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智能手表项目要点(嵌入式方向)

基于FreeRTOS的嵌入式智能可穿戴设备系统设计#

项目概述#

本项目设计并实现了一个基于STM32F4微控制器和FreeRTOS实时操作系统的嵌入式智能可穿戴设备。系统集成了多传感器数据采集、健康监测算法处理、低功耗电源管理以及嵌入式图形用户界面,提供心率监测、步数统计、睡眠分析和运动追踪等功能。系统采用模块化设计,具有良好的可扩展性和实时响应能力。

系统架构设计#

硬件平台配置#

主控制器#

  • 微控制器:STM32F411CEU6 ARM Cortex-M4
  • 主频:100MHz,配备512KB Flash,128KB RAM
  • 功耗特性:支持多种低功耗模式(Sleep,Stop,Standby)

传感器模块#

  1. 运动传感器:MPU9250 9轴IMU

    • 三轴加速度计:±2g/±4g/±8g/±16g量程
    • 三轴陀螺仪:±250/±500/±1000/±2000°/s量程
    • 三轴磁力计:±4800μT量程
  2. 心率传感器:MAX30102光电传感器

    • 集成红光(660nm)和红外光(880nm)LED
    • 18位ADC分辨率
    • 采样率:50-3200Hz可调
  3. 环境传感器:BMP280气压温度传感器

    • 气压测量范围:300-1100hPa
    • 温度测量精度:±0.5°C
    • 低功耗模式:<1μA

显示模块#

  • 显示屏:1.3英寸OLED,分辨率128×64
  • 接口:SPI接口,支持硬件加速
  • 触摸控制:电容式触摸面板

FreeRTOS实时操作系统设计#

任务划分与调度策略#

任务优先级设计#

系统采用固定优先级抢占式调度策略,任务优先级分配如下:

任务名称优先级执行周期功能描述
Sensor_Acquisition610ms传感器数据采集
Health_Algorithm520ms健康算法处理
GUI_Refresh433ms (30fps)图形界面刷新
Communication350ms蓝牙数据传输
Power_Management2100ms电源管理
System_Monitor11000ms系统状态监控

任务间通信机制#

  1. 消息队列
// 传感器数据消息队列
QueueHandle_t sensor_data_queue;
sensor_data_queue = xQueueCreate(10, sizeof(SensorData_t));
// GUI更新消息队列
QueueHandle_t gui_update_queue;
gui_update_queue = xQueueCreate(5, sizeof(GUI_Update_t));
  1. 信号量与互斥锁
// SPI总线互斥锁
SemaphoreHandle_t spi_mutex;
spi_mutex = xSemaphoreCreateMutex();
// 数据就绪信号量
SemaphoreHandle_t data_ready_sem;
data_ready_sem = xSemaphoreCreateBinary();
  1. 事件组
// 系统事件标志组
EventGroupHandle_t system_events;
system_events = xEventGroupCreate();
// 事件定义
#define SENSOR_DATA_READY_BIT (1 << 0)
#define GUI_REFRESH_BIT (1 << 1)
#define LOW_BATTERY_BIT (1 << 2)

内存管理策略#

采用FreeRTOS Heap_4内存分配方案:

  • 总堆大小:64KB
  • 最小块大小:32字节
  • 碎片整理:自动合并空闲内存块

健康监测算法设计#

心率检测算法#

1. 信号预处理#

// PPG信号滤波处理
typedef struct {
float raw_signal;
float filtered_signal;
float dc_component;
float ac_component;
} PPG_Signal_t;
// 自适应带通滤波器设计
void adaptive_bandpass_filter(PPG_Signal_t* signal, float heart_rate) {
// 根据心率动态调整截止频率
float low_cutoff = heart_rate * 0.8 / 60.0; // Hz
float high_cutoff = heart_rate * 1.2 / 60.0; // Hz
// 实现二阶Butterworth滤波器
// ...
}

2. 心率计算算法#

采用自相关函数法检测心率:

float calculate_heart_rate(float* ppg_signal, int sample_count, float sample_rate) {
float max_correlation = 0;
int best_lag = 0;
// 计算自相关函数
for (int lag = MIN_LAG; lag <= MAX_LAG; lag++) {
float correlation = 0;
for (int i = 0; i < sample_count - lag; i++) {
correlation += ppg_signal[i] * ppg_signal[i + lag];
}
if (correlation > max_correlation) {
max_correlation = correlation;
best_lag = lag;
}
}
// 计算心率(次/分钟)
return 60.0 * sample_rate / best_lag;
}

3. 心率变异性分析#

// 计算SDNN(正常窦性心搏间期的标准差)
float calculate_sdnn(float* rr_intervals, int count) {
float mean = 0;
for (int i = 0; i < count; i++) {
mean += rr_intervals[i];
}
mean /= count;
float variance = 0;
for (int i = 0; i < count; i++) {
variance += (rr_intervals[i] - mean) * (rr_intervals[i] - mean);
}
return sqrt(variance / count);
}

步数统计算法#

1. 加速度数据预处理#

// 三轴加速度合成与重力去除
typedef struct {
float x, y, z;
float magnitude;
float filtered;
} Acceleration_t;
void process_acceleration(Acceleration_t* accel) {
// 计算合加速度
accel->magnitude = sqrt(accel->x * accel->x +
accel->y * accel->y +
accel->z * accel->z);
// 去除重力分量(高通滤波)
static float gravity = 9.81;
accel->filtered = accel->magnitude - gravity;
}

2. 步数检测算法#

基于峰值检测的步数统计算法:

// 步数检测状态机
typedef enum {
STEP_IDLE,
STEP_POSITIVE_SLOPE,
STEP_PEAK_DETECTED,
STEP_NEGATIVE_SLOPE,
STEP_VALLEY_DETECTED
} Step_State_t;
int detect_steps(float* acceleration, int sample_count, float threshold) {
int step_count = 0;
Step_State_t state = STEP_IDLE;
float prev_value = acceleration[0];
for (int i = 1; i < sample_count; i++) {
float current = acceleration[i];
switch (state) {
case STEP_IDLE:
if (current > threshold && prev_value <= threshold) {
state = STEP_POSITIVE_SLOPE;
}
break;
case STEP_POSITIVE_SLOPE:
if (current < prev_value) {
state = STEP_PEAK_DETECTED;
}
break;
case STEP_PEAK_DETECTED:
step_count++;
state = STEP_NEGATIVE_SLOPE;
break;
case STEP_NEGATIVE_SLOPE:
if (current > threshold) {
state = STEP_POSITIVE_SLOPE;
} else if (current < -threshold) {
state = STEP_VALLEY_DETECTED;
}
break;
case STEP_VALLEY_DETECTED:
if (current > -threshold) {
state = STEP_IDLE;
}
break;
}
prev_value = current;
}
return step_count;
}

睡眠质量分析算法#

1. 活动水平计算#

基于加速度数据的活动指数计算:

typedef struct {
float activity_level; // 活动水平
float body_movement; // 身体移动强度
float position_changes; // 体位变化次数
float sleep_score; // 睡眠评分
} Sleep_Analysis_t;
void analyze_sleep_pattern(Acceleration_t* accel_data, int sample_count,
Sleep_Analysis_t* analysis) {
float total_activity = 0;
int movement_count = 0;
for (int i = 0; i < sample_count; i++) {
// 计算活动水平
float activity = fabs(accel_data[i].filtered);
total_activity += activity;
// 检测显著运动
if (activity > MOVEMENT_THRESHOLD) {
movement_count++;
}
}
analysis->activity_level = total_activity / sample_count;
analysis->body_movement = movement_count;
analysis->position_changes = detect_position_changes(accel_data, sample_count);
analysis->sleep_score = calculate_sleep_score(analysis);
}

2. 睡眠阶段识别#

基于活动水平和心率变异性:

typedef enum {
SLEEP_AWAKE,
SLEEP_REM,
SLEEP_LIGHT,
SLEEP_DEEP
} Sleep_Stage_t;
Sleep_Stage_t classify_sleep_stage(float activity_level, float heart_rate_variability,
float time_since_sleep_start) {
if (activity_level > 0.5) {
return SLEEP_AWAKE;
}
if (time_since_sleep_start < 60) { // 入睡初期
if (heart_rate_variability < 30) {
return SLEEP_LIGHT;
} else {
return SLEEP_REM;
}
} else { // 深度睡眠期
if (heart_rate_variability < 20 && activity_level < 0.1) {
return SLEEP_DEEP;
} else if (heart_rate_variability > 40) {
return SLEEP_REM;
} else {
return SLEEP_LIGHT;
}
}
}

嵌入式GUI系统设计#

LVGL图形库集成#

1. 显示驱动配置#

// 显示缓冲配置
static lv_disp_draw_buf_t draw_buf;
static lv_color_t buf_1[DISP_HOR_RES * 20]; // 行缓冲
static lv_color_t buf_2[DISP_HOR_RES * 20]; // 双缓冲
// 显示驱动初始化
void lvgl_display_init(void) {
lv_init();
// 初始化显示缓冲
lv_disp_draw_buf_init(&draw_buf, buf_1, buf_2, DISP_HOR_RES * 20);
// 配置显示驱动
static lv_disp_drv_t disp_drv;
lv_disp_drv_init(&disp_drv);
disp_drv.hor_res = DISP_HOR_RES;
disp_drv.ver_res = DISP_VER_RES;
disp_drv.draw_buf = &draw_buf;
disp_drv.flush_cb = my_disp_flush;
disp_drv.user_data = &spi_handle;
lv_disp_drv_register(&disp_drv);
}
智能手表项目要点(嵌入式方向)
https://liyunyi2005.github.io/posts/ui-watch/
作者
yiyunyi
发布于
2025-12-26
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0