未来智库 > 可穿戴论文 > 【户外可穿戴情境感知系统的研究与实现】
    关键词: 可穿戴情境感知设备; 嵌入式系统; 情境感知; GPS; MEMS传感器; 数据采集
    中图分类号: TN911.23?34; TN915 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2018)02?0152?04
    Abstract: To make wearable device more practical and characteristic and meet people′s requirement of better environment perception and self?recognition, the GPS technology and Micro?Electro?Mechanical System (MEMS) sensor are adopted to perform environment perception and data acquisition on the basis of research on smart wearable device and context?awareness technology. An outdoor wearable context?aware system was designed and implemented to provide GPS location information, air pressure, temperature, humidity, clock date, moving trail, etc. The experimental results show that the system has the characteristics of convenience, accuracy and low power consumption, and can be widely used in fields such as outdoor tour exploration, mountain?climbing, navigation, vehicle security positioning and military anti?terrorism.
    Keywords: wearable context?aware device; embedded system; context awareness; GPS; MEMS sensor; data acquisition
    可穿戴计算技术是美国麻省理工学院媒体实验室在20世纪60年代提出的创新技术,利用该技术与多媒体、传感器、无线通信等技术相结合,可制造出支持多种交互方式的智能设备,这些设备可以直接穿戴在身上或者嵌入人们的衣着中成为衣物的配件。经过几十年的发展,市面上已经涌现出智能手表、智能眼�R、智能手环等主流可穿戴设备,但这些设备还不能满足工业、医疗、军事、教育、娱乐等诸多领域的个性化需求。随着可穿戴计算技术的进步和移动互联网的发展,以及低功耗高性能芯片成本的降低,可穿戴设备的形态和功能等都在不断演变,从整体发展来看,未来可穿戴计算的创新应用将朝着更个性化、智能化、深度化的方向发展[1]。情境感知(Context?Aware)技术是可穿戴智能设备研究过程中的一项关键技术,可以为可穿戴设备带来更加具有实践性和个性化的支持,从而满足人们更好地感知环境、认识自己的需求[2]。本文在研究可穿戴智能设备及情境感知技术的基础上,结合GPS技术及微机电系统(Micro?Electro?Mechanical System,MEMS)传感器[3]对周围环境进行感知和数据采集,设计并实现一种可穿戴式户外情境感知系统。该系统可实现对全球范围内实地经纬度、海拔、气压、温湿度等的测量且语音播报当前地理环境情况,并能在Google Earth上查看运动轨迹等。其设备具有良好的可穿戴性和便携性,在户外旅行、野外探险、登山、航海、车辆的安防定位以及军事反恐等诸多领域有着广阔的应用前景。
    1 可穿戴智能设备的关键技术
    可穿戴设备主要包括处理器、存储器、电源、无线通信、传感器和执行器等。与传统的智能设备相比,智能穿戴设备应具有体积小巧、实时接触的特点,在计算、感知、输入/输出、交互等方面实现进一步的变革创新,以满足综合感知、智能交互的需求。可穿戴智能设备并不是PC机简单的体积缩小,其中包含了很多关键技术,这些技术被称为可穿戴计算技术[4],主要技术如下:
    1) 移动处理技术
    可穿戴智能设备的移动处理器与一般计算机的处理器不同之处在于,它可以“穿”在身上,并且具有移动性,可以感知多维的传感数据,做到任意时刻任何地点(anytime,anywhere)的计算。总体而言,智能穿戴类设备处理器主要选取具有稳定续航能力的低功耗处理器芯片,比如采用微内核的嵌入式系统。
    2) SoC及多接口控制技术
    可穿戴设备的各功能模块应采用片上系统SoC(System on Chip)技术,将多个硬件集成到一个芯片里,可以缩小可穿戴设备的体积,降低成本。采用多接口控制技术,实现整合芯片、传感器、系统软件、显示、存储、电池以及与周边设备无缝互通的通信协议等。
    3) 超微型传感器技术
    随着传感器集成性、功能性和智能化的提升,可穿戴设备已经不仅仅局限在人身体的某个部位,而是具备对外部环境、建筑等数据的收集、监控和传输服务。各类传感器功能性的全融合将成为传感器的研发方向,MEMS传感器的创新应用将是可穿戴设备发展的源泉。
         4) 智能交互技术
    可穿戴设备的智能交互技术要使用户与可穿戴设备形成一个“人机合一”的系统,提高用户对环境感知能力和设备对用户的反馈能力。情境感知技术是智能交互技术的重要组成部分[5],它的发展和应用为可穿戴设备带来了更加具有实践性和个性化的支持,下面重点介绍情境感知技术。
    2 情境感知技术
    情境(context)也称文境、上下文等,可通俗地理解为“用户的身份、位置、环境、时间等”。对于context的定义,一直以来没有统一的结论,比较认可的一种定义是美国的Anind K. Dey做出的[6]:“context是一种信息输入,该信息可以是任一种描述与用户及其应用相关的环境实体的信息,包括人物、地点、时间、物体等。”典型的context信息包括:身份信息(identity)、环境信息(environmental information)、空间信息(spatial information)、生理信息(physiological measurements)等。一般通过传感器之类的设备获得context信息,例如可以通过温度传感器获得环境信息,通过GPS定位获得空间信息等。Anind K. Dey将情境感知技术定义为“一种应用系统,该应用系统利用context向用户主动提供与用户任务相关的信息和服务。”显然,情境感知就是将获取的信息主动提交给主机处理并最终服务于用户的技术。经过对可穿戴智能设备的研究,构建一个典型的基于可穿戴计算平台的情境感知体系结构如图1所示。
    基于可穿戴计算平台的情境感知体系结构属于一种开放型的体系结构[7],可分为四层:物理传感器层、逻辑传输层、context层和应用层。从低层向高层,每层都有各自的相应组件,层层信息传递,实现应用服务功能。结合图1,以GPS定位导航应用服务为例:GPS模块(物理传感器层的组件) 将获取的定位信息通过串口通信模块(逻辑传输层的部分)传送到核心微处理器,微处理器经过提取经纬度等信息并进行处理,确定用户的位置(context层的成员),并通过与微处理器连接的输出设备LCD液晶屏显示(应用层的实现),主动向用户提交位置信息,从而完成一个定位功能的应用。通过这个流程可以看出,它完全符合可穿戴计算平台的情境感知�w系的层次结构。
    3 可穿戴情境感知系统的实现
    3.1 系统架构
    系统结合GPS模块及若干功能性MEMS传感器对周围环境进行感知和数据采集,可实现对全球范围内实地经纬度、海拔、气压、温湿度等的测量且语音播报当前地理环境情况,并能在Google Earth上查看运动轨迹等。系统实现框图如图2所示。
    由GPS模块定位实时采集经纬度坐标点并保存在存储器中,通过串口发送到上机位,再由上位机生成
    .KML文件,最后加载到Google Earth地图上就能在地图上显示存储器所记录到的轨迹[8];通过三轴地磁传感器和三轴加速度传感器,实现对设备倾角的检测[9],进而对电子罗盘的参数做出倾角补偿来减小误差;采用BMP085模块芯片,内置A/D转换器,可以测试出大气气温和大气压强;T588D语音播报模块通过扬声器读出存储器记录到的当前时间、经纬度、搜索到的卫星数目、温湿度和大气压强等;设备使用者通过按键向系统发送各项指令,在液晶屏上即可显示相应的内容。
    3.2 各主要功能模块的实现
    主处理器模块采用STC12C5A60S2主控芯片,它运用了增强型8051内核,运行速度比普通的8051单片机快8~12倍,而且其片内具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的,如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60 kB FLASH ROM。这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写,而且STC系列单片机和8051指令、管脚完全兼容,支持串口程序烧写,写入单片机内的程序还可以进行加密,对作品有很好的保护。本系统主控处理器电路如图3所示。
    三轴加速度传感器使用ADXL345三轴加速度模块,它具有超低功耗,VS=2.5 V时(典型值),测量模式下降至23 μA,待机模式下为0.1 μA,并且功耗随带宽自动按比例变化,用户可选分辨率。通过三轴地磁传感器和三轴加速度传感器,实现对设备倾角的检测,进而对电子罗盘参数做出倾角补偿来减小误差[10]。指南针使用HMC5883指南针模块,主要是考虑校正设备本身磁场的干扰,从而使测量数据更为准确。三轴加速度传感器及指南针电路如图4所示。
    气压传感器使用BMP085不仅可以实时测量大气压力,还能测量实时温度,同时它还具有I2C总线的接口。MS5611?01BA03是由MEAS公司设计并生产的新一代高分辨率的测高传感器,它提供SPI接口和I2C总线两种接口,10 cm的高分辨率使得它更适合于高度测量和气压测量。该传感器模块包括一个高线性压力传感器和一个24位低功耗的A/D转换器,传感器内部包含有工厂校准系数,它提供了一个精确的24位压力和温度值以及不同的操作模式,允许用户优化转换速度和电流消耗。其采用领先的MEMS技术,可以连接到几乎所有微控制器,通信协议简单,无需在设备内部寄存器编程。
    气压传感器电路如图5所示。
    显示屏使用Nokia 5110液晶屏,只占用6个I/O口,大大提高了I/O口的利用率,且Nokia 5110液晶屏体积小,但有着高达84×48的分辨率,可以同时显示15个汉字,30个字符。工作电压3.3 V,正常显示电流20 μA,非常省电,满足本系统显示的要求。显示电路如图6所示。
    4 系统的实现结果
    系统最终的内部实物图如图7所示,经包装后的可穿戴成品如图8所示,系统可穿戴在用户的手臂、腿部、腰间等部位,对周围情境进行感知与监测,是户外运动的得力助手和必备神器。
         5 结 语
    本文在研究可穿戴智能设备及情境感知技术的基础上,以STC12C5A60S2芯片为核心处理器,结合GPS技术、MEMS传感器技术,设计并实现一种可穿戴式户外情境感知系统,可广泛应用于户外旅游探险、登山、航海、野外勘察及安防定位和军事反恐等诸多方面。系统很容易通过增加MEMS传感器等模块实现功能扩展,还可以通过GSM模块、CDMA模块或者射频模块等进行无线组网,实现一个大型情境感知无线传感器网络。本设计与行走发电、基于衣物的太阳能发电、基于织物的柔性平面电池等人体供电模式相结合是未来可穿戴产业重要的发展方向。
    参考文献
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