可穿戴式多通道传感系统功能需求分析及设计

马星宇　石珩臻　胡跃辉　任旖旎　康吴伟　金韬　王阳　代飘

摘要：近年来可穿戴式设备大量涌现，用户对可穿戴式设备的功能要求也越來越高，但是，可穿戴式设备复杂功能的实现往往依赖多路传感信号的实时采集。本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例，研究了这类系统的功能需求，研究发现，柔性超轻薄化、长续航时间是这类设备的两个显著特点，并完成了系统的MCU选型、多路传感数据的编码设计、多路传感数据的传输方式设计及系统的低功耗设计等关键技术问题，设计了一个实用、可靠的可穿戴式多路传感器系统设计方案。本方案也为可穿戴式多通道传感器系统的设计与开发提供了一个可靠参考。

关键词：可穿戴式设备；系统设计；需求分析；多通道 ；PVDF传感器；编码方式；传输方式

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）36-0243-05

Functional Requirements Analysis and Design of the Wearable Multi-channel Sensors System

MA Xing-yu， SHI Heng-zhen， HU Yue-hui， REN Yi-ni， KANG Wu-wei ， JING Tao ， WANG Yang ， DAI Piao

（Academy of Photoelectric Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230000，China）

Abstract： In recent years， with a large number of wearable devices emerging，the users demand more functions for the wearable devices. However， the realization of complex functions of the wearable devices often depends on real-time acquisition of multi-channel sensing signals. Taking the wearable 8-channel PVDF sensors system as an example， this paper has studied the functional requirements of such systems. The study finds that ultrathin flexibility and long battery life are the two salient features of this kind of equipment. Moreover four key technical problems are accomplished： the MCU selection， the design of coding mode， the design of multi-channel sensing data transmission mode and the low power consumption design of the system. A practical and reliable scheme of wearable multi-channel sensors system is designed eventually and this scheme provides a reliable reference for the design and the development of wearable multi-channel sensors system.

Key words：wearable devices； system design； requirement analysis； multi-channel； PVDF sensor； coding mode； transmission mode

1 概述

近年来可穿戴式设备大量涌现，如谷歌眼镜、咕咚手环、iWatch等等。可穿戴式设备泛指嵌入在服装，或以饰品形态存在的电子通信智能设备，可以被用户舒适地穿戴，起到拓展感知、进行各类体征监测等作用。它本质上就是对日常设备如眼镜、手表、鞋等进行智能化设计[1]，使其具有友好的人机交互功能。可穿戴式设备的市场需求在快速增长，用户对可穿戴式设备的功能要求也越来越多。但是，复杂功能的实现往往依赖多路传感器信号的实时采集。多路传感器系统是可穿戴式设备的重要组件，是可穿戴式设备获取信息的来源，有监测数据、传输数据等功能。对于一个可穿戴式设备，它一般主要包括传感器和数据计算芯片两部分，其中传感器的更新换代频率较低，可能几年内都不会有大的升级。而计算芯片部分的换代频率很高，应当更多将硬件设备本身仅仅作为一个超级传感器系统，将计算部分独立出来交给手机或云计算，因此对可穿戴式多通道传感器系统的研究很有必要。

可穿戴式设备用户要求佩戴舒适，柔性要好，PVDF（聚偏氟乙烯）压电传感器正好满足柔性好、质量轻等特点[2]。所以本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例，研究了这类系统的功能需求，并依此设计了一套评价选型系统，提出了一个实用、可靠的多通道传感器系统设计方案。

2 可穿戴式多通道PVDF传感器系统的功能需求分析

可穿戴式多通道传感器系统需要实现采集多路传感器数据并简单处理打包，实时可靠的传输到其他设备。由于这类设备的可穿戴式特点即设备需要轻薄化和低功耗性以及数据传输的实时性、可靠性等特点，该可穿戴式多通道传感器系统对其使用的MCU部分、数据的编码方式、数据的传输方式及系统的低功耗方面均有着其特殊的要求[4]。

2.1 系统MCU需求分析

该可穿戴式多通道传感器系统的数据要传输到其他设备，其他设备往往是Android系统或iOS系统。如果该系统没有此MCU，则该系统需要直接与Android系统的ARM芯片相连接或者其他系统的微处理器直接相连，会造成诸多不便。以该传感器系统为下位机，Android系统的ARM芯片为上位机为例，不便之处有：传感器系统主要采集的目标信号是人体生理信号如人体手腕或脚腕运动时肌肉产生运动信号等，该系统输出的传感信号信号弱、干扰强，若没有放大等预处理，则不能直接与Android系统ARM相连接。因此，需要前置信号预处理电路，所设计的前置放大电路包括放大、滤波等功能。即使Android系统的ARM芯片带有放大模块，但也并不能满足要求。放大这类传感器信号一般需要仪器仪表放大器，性能要求较高。传感器系统有8个传感器采集到8路传感信号，则至少有8根信号线需要输入MCU。基于系统可靠性和便捷性考虑，也不方便直接与Android系统的ARM芯片相连。出于模块化设计的考虑也需要在该多通道传感器系统中使用此MCU。综上，我们可以发现，选用的MCU需完成信号的收发，A/D转换，并入串出以及与前期传感器信号的预处理电路相连接等功能。

所以，对于所选用的MCU，功能上需要至少有8路A/D转换通道，并满足一定的精度要求。硬件结构上，考虑到可穿戴式设备的便携性，MCU的尺寸要小，厚度要薄。此外，低功耗是便携式电予设备必须具备的一个关键特性。为了实现这个目标，MCU工作时功耗要低。

2.2 系统数据编码方式及传输方式需求分析

可穿戴式多通道传感器系统的最主要也是最终的功能，就是提供一组包含各种信息的传感器数据，这些数据的格式能与现在主流的一些通信协议的数据格式所匹配。使得该系统能直接与Android系统或iOS系统适配，把采集到的数据实时、可靠、便捷地传输出去。

本文设计的可穿戴式8通道PVDF传感器系统，主要采集的目标信号是人体生理信号，这些信号主要集中在0-100Hz，即传感器系统的每通道信号的频率范围均为0-100Hz，8个通道最大即为800Hz。工程应用上进行A/D转换时，采样频率至少是10倍的输入的模拟信号的最大频率，所以我们采用的采样频率为10KHz，这个采样率满足了后期对信号在数字域处理的要求。因为考虑到实时传输数据的要求，数据帧設置为10ms一帧，即下位机每隔10ms发送一帧数据给上位机，实际上上位机每次接受的数据都是下位机前10ms采样得到的数据，采样频率为10KHz时，10ms采样得到的共100个数据。因为MCU的资源和处理能力不够，所以需要把采集到的数据实时发送给上位机来进行处理。但是，数据采集后若直接发送，会由于实时采集，数据量大，缓冲区太小，发送不完而丢包。所以需要合适的编码协议和通信协议来保证通讯的可靠性。这样的话，下位机主要负责采集、打包，满足简化、精度和实时的要求即可。而需要计算的数据则交由上位机处理。同时考虑到传感器的更新换代比较慢，而上位机处理芯片的更新速度很快，我们采用的这种方案在一定程度上也能降低成本。

对于系统数据编码方式，我们需要的是实时可靠的编码方式和通讯协议。并且，传输出去的数据格式需能与主流的通讯协议数据格式相匹配。同时，编码方式及传输方式同样需要考虑低功耗的要求。

2.3 系统的低功耗需求分析

对于可穿戴式设备，续航时间是必须要考虑的。续航能力主要由两个因素决定，分别是电池容量和功耗，电池容量越高越好，而功耗则需要降到最低。不幸的是，在新的电池技术或者材料出现之前，电池容量可提升的空间非常有限，而且可穿戴式设备在尺寸上的要求也比较严格，所以想通过更换大容量的电池来增加续航时间是不切实际的。所以压力几乎落在如何降低功耗上了，这就需要必须进行低功耗设计来满足用户需求。

系统的低功耗需求主要包括以下几个方面。首先，在传感器系统硬件开发时尽量采用低电压低功耗的产品[5]。比如，传感器系统的放大、滤波预处理电路部分，一般选择低功耗的芯片。同时，在主控芯片的选择上，我们一般选择具有省电模式的主控芯片。其次，在作为系统的主控制器MCU在工作时也需要进行低功耗设计，MCU的工作主要包括MCU对多路传感器信号进行A/D转换、数据的简单处理打包和数据的传输。最后，要求有灵活多变的低功耗管理模式，简单快速的休眠唤醒机制，使得MCU在空闲期可以快速切换至不同深度的休眠状态，并能及时被唤醒。我们可以进行主控芯片或者相关模块唤醒的方式选择。即在实现基本功能的同时根据系统低功耗的需求对软件算法进行优化。

3 可穿戴式多通道PVDF传感器系统的设计

根据上文对系统的需求分析研究发现，柔性超轻薄化、长续航时间是这类可穿戴式设备的最显著的特点。所以可穿戴式多通道PVDF传感器系统要围绕这两个显著特点来进行设计。

3.1 系统MCU选型

根据可穿戴式多通道传感器系统的功能需求分析，本文主要围绕可穿戴式多通道PVDF传感器系统的低功耗性和高集成度这两大特点，对比了市场一些主流的MCU产品，进行了分析，最终得出合适的MCU选型。

表1和表2选取目前市场上的主流的MCU产品， 对比了它们的功耗参数与系统指标。 首先，可穿戴式8通道PVDF传感器系统需要有至少8通道的A/D转换通道，表1中的MCU均满足。但由于采集的目标信号为人体生理信号，一般信号都很微弱，所以要求ADC的精度越高越好。ADC精度比较高的为STM32的两款MCU。相较于STM32F1系列，STM32L1系列的休眠功耗更低，工作电压范围更广，A/D转换通道数更多。其次，根据可穿戴式系统对尺寸的样严格要求，STM32L151R6具有的TFBGA 64型封装，尺寸仅为5mmx5mmx1.2mm，尺寸完全达到要求。最后STM32L151R6是Cortex-M系列32 bit内核的MCU，但在功耗水平上已与传统16 bit低功耗MCU相当，处理能力却优于16bit 的MCU。而且STM32L151R6的价格也较适中[8]。选用STM32L151R6的还具有一个很大的优势在于STM公司具有完善的基于STM32的系统方案、软硬件成品模块，已形成较为完善的生态系统，开发门槛低、参考资源丰富和经验分享直接[6]。STM32L151R6的多种优势促使我们最终选择了STM32L151R6作为本文可穿戴式8通道PVDF传感器系统的MCU。

3.2 多路传感数据的编码设计

因为采集到的8通道PVDF传感器数据需要实时、准确的传输给上位机，所以需要对采集到的数据需要进行一些编码和简化。本文首先选择了ADPCM编码对数据进行压缩编码，然后使用了CRC16和卷积编码对数据进行了纠错编码。我们采集的目标信号和语音信号非常类似，数据之间的相关性比较强，存在大量冗余且最终利用传感信号主要是对信号的形态等进行分析，而不是得到精确数值。ADPCM算法综合运用了差分脉冲编码 （ DPCM ） 与自适应增量编码 （ ADM ） 的算法原理，在保证达到PCM 语音质量的前提下，语音数据的速率只有PCM的一半，而且具有更优良的抗误码性能。ADPCM的核心想法是：1）利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化阶去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值。2）使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小[13]。本文采用ADPCM压缩算法，数据的压缩比可达到4：1。

为了提高数据的可靠性，对数据进行压缩编码完需要进行一些检错纠编码。循环码CRC虽然只能检错不能纠错，但计算复杂度低，检错能力强，增加的冗余位也少[14]。而卷积码纠错能力强，虽然计算复杂度高，但可通过查表法计算大大降低计算复杂度。本文选择了CRC16校验编码和（2，1，4）卷积编码对数据进行了检错纠错编码。循环冗余校验（CRC）算法是常用的误码检测方法之一，它是由分组线性码的分支演化而来，其主要应用是二元码组，编码简单且误判概率很低，接收端对数据使用CRC算法可有效剔除数据传输中的误码。算法实现上CRC16编码采用查表法。CRC16码由两个字节构成，在开始时CRC寄存器的每一位都预置为1，然后把CRC寄存器与8bit的数据进行异或，之后对CRC寄存器从高到低进行移位，在最高位（MSB）的位置补零，而最低位（LSB，移位后已经被移出CRC寄存器）如果为1，则把寄存器与预定义的多项式码进行异或，否则如果 LSB为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次，第一个8-bit数据处理完毕，用此时CRC寄存器的值与下一个8-bit数据异或并进行如前一个数据似的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC16编码每次移位除法運算都用查表法来代替，计算复杂度低。每次对一帧数据进行完CRC16编码即得到了一个16比特的校验码。采用16位的CRC算法，可以保证在1014bit码元中只含有一位未被检测出的错误。卷积码是一种纠错编码，它是将输入的 k 个信息比特编成 n 个比特输出，特别适合以串行形式进行传输，时延很小。它包括：一个由 N 段组成的输入移位寄存器，每段有k段，共Nk个寄存器；一组n个模2和相加器；一个由n级组成的输出移位寄存器，对应于每段k个比特的输入序列，输出n个比特[16]。（2，1，4）卷积码就是将每次输入的2bit信息都编码成4bit。卷积码的计算量较大且复杂度较高，而本文采用了查表法来进行数据的卷积编码。先在matlab里利用convenc（msg，t）函数生成了（2，1，4）卷积码的编码表，编码表大小为28*16比特，然后在下位机的MCU中直接查表进行编码，大大提高了编码速度，降低了算法复杂度，同时也降低了MCU的运行功耗。

8路传感数据的具体编码方式如图1：由上文可知，数据帧每隔10ms发送一次，每帧的原始传感数据共100个，由于使用的STM32L151单片机ADC精度为12位，所以采集到的数据实际为100*12bit，只占一个字的低12位，最高位即第16位设置为一位控制位，控制位为0时表示当前数据为数据信号，为1时表示当前数据为控制信号。8通道的通道号编码为000～111，占据第13～15位，100个数据共占用200个字节。首先，对这200个字节的数据进行ADPCM编码，编码完数据压缩到只有100*4bit，占用100个字节。然后将数据两两组合成一个8bit，数据帧已经压缩到50*8bit，只占用了50个字节。其次再对数据帧进行CRC16编码，即求一个16位的校验值。加上校验值此时数据帧共52个字节。最后对数据帧进行（2，1，4）卷积编码，卷积编码完数据帧共104个字节。

3.3 传感数据传输方式设计

实时可靠的数据传输，除了依赖一个实时可靠的数据编码方式，数据的传输方式也很重要。考虑到该可穿戴式多通道传感系统的兼容性和应用的多方面性，本文设计了两种传感数据传输的方式。一种为有线传输方式，一种为无线传输方式。

3.3.1 传感数据的有线传输方式设计

关于有线传输方案的选择，我们选取了I2C，USB，SPI，RS232等四种常见的传输方案进行了比较。通过分析对比这几种常见的有线传输方式，我们最终选择I2C作为系统的有线传输方式。I2C有以下几个显著优点：1）硬件简单，资源消耗少。只有两条总线线路：一条串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL），节省了线路空间，增加了系统的稳定性。所以，在尺寸方面，由于USB以及SPI有4根连线，RS232有9个引脚。这些与I2C只有2条总线线路相比而言，不可避免地会带来连线及外围电路所占空间过大的问题。就尺寸而言，I2C应是我们在这些有线传输方式中的理想选择。2）它是一个真正的多主机总线，通过SDA上的地址信息来锁定从设备，如果两个或者更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。SPI总线只有一个主设备，主设备通过CS片选来确定从设备。3）I2C串行的8位双向数据传输速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达4.4Mbit/s。本方案每10ms至少传输104个字节，采用的传输方式速度至少为83.2Kbit/s。I2C的传输速度完全符合要求。4）使用I2C与RS232相比，还有一个突出的优点：I2C采样同步通信，RS232采用异步通信。而同步通信控制字符开销较小，传输效率高； 而异步通信字符帧中，假设只有起始位、8个数据位和停止位，整个字符帧中的控制位的开销就达到了20%，传输效率较低。5）使用广泛，现在几乎所有的IC厂商都在芯片上集成了I2C[17]。

3.3.2 传感数据的无线传输方式设计

关于无线传输方案的选择，我们选取了ZigBee，NFC，红外，蓝牙等四种常见的传输方案进行了比较。在使用距离上，红外传输是一种点对点的无线传输方式，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物，几乎无法控制信息传输的进度[23]。而蓝牙可传输10米左右，加强信号后最高可达100米，可以绕弯，可以不对准，可以不在同一间房间，链接最大数目可达7个，同时能够区分硬件。ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。但由于在传输速度方面，ZigBee很低，不适用于多通道PVDF传感器系统高数据量的应用场合。同时，由于使用ZigBee时硬件资源开销大[24]，短期内手机不支持，不利于产品的推广。NFC优点是配置简单。但由于使用距离过短，且我们使用的可穿戴式设备尺寸超薄，NFC会产生高频趋肤效应[25]，可能会有一些潜在的健康安全问题。并且目前NFC的兼容性也不是很好，很多手机并不支持NFC。这些问题促使我们最终选择的无线传输方式为蓝牙，具体本方案选择的是i484e-s模组。此产品集成了两个芯片分别为：蓝牙芯片为CSR8811（基于蓝牙24GHz无线电和基带芯片系统）和STM32F401（基于高新能ARM Cortex-M4 的32位RISC）。尺寸仅为15.7*12*2.3mm。它支持蓝牙标准4.0低功耗模式及可向下兼容。可以通过I2C有线方式转为蓝牙模式。速度可达32KByte/s即256Kbit/s。全速传输数据时功耗仅为2mA，使用标准纽扣电池可运行一年乃至数年。

3.4 低功耗设计

一个传感器系统的功耗是出多方面因素决定的，整体的功耗取决于诸多因素，如产品性能、供电电压等。在实际应用中，往住频率越高功耗越大；电压越高功耗越大。对于低功耗检测系统的设计，应该主要从芯片和器件的选择、系统的技术指标以及系统的工作方式等方面加以考虑。

3.4.1 器件和芯片的选择

对于低功耗系统，电路中所采用的器件和芯片的选择至关重要，其直接从硬件电路上影响系统功耗的大小。因此，为降低功耗，必须合理选用器件和芯片。1）电源部分的选择。由于锂电池较高的能量转换效率等优点，现在可穿戴式设备上使用的电源一般均为锂电池。本方案选择电池为聚合物锂电池，具体型号为803040，容量为1000mAh，尺寸仅为40*30*8mm。并选择了一款用于便携式设备的200mA、低IQ、低噪声、低压降稳压器芯片，型号为TLV707，尺寸仅为1*2mm[27]。2）选用低功耗微处理器。本文选用低功耗的STM32L151R6，具有精简而高效的CPU内核，从而可以维持性能、功耗与成本的三者平衡；CMOS电路工艺，低电压供电系统，供电电压在1.65-3.6V均可；灵活多变的低功耗管理模式，简单快速的休眠唤醒机制，使得MCU在空闲期可以快速切换至不同深度的休眠状态，并能及时被唤醒；独立的外设时钟控制开关，多种内外时钟源选择。运行功耗仅为185uA/MHz，休眠功耗仅为1.2 uA。3）传感信号的预处理电路部分，选择了美信公司的MAX9618运算放大器搭建每通道传感器的信号的预处理电路，包括放大部分及低通滤波部分。MAX9618是低功耗、零漂移运算放大器，提供节省空间的采用2mm x 2mm、8引脚SC70封装设计支持满摆幅CMOS输入和输出，整个时间和温度范围内电源电流仅为59?A，零温漂输入失调电压最大值仅为10?V，非常适用于可穿戴式设备[27]。

3.4.2 低功耗系统工作方式的选择

可穿戴式8通道传感器系统的MCU为低功耗的器件，而且具备降低功耗的各种工作方式，如休眠、掉电等工作方式等。在设计低功耗系统时，就应当充分利用这些特点，使系统尽量在这些工作方式下工作。1）MCU进行A/D转换及编码时都采用最低的时钟频率来工作以降低功耗，编码算法最简，CRC16及（2，1，4）卷积编码均采用查表法，缩短了程序每次的执行时间。2）当本文的可穿戴式多通道传感器系统作为下位机时，它采集数据与否由上位机控制，当上位机发出命令时，MCU才被唤醒，该系统再开始工作开始采集数据。

4 系统总体设计方案

本文设计的可穿戴式多通道PVDF传感器系统的系统总体方案如图2，首先多路传感器采集人体生理信号，采集到的數据经过放大、滤波，送入STM32L151单片机，进行A/D转换，将模拟信号转换为可方便处理的数字信号。STM32L151单片机对A/D转换后得到的8通道数据进行了编码和打包，再发送给上位机。由于传输方式的兼容性，上位机可以是Android平台或IOS平台。

5 结束语

自20 世纪60 年代麻省理工实验室的几位科学家提出可穿戴式设备的概念以来，人们就开始不断探索应用穿戴式技术，对日常穿戴用品进行设计开发以期开发出可以穿戴的智能设备。随着技术的进步及用户需求的变迁，可穿戴式智能设备的形态与应用热点也在不断变化。在这样的背景下，进行可穿戴式多通道传感系统的功能需求分析及设计有着非常的实用意义，本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例，研究了这类系统的功能需求，发现柔性超轻薄化、长续航时间是这类设备的特点，并依此设计了一套评价选型系统，完成了系统的MCU选型、传感数据的编码方式、传输方式及低功耗设计等关键技术问题，得到了一个实用、可靠的系统设计方案。本方案也为可穿戴式多通道传感器系统的设计与开发提供了一个可靠参考。

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