu)化了智能手表的用戶體驗(yàn)，并收集來自智能手表的數(shù)據(jù)，向服務(wù)器傳輸，達(dá)到云端監(jiān)控的目的。設(shè)計(jì)將主要闡述構(gòu)建基礎(chǔ)可穿戴設(shè)備的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如可穿戴技術(shù)、無線通訊技術(shù)（BLE 傳輸、Socket 傳輸）、相關(guān)傳感器技術(shù)、單片機(jī)系統(tǒng)、以及iOS的應(yīng)用開發(fā)，其中還會(huì)對(duì)新型的TI CC2540 BLE 技術(shù)以及iOS BLE 技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹與分析。

　　0 引言

　　智能手機(jī)的發(fā)展增速很快，但是可穿戴式設(shè)備的發(fā)展還是相對(duì)空白，不僅市面上可以看到的產(chǎn)品有限，而且目前的產(chǎn)品涉及面也相對(duì)較窄，技術(shù)還不算成熟，所以可穿戴式設(shè)備還算是一個(gè)相對(duì)新穎的領(lǐng)域。但作為繼智能手機(jī)之后的下一個(gè)智能終端熱點(diǎn)，它的潛力不可估量。所以有研究能力的科技公司早早地就已經(jīng)進(jìn)行對(duì)該領(lǐng)域的開發(fā)，如三星的SamsungGear，Google 的Google glass。目前可穿戴式設(shè)備的研究領(lǐng)域主要涉及到傳感器技術(shù)以及無線通訊技術(shù)。

　　本項(xiàng)目主要通過整合單片機(jī)系統(tǒng)、BLE 技術(shù)及相關(guān)傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)出可穿戴設(shè)備，再通過開發(fā)iOS 應(yīng)用作為客戶端，最終設(shè)計(jì)出相對(duì)完整的可穿戴式設(shè)備及其客戶端的開發(fā)。其中客戶端通過接入互聯(lián)網(wǎng)可以與云端服務(wù)器進(jìn)行交互，從而獲取云端服務(wù)器的支持。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本項(xiàng)目整體是按照數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)分析－數(shù)據(jù)處理－控制輸出－回饋的框架來實(shí)現(xiàn)，利用DHT11 溫濕度傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)，再通過Atmel 單片機(jī)芯片[3]進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，隨后通過藍(lán)牙芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)客戶端。手機(jī)客戶端以處理數(shù)據(jù)為主，并可以通過藍(lán)牙向智能手表發(fā)送信息，從而達(dá)到控制智能手表的目的。

　　智能手表及其手機(jī)客戶端的系統(tǒng)框架圖如圖1 所示：

　　圖1 系統(tǒng)框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 Bluno 開發(fā)板介紹

　　圖2 Bluno 主控板實(shí)物圖

　　Bluno 主控板是基于ATmega528 芯片，有14 個(gè)數(shù)字I/O 口，其中6 個(gè)I/O 口可以以PWM 口來用，6個(gè)模擬輸入口，16 MHz 的晶振頻率，一個(gè)USB。一個(gè)TI CC2540 芯片，支持低功耗藍(lán)牙通信。同時(shí)主控板支持I2C 和SPI 總線，提供UART TLL 串口通信。

　　2.2 Arduino 拓展板介紹

　　圖3 Bluno 拓展板實(shí)物圖

　　Bluno 拓展主要為主控板提供額外的拓展功能，它內(nèi)部含有一個(gè)128*64 的OLED 顯示屏，一個(gè)有源蜂鳴器，一個(gè)DHT11 溫濕度傳感器，一個(gè)1.5 A 繼電器模塊，一個(gè)螺旋電位器，一個(gè)RGB LED 燈，一個(gè)Mini 搖桿按鍵。

　　2.3 手機(jī)硬件

　　本項(xiàng)目開發(fā)的手機(jī)客戶端是iOS 應(yīng)用，所以，最終完成的應(yīng)用可以兼容iOS 6 及以上iOS 系統(tǒng)，iPhone 4s及以上iPhone 設(shè)備。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分，智能手表部分和手機(jī)客戶端部分。其中智能手表部分的軟件主要有BLE 通訊部分，傳感器數(shù)據(jù)采集部分，時(shí)間功能，以及單片機(jī)系統(tǒng)組成。而手機(jī)客戶端部分主要由BLE通訊部分，Socket 通訊部分，設(shè)備控制部分組成。系統(tǒng)流程圖如圖4 所示：

　　圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

　　3.1 BLE 通訊協(xié)議

　　BLE 通訊采用UTF8 編碼，幀格式如下所示：

　　< Command > content1；

　　< Command > content1， content2，&hellip;；

　　< Command + ExtraString>stringLength；

　　3.2 藍(lán)牙通訊協(xié)議

　　智能手表藍(lán)牙通訊主要由兩個(gè)部分組成，分別是BLE 雙向透?jìng)髂K和串口封裝模塊。

　　BLE 雙向透?jìng)髂K是基于BLE 協(xié)議棧以及OSAL(TI CC2540 內(nèi)部的實(shí)時(shí)系統(tǒng))的開發(fā)。而串口雙向透?jìng)鞯哪康脑谟诤雎詤f(xié)議棧以及OSAL 的成分，將其視為一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入輸出系統(tǒng)。所以在進(jìn)行串口透?jìng)髦埃O(shè)定固定的BLE service 以及固定BLE characteristic。整個(gè)系統(tǒng)的流程最開始需要進(jìn)入初始化流程，分別是硬件初始化、OSAL 初始化、BLE 協(xié)議棧初始化、串口初始化、應(yīng)用層初始化。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)初始化完成以后進(jìn)入事件輪詢流程。

　　串口接收數(shù)據(jù)部分：BLE 協(xié)議棧檢測(cè)到characteristic的變化后，會(huì)調(diào)用用戶填入的回調(diào)函數(shù)，而在整個(gè)回調(diào)函數(shù)中可以處理characteristic 的數(shù)據(jù)，隨后將有效數(shù)據(jù)填入串口回調(diào)函數(shù)最終將數(shù)據(jù)輸出至串口。

　　串口發(fā)送數(shù)據(jù)部分：串口收到數(shù)據(jù)后將調(diào)用串口回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中調(diào)用BLE 協(xié)議棧提供的寫入characteristic 函數(shù)，隨后將數(shù)據(jù)處理并寫入characteristic中（對(duì)于監(jiān)聽該characteristic 的設(shè)備而言，將能夠發(fā)現(xiàn)該值的變化，從而讀取數(shù)據(jù)）。

　　由于雙向透?jìng)髂K并沒有隱藏串口，所以如果想要進(jìn)行數(shù)據(jù)I/O，還需要經(jīng)過串口的操作，勢(shì)必會(huì)帶來不必要的麻煩。所以設(shè)計(jì)串口封裝模塊，忽略串口的存在，并遵循通信協(xié)議下的數(shù)據(jù)收發(fā)格式。

　　3.3 智能手表傳感器數(shù)據(jù)采集

　　本項(xiàng)目主要使用的傳感器是DHT11 溫濕度傳感器。DHT11 是一個(gè)相對(duì)較友好的硬件模塊。它對(duì)數(shù)據(jù)的封裝以及數(shù)據(jù)的IO 已經(jīng)做了很好的處理。對(duì)于軟件上的設(shè)計(jì)，所做的工作不多。首先需要進(jìn)行DHT11的初始化，主要目的是通知DHT11 做好準(zhǔn)備。

　　而在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由于讀取數(shù)據(jù)的方式是同步的，所以在智能手表系統(tǒng)需要等待DHT11 設(shè)備處理并準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，才能讀取。其中準(zhǔn)備過程以及讀取過程都需要進(jìn)行硬延時(shí)。這在一定程度上會(huì)對(duì)系統(tǒng)的定時(shí)功能造成影響（尤其本設(shè)計(jì)是一塊手表，所以對(duì)時(shí)間有著嚴(yán)格的要求），所以系統(tǒng)獲取DHT11 數(shù)據(jù)是有一個(gè)較長(zhǎng)的軟延時(shí)間隔。

　　3.4 智能手表時(shí)間功能

　　時(shí)間功能主要由時(shí)間類以及日期類組成，其中時(shí)間類負(fù)責(zé)時(shí)分秒的計(jì)算，而日期類主要負(fù)責(zé)日期的計(jì)算。

　　3.5 智能手表單片機(jī)系統(tǒng)

　　整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)由顯示模塊、系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)定時(shí)器模塊、系統(tǒng)時(shí)間輪詢模塊串口輪詢以及BLE 通訊輪詢組成。其中顯示模塊負(fù)責(zé)封裝硬件信息，并設(shè)計(jì)適合進(jìn)行軟件操作的接口。

　　系統(tǒng)初始化主要包含以下幾個(gè)任務(wù)：OLED 初始化、串口初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、繼電器及蜂鳴器初始化、BLE 通訊模塊初始化、系統(tǒng)狀態(tài)位初始化。

　　系統(tǒng)定時(shí)器進(jìn)程的設(shè)置是因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)中能夠設(shè)置的定時(shí)器是十分有限的。所以只能利用有限的定時(shí)器去&ldquo;生成&rdquo;更多的定時(shí)器。在本設(shè)計(jì)中，如果需要新增定時(shí)器，首先需要添加自定義定時(shí)器。隨后系統(tǒng)定時(shí)器進(jìn)程將會(huì)根據(jù)自定義定時(shí)器進(jìn)行生成定時(shí)。

　　系統(tǒng)事件的輪詢主要的實(shí)現(xiàn)是基于系統(tǒng)定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)。每隔50 ms 對(duì)系統(tǒng)事件進(jìn)行檢測(cè)，所涉及到的系統(tǒng)事件主要為按鍵事件。

　　串口收發(fā)輪詢用于收發(fā)來自串口的數(shù)據(jù)，其目的主要用于調(diào)試。BLE 通訊輪詢進(jìn)程主要用于收發(fā)來自BLE 通訊模塊的數(shù)據(jù)。其流程如圖5 所示：

　　圖5 BLE 通訊流程

　　3.6 手機(jī)客戶端藍(lán)牙通訊

　　BLE 通訊的設(shè)計(jì)主要使用了Cocoa touch 自帶的Core Bluetooth 框架，并再此之上進(jìn)行二次開發(fā)，并對(duì)BLE 的特性進(jìn)行一定程度的隱藏。在本設(shè)計(jì)中，iOS 客戶端的BLE 角色是Central 的，需要進(jìn)行廣播的搜索，以及鏈接的建立，找到感興趣的peripheral后，訂閱其中的characteristic，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

　　3.7 手機(jī)客戶端Socket 通訊

　　Socket 類的設(shè)計(jì)使用了Cocoa touch 中的CF-Socket，并將Socket 的特性進(jìn)行了一定程度的隱藏，以方便與云端服務(wù)器進(jìn)行通訊。

　　3.8 手機(jī)客戶端硬件控制

　　設(shè)備控制模塊主要負(fù)責(zé)配置智能手表的信息，當(dāng)配置完成以后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給智能手表。

　　4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的智能手表及其客戶端具有以下特點(diǎn)：

　?。?）Bluno 主控板及其拓展板是基于Arduino 平臺(tái)，方便進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)以及軟件開發(fā)。

　?。?）本項(xiàng)目使用的BLE 通訊不僅功耗低，而且能夠保證相對(duì)可靠地通訊，它可以在開闊的空間內(nèi)達(dá)到120 m 的通訊距離。

　?。?）使用的iOS 平臺(tái)具有較好的兼容性，可以兼容iPhone 4s 及以上的設(shè)備。

　　（4）手機(jī)客戶端可以與云端服務(wù)器進(jìn)行通訊，可以將智能手表手機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云端服務(wù)器，同時(shí)云端服務(wù)器也可以通過手機(jī)客戶端控制智能手表。