一種基於雲計算平臺的智能手環及系統的製作方法

2023-05-28 10:48:41

本發明涉及可穿戴設備，具體涉及一種基於雲計算平臺的智能手環及系統。

背景技術：

在21世紀的第二個10年，科技的發展將人類帶入移動網際網路時代，大量的智慧型手機、平板電腦等智能終端設備，已進入人們的日常生活。這為可穿戴設備的發展提供了良好的條件，可穿戴設備更加貼近人們的生活，可以增加人們與智能終端設備的交互方式，開始探索更加與人緊密聯繫，能監測自己身體狀態，或能增加人對外界的探索方式的智能外設。

目前市場上常見的可穿戴設備大致可以分為兩個方向，一是人體動作信息監測，如現在市場上品牌眾多的計步功能手環，這類設備，主要是通過加速度傳感器對人的運動時數據進行採樣並根據一定的步伐檢測算法進行計數，然後進行數據的綜合與運算，反應人的運動量和熱量消耗等信息。二是延伸人的信息獲取，如谷歌眼鏡、Apple Watch智能手錶、Moto 360智能手錶等，谷歌眼鏡可以使佩戴者實時搜索，更方便快速地獲得信息，進行實時拍攝、錄像，具有所見即所得的特性；Moto 360智能手錶搭載了最新的Android Wear作業系統，它與智慧型手機連接以後，可以將通知信息推送到手錶上，並可以通過語音回覆信息和遠程操作設備。

目前的智能手環只是像「秘書」一樣簡單的記錄你的健康信息，消費者還是無法從中準確地了解自己的健康狀況，也沒有專門的健康專家提供有價值的健康方案；其次，在智能手環上加載數據挖掘模塊會極大增加手環的功耗，降 低續航時間；最後，缺乏利用用戶大數據的手段和機制。

技術實現要素：

本發明目的在於克服現有技術的不足，尤其解決現有的智能手環中缺乏信息交互手段，只能實現對單個個體數據的存儲、處理和挖掘，而不能利用大量不同用戶數據建立起用戶健康模型，實現使用者的健康監控和預測等問題。

本發明方案通過智能手環收集用戶體徵或者運動等數據，然後通過藍牙將數據傳遞到雲終端，再由雲終端將數據傳輸至雲計算平臺對數據進行存儲、處理和挖掘，使用聚類、分類等手段對大量不同用戶的數據進行分析，可以總結出使用人的行為模式以及健康狀況，也能夠準確的預測使用者的身體健康狀況的趨勢，並提前給出有價值的指導意見或警告。

為解決上述技術問題，本發明採用如下的技術方案：

一種基於雲計算平臺的智能手環及系統，該系統包括雲計算平臺、雲終端以及智能手環；所述雲計算平臺通過網際網路連接於雲終端，所述雲終端通過藍牙連接於智能手環；其中：

所述雲計算平臺包括數據存儲模塊以及數據處理模塊，數據存儲模塊用於存儲雲終端上傳的用戶運動數據，數據處理模塊將用戶運動數據作為輸入，同時輔以不同用戶的運動數據，構建用戶健康模型，實時對用戶的身體健康狀況進行預測。

所述雲終端包括顯示屏、嵌入式處理器、存儲器和通信接口組成；嵌入式處理器和存儲器是雲終端的核心組成部分，顯示屏是用戶與雲終端交互的接口。通信接口主要包括與雲計算平臺的通信、與智能手環的通信。

所述智能手環包括主晶片、LED、ADXL 362加速度計晶片、按鍵與電池電量檢測電路以及專用加密晶片；所述的主晶片依次與LED、ADXL 362加速度計晶片、按鍵與電池電量檢測電路和專用加密晶片相連，主晶片通過BLE藍牙協議與所述雲終端相連。

附圖說明

圖1是本發明的一個具體實施例的結構示意圖。

圖2為本發明的一個具體實施方式中主晶片及外圍電路的原理圖。

圖3為本發明的一個具體實施方式中LED的原理圖。

圖4為本發明的一個具體實施方式中ADXL 362加速度計晶片及外圍電路的原理圖。

圖5為本發明的一個具體實施方式中按鍵與電池電路檢測電路的原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發明進行更加詳細與完整的說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。

參見圖1，一種基於雲計算平臺的智能手環及系統，該系統包括雲計算平臺1、雲終端2以及智能手環3；所述雲計算平臺1通過網際網路連接於雲終端2，所述雲終端2通過藍牙連接於智能手環3；其中：

所述雲計算平臺1包括數據存儲模塊1-1以及數據處理模塊1-2，數據存儲模塊1-1用於存儲雲終端2上傳的用戶運動數據，數據處理模塊1-2將用戶運動數據作為輸入，同時輔以不同用戶的運動數據，構建用戶健康模型，實時對用戶的身體健康狀況進行預測，其中：

(1)數據存儲模塊1-1使用HDFS分布式文件系統和HBase資料庫組成，可以存儲超大文件並使用流對文件進行高速讀寫，其中：

HDFS是由一個NameNode主伺服器和多個DataNode塊伺服器組成的主從結構，NameNode用於管理文件系統的命名空間以及用戶對文件的讀寫訪問，其中包括各個DataNode的新增、刪除和修改；DataNode用於對大數據的分割和存儲，同時DataNode之間的數據相互複製以實現數據的安全和高速讀取。

HBase資料庫是一種非結構化資料庫，數據存儲以列為模式，每一個數據行可以增加任意數量的列數據，用於存儲長度可變的用戶運動數據。

(2)數據處理模塊1-2由聚類算法和神經網絡算法構成，其中：

聚類算法將所有不同用戶的運動數據進行聚類，將用戶健康狀態分為健康、亞健康、建議靜養、建議就醫等多個等級；將用戶運動數據用於神經網絡算法的輸入，通過大量數據訓練神經網絡，從而模擬出用戶的健康模型，通過與存儲模塊中的其他用戶健康模型對比，對當前用戶的健康狀況給予預測。

所述雲終端2的硬體包括顯示屏2-1、嵌入式處理器2-2、存儲器2-3和通信接口2-4組成；嵌入式處理器2-2和存儲器2-3是雲終端的核心組成部分，顯示屏2-1是用戶與雲終端2交互的接口；通信接口2-4用於與雲計算平臺1的通信、與智能手環3的通信。

所述雲終端2的軟體從底層到上層包括嵌入式Linux作業系統內核、驅動程序、文件系統、通信和消息處理程序四個部分，具體描述如下：

(1)文件系統採用基於FUSE開源框架和雲存儲服務的用戶態文件系統，可以使雲計算平臺1和智能手環3在交互過程中更好地完成對相關文件的存取操作。

(2)通信和消息處理程序包括三部分，即雲終端2和雲計算平臺1之間的網絡通信程序、雲終端2和智能手環3之間的藍牙通信程序以及整個系統的消息處理程序；網絡通信程序主要負責向雲計算平臺1發送消息以及接收來自雲計算平臺1的消息，藍牙通信程序主要負責採集和設置智能手環3的工作參數；消息處理程序負責對雲終端2消息的封裝以及對雲計算平臺1消息的解析，還包括對消息通信格式的設計，使得系統消息能夠得到處理。

參見圖1，本發明的一種新的智能手環3，該裝置包括主晶片3-1、LED3-2、ADXL 362加速度計晶片3-3、按鍵與電池電量檢測電路3-4以及專用加密晶片3-5，其特徵在於，所述的主晶片3-1依次與LED3-2、ADXL 362加速度計晶片3-3、按鍵與電池電量檢測電路3-4和專用加密晶片3-5相連，主晶片3-1通過BLE藍牙協議與外部雲終端2相連，其中：

(1)所述主晶片及外圍電路設計如下：

主晶片採用FRE010晶片。FRE010是工作在2.4GHz的藍牙低功耗SoC晶片，結合藍牙低功耗軟體協議棧，針對專用2.4GHz應用和藍牙低功耗優化功耗的片上系統解決方案。內部含有一顆標準的增強型8051內核，集成裡具有優秀性能的RF收發廣播、片上可編程快閃記憶體存儲器、8KB隨機存儲器、以及眾多其它的支持特性和外圍設備。

參見圖2，FRE010的外圍電路需兩顆外部晶振，其中XTAL1為32MHz高頻晶振，用於系統總線時鐘以及射頻收發器時鐘。XTAL2為32.768KHz低頻晶振，可用於總線時鐘、睡眠定時器以及看門狗定時器。RF_N以及PF_P引腳為射頻天線引腳，根據2.4GHz射頻特性設計的信號放大電路，之後連接倒F狀PCB天線。SCL與SDA為I2C總線引腳，與AW9523BGPIO擴展晶片連接和通信，P1_2連接至AW9523B的RESET引腳，作為AW9523B的復位控制。P1_4-P1_7分別為SPI總線的CS、SCLK、MOSI和MISO引腳，FRE010通過SPI總線與ADXL362低功耗三軸加速計連接通信。晶片所有的VDD以及DVDD引腳都連接至直流電源V_SYSTEM，系統採用紐扣電池供電，標稱電壓為3V。DBC、DBD、RESET以及V_SYSTEM、GND構成了Debug所用的5個引腳。P0口8個引腳以及P1_0、P1_1用於LED顯示。

(2)LED顯示包含時鐘顯示與狀態指示設計如下：

狀態指示使用兩顆藍色LED，因此需要2個GPIO控制。時鐘顯示需要顯示時與分，所以在12個整點的位置，放置紅色、綠色雙色LED，紅色指示時、綠色指示分，這樣即可顯示精確度在5分鐘的時鐘。這種設計需要12顆雙色LED，需要24個GPIO控制。

LED顯示可以用主晶片的GPIO來實現，但是由於其IO口數量的限制，因此增加一顆AW9523B擴展GPIO控制器晶片，來實現完整的時鐘顯示顯示與狀態指示功能。24個GPIO中，主晶片提供了8個，AW9523B提供了16個。

參見圖3的LED原理圖，AW9523B晶片除了I2C數據總線、RESET、VDD以及GND引腳，其餘16路擴展GPIO控制全部作為GPIO輸出模式，控制LED顯示。

(3)ADXL362加速度計晶片及外圍電路設計如下：

ADXL362加速度計晶片是一款超低功耗、3軸MEMS加速度計晶片，採用高數據速率對傳感器整個帶寬進行採樣。ADXL362加速度計晶片提供12為輸出數據解析度。測量範圍可以在±2g、±4g、±8g範圍內選擇。該器件包含了一個深度多模式輸出FIFO、一個內置為功耗溫度傳感器和幾個運動檢測模式，其中包括閾值可調節的睡眠和喚醒工作模式，在該模式下當測量速率為6Hz左右時，晶片功耗低至、270nA。

參見圖4的ADXL362加速度計晶片及外圍電路原理圖，晶片的電源與地引腳分別連接於原理圖的電源與地網絡，圖中C5為0.1uF的濾波電容，使輸入加速計的直流電源的電壓更加穩定。ADXL362加速度計晶片通過SPI總線(MOSI、MISO、#CS)與主晶片連接。

(4)按鍵與電池電量檢測電路設計如下：

按鍵為設備提供廣播狀態切換、開關機以及復位等功能。電池電量檢測是腕帶通過檢測電池電壓的方式，計算得到電池剩餘電量，以實現低電量提醒。

參見圖5，按鍵採用共地的連接方式，按鍵的右端統一接到地，左端接到主晶片FRE010的GPIO上，GPIO需要設置為輸入、上拉模式，當按鍵按下時，此IO口會被拉低。電量檢測運用主晶片FRE010內部的ADC進行採樣，ADC的電壓檢測範圍在1.25V以內，所以先使用分壓電路，按比例取得電池電壓的值，作為主晶片FRE010的ADC模塊的輸入。

該發明方案的有益效果在於，通過智能手環對用戶運動數據進行實時採集，通過藍牙傳輸到雲終端，再由雲終端傳輸至雲計算平臺，綜合大量不同用戶的運動數據，構建出用戶運動健康模型，利用了不同用戶數據對當前用戶 的運動數據進行分析，實現對當前用戶的健康狀況的預測，有效地將智能手環與雲計算平臺結合，發揮大數據分析和挖掘技術的作用，避免了智能手環只是採集和存儲用戶數據，而無法發揮用戶數據這一缺陷。

上述為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述內容的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。