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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
-
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
-
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
-
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_Acquisition | 6 | 10ms | 传感器数据采集 |
| Health_Algorithm | 5 | 20ms | 健康算法处理 |
| GUI_Refresh | 4 | 33ms (30fps) | 图形界面刷新 |
| Communication | 3 | 50ms | 蓝牙数据传输 |
| Power_Management | 2 | 100ms | 电源管理 |
| System_Monitor | 1 | 1000ms | 系统状态监控 |
任务间通信机制
- 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));- 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();- 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/