一种带有静音手机寻觅功能的智能手环及手势识别方法
【专利摘要】本发明提供一种带有静音手机寻觅功能的智能手环，包括电源单元、稳压单元、蓝牙单元、上位机蓝牙接口、单片机单元和信号采集加速度传感器，电源单元电连接稳压单元，稳压单元分别电连接蓝牙单元、单片机单元和信号采集加速度传感器，蓝牙单元分别连接上位机蓝牙接口和单片机单元，单片机单元电连接信号采集加速度传感器，电源单元给整个手环供电，本发明设计合理，使用方便，采用蓝牙通讯方式，省时省力，方便用户，体积小，易携带，功耗低，续航时间长，可以选择进行无线充电，十分便捷。
【专利说明】
-种带有静音手机寻觅功能的智能手环及手势识别方法
技术领域
[0001] 本发明设及电子产品技术领域，具体设及一种带有静音手机寻觅功能的智能手环 及手势识别方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技快速发展，智能穿戴行业逐渐兴起。智能可穿戴设备无疑已成为是目前 最为热口的话题之一。穿戴式智能设备时代的来临意味着人的智能化延伸，通过运些设备， 人们可W更好的感知外部与自身的信息，能够在计算机、网络甚至其它人的辅助下更为高 效率的处理信息，能够实现更为无缝的交流。
[0003] 在日趋忙碌的今天，人们每天大多数时间都在工作。手机静音功能对于大多数人 们来说非常有用，特别是对于学生和上班族更是如此。生活和工作在运种状态下，为了不影 响学习和工作，不得不将手机调为静音模式，甚至关闭震动。对于一些粗屯、大意的小伙伴来 说，手机找不到事常有的事儿，有些时候是手机丢了，有些时候是手机真的找不到了，而不 是丢了。此时，打电话既无法响铃也无法震动，经常会因找不到手机而苦恼。
[0004] 目前虽然各家手机厂商的都有找回手机功能，如百度云、0PP0、小米等等，但多数 是针对被盗手机的找回。而且操作过程还需要一台联网电脑，登陆专口的网站，输入账号密 码，不仅非常麻烦，还不能快速方便的解决实际问题。还有一些是利用App来寻找手机，如有 一款有趣的吹口哨找手机(Whistle Amlroid Finder)的应用。可W用口哨来把处于关闭 屏幕的手机唤醒。采用一种基于语音的人机交互方式，口哨可W唤醒手机的语音助手，来完 成语音的操作。需要订购专口的小口哨，手机需要语音助手，使用过程需要联网的，否则便 无法用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为解决上述不足，提供一种带有静音手机寻觅功能的智能手环及 手势识别方法。
[0006] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0007] -种带有静音手机寻觅功能的智能手环，包括电源单元、稳压单元、蓝牙单元、上 位机蓝牙接口、单片机单元和信号采集加速度传感器，电源单元电连接稳压单元，稳压单元 分别电连接蓝牙单元、单片机单元和信号采集加速度传感器，蓝牙单元分别连接上位机蓝 牙接口和单片机单元，单片机单元电连接信号采集加速度传感器，电源单元给整个手环供 电。
[000引信号采集加速度传感器包括MPU6050=轴加速度传感器。
[0009] 单片机单元包括STC15F2K60S2单片机忍片。
[0010] 电源单元采用无线电磁感应方式充电。
[0011] 本发明具有如下有益的效果：
[0012] 本发明设计合理，使用方便，采用蓝牙通讯方式，省时省力，方便用户，体积小，易 携带，功耗低，续航时间长，可W选择进行无线充电，十分便捷，具有手机寻觅功能，在手机 调为静音模式甚至关闭震动状态下，仅通过简单的手势即可使手机响铃，使手环震动，从 而减少寻找手机的苦恼，远程手势控制闹钟，变得更加人性化，同时唤醒带有震动效果，接 触性的震动有效的把你从熟睡中唤醒，智能手环配合基于安卓手机开发的APP工作，APP的 一个特色地方就是电压采集，软件界面左上角有一个电量使用情况，好像手机一样，显示设 备电池电量剩余量，提示使用者充电。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0014] 图2为本发明的传感器电路图；
[0015] 图3为本发明的蓝牙单元电路图；
[0016] 图4为本发明的稳压单元电路图；
[0017] 图5为本发明的电源单元电路图；
[0018] 图6为本发明的单片机单元电路图；
[0019] 图7为本发明的人体运动的S个分量；
[0020] 图8为本发明的手势运动示意图；
[0021] 图9为本发明的互补滤波示意图；
[0022] 图10为本发明的手势动作识别示意图；
[0023] 图11为本发明的计步器原理框图；
[0024] 图12为本发明的计步器程序框图；
[0025] 图13为本发明的手机寻觅程序框图；
[0026] 图14为本发明的手机来电程序框图；
[0027] 图15为本发明的手机闹钟程序框图；
[002引图16为本发明的程序流程图；
[0029] 图17为本发明的真实步数、监测步数及误差曲线图；
[0030] 图18为本发明的测试准确度曲线图。
【具体实施方式】
[0031 ]下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0032] 如图1所示，一种带有静音手机寻觅功能的智能手环，包括电源单元1、稳压单元2、 蓝牙单元3、上位机蓝牙接口4、单片机单元5和信号采集加速度传感器6,电源单元1电连接 稳压单元2，稳压单元2分别电连接蓝牙单元3、单片机单元5和信号采集加速度传感器6，蓝 牙单元3分别连接上位机蓝牙接口 4和单片机单元5,单片机单元5电连接信号采集加速度传 感器6，电源单元1给整个手环供电。
[0033] 信号采集加速度传感器包括MPU6050=轴加速度传感器。
[0034] 单片机单元包括STC15F2K60S2单片机忍片。
[0035] 电源单元采用无线电磁感应方式充电。
[0036] WSTC15F2K60S2单片机为处理器的智能手环。智能手环通过重力加速度巧螺仪传 感器MPU-6050(3轴巧螺仪传感器和巧由加速度传感器），结合基于安卓开发的APP，通过智能 蓝牙通讯，实现手势控制静音手机寻觅、闹钟状态、计步和无线充电等功能。具有体积小、功 耗低、工作稳定、准确、人机交互友好等特点。
[0037] 智能手环针对忙碌的上班族而设计，智能手环佩戴在主手腕上，如同腕表一样。本 发明选用重力加速度巧螺仪传感器MPU-6050S轴加速度传感器采集手势动作信号。当加速 度传感器感知到手部的=维活动时，检测到的运动信号可W直接通过I2C通信接口进入微 处理器。然后通过蓝牙与上位机进行通信。经过信号预处理、信号重采样、特征提取和手势 动作识别转换为动作信息，W驱动相关的应用。
[0038] 系统具有手机寻觅、手机来电、手机闹钟等功能。利用上位机软件，将采集到的数 据进行处理，实现存储和实时显示功能。智能手环擬弃了传统的按键和显示功能，全部显示 在基于安卓开发的APP上，全部控制都通过设计的手势进行。
[0039] 蓝牙通讯原理:安卓手机开启蓝牙，并且与手环的蓝牙串口模块建立连接，单片机 发送数据，蓝牙串口接收到串口数据转换为蓝牙数据，安卓手机通过读取蓝牙数据得到指 令，然后手机响(播放铃声）（单片机串口^蓝牙串口^安卓手机）。若蓝牙没有连接成功，第 24脚(LED)持续输出高低脉冲，时间为200ms，利用运个特性，分别用红色LED和绿色LED作为 显示提示。如蓝牙没有连接，红灯不停闪烁，蓝牙连接成功，则红灯灭和绿灯亮。
[0040] 线性稳压电路：电源输入为5V，系统供电只需要3.7V，因此设计了电源稳压电路。 采用XC6209稳压忍片，经过稳压，输出3.7V，适合3.3V单片机使用。
[0041] 无线充电采用电磁感应方式，类似变压器。在发送端和接收端各有一个线圈，发送 端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收线圈感应发送端的电磁信号，从而产生电流给手 机充电。充电时间与传统充电器无异。无线充电发射忍片选用忍科泰的XKT-510,无线充电 接收忍片选用T3168,线圈10地。
[0042] 智能手环具有W下功能:静音手机寻觅功能，远程手势控制闹钟，智能计步功能， 电量的续航时间提醒，采用无线充电技术。
[0043] 通过I2C读取MPU6050的六个数据(S轴加速度值、S轴角速度值)最后要转成姿 态，为减少计算量，方便在STM32主控上实现，可W转换成四元数表示。把六个数据转化成四 元数(9〇、91、92、93)，然后四元数转化成欧拉角。;11油、1?〇11、￥3￥角）。通过加速度和角速度 都可W得到Pitch和Roll角（加速度不能得到Yaw角），就是说有两组PitcKRoll角。
[0044] MPU6050的加速度计和巧螺仪各有优缺点，S轴的加速度值具有长期稳定特性但 响应速度慢，没有累积误差，通过计算可W得到倾角，但是包含的噪声太多，不能直接使用； 巧螺仪对外界振动影响小，实时性很好，精度高，通过对角速度积分可W得到倾角，但是会 因为零漂、溫漂、非线性等因素的存在而会积分出累积误差，自身无法消除。所W，不能单独 使用MPU6050的加速度计或巧螺仪来得到倾角，需要互补。要通过加速度计进行角度修正。 要将巧螺仪高通W抑制低频漂移，加速度计低通W抑制噪声，并将二者进行一定比例融合， 得到比较准确的反映角度的变化。
[0045] 使用四元数法互补滤波。互补滤波算法计算量较小，且在弱禪合情况下效果也很 好。经过互补滤波融合，融合后的数据经过倾角计算得到角度，最后通过时间窗来判断手 势。
[0046] 采集手势加速度信号，进行动作窗口检测，自动定位可能的手势动作序列，然后通 过平滑滤波W及信号窗口重采样，消除手势动作幅度和速度差异的影响。最后将手势动作 识别转换为动作信息，W驱动手机响铃，时间窗：最小15ms，最大85ms，需要训练5次便可准 确识别，采样时间为50MS。
[0047]人体的运动包括=个分量，分别是前向、垂向和侧向，如附图1所示，传感器的=轴 (X轴、y轴、Z轴)正好对应运=个方向，就代表了人体行走时垂直、前向和侧向3个方向的加 速度值。实际应用时传感器处于未知方向，所W传感器=轴测量值并不与运动的=个分量 对应，而是运动加速度在传感器=轴上的投影值。
[004引通常来讲，人体每秒钟行走0.5-2.0步，最多不超过5.0步。因此，合理的计步器输 出为0.5-5. OHz。采用截止频率为5. OHz的FIR低通滤波器来滤除高频噪声。
[0049] 对加速度传感器输出的=路加速度信号的模进行求和，得到人体运动的加速度模 型。由于数据会受到传感器本身和各种外在噪声的干扰，在波形分析之前需要对原始数据 进行滤波处理。使信号通过低通滤波器滤去5.OHzW上频率的信号后，再通过自适应口限来 进行动态阔值判断，进而检测出人体运动的次数。
[0050] 对运动来说，步数是一个可W量化的指标，当用步数表征人体运动的时候，步数检 测的精确度就是计步系统的一个衡量标准，因为计步器的精确度越高，检测到的运动步数 越准确，就越能反映人体运动情况，运动量大小和运动活跃度。计步精度定义如式1所示：
[0化1 ]
[0052] 表1为对不同被测试者，在不同运动形态下进行步数检测测试结果。
[0053] 通过对测试结果分析，慢走和快走的准确性达到97%左右。跑步的准确性稍有下 降，但也大于90%。系统预定的计步精确度是95%，达到运个精确度就满足系统要求。
[0054] 使用计步器对不同被测试者，在不同运动形态下进行步数检测。测试结果发现该 手腕式计步器的计步精确度高于95%，满足设计要求。
[0055] 本发明具有手机寻觅功能，在手机调为静音模式甚至关闭震动状态下，仅通过简 单的手势即可使手机响铃，使手环震动，从而减少寻找手机的苦恼，远程手势控制闹钟，变 得更加人性化，同时唤醒带有震动效果，接触性的震动有效的把你从熟睡中唤醒，智能手环 配合基于安卓开发的APP工作，APP的一个特色地方就是电压采集，软件界面左上角有一个 电量使用情况，好像手机一样，显示设备电池电量剩余量，提示使用者充电。
[0056] 表1测试结果 「nnf；7l
【主权项】
1. 一种带有静音手机寻觅功能的智能手环及手势识别方法，包括电源单元、稳压单元、 蓝牙单元、上位机蓝牙接口、单片机单元和信号采集加速度传感器，其特征在于：电源单元 电连接稳压单元，稳压单元分别电连接蓝牙单元、单片机单元和信号采集加速度传感器，蓝 牙单元分别连接上位机蓝牙接口和单片机单元，单片机单元电连接信号采集加速度传感 器，电源单元给整个手环供电。2. 根据权利要求1所述的一种带有静音手机寻觅功能的智能手环，其特征在于:所述的 信号采集加速度传感器包括MPU6050三轴加速度传感器。3. 根据权利要求1所述的一种带有静音手机寻觅功能的智能手环，其特征在于:所述的 单片机单元包括STC15F2K60S2单片机芯片。4. 根据权利要求1所述的一种带有静音手机寻觅功能的智能手环，其特征在于:所述的 电源单元采用无线电磁感应方式充电。5. -种带有静音手机寻觅功能智能手环的手势识别方法，其特征在于:算法如下:通过 I2C读取MPU6050的六个数据(三轴加速度值、三轴角速度值)最后要转成姿态，为减少计算 量，方便在STM32主控上实现，可以转换成四元数表示；把六个数据转化成四元数(qO、ql、 q2、q3)，然后四元数转化成欧拉角(PitCh、R0ll、Ya W角）。通过加速度和角速度都可以得到 Pitch和Roll角（加速度不能得到Yaw角），就是说有两组Pitch、Roll角。使用四元数法互补 滤波，经过互补滤波融合，融合后的数据经过倾角计算得到角度，最后通过时间窗来判断手 势，采集手势加速度信号，进行动作窗口检测，自动定位可能的手势动作序列，然后通过平 滑滤波以及信号窗口重采样，消除手势动作幅度和速度差异的影响，最后将手势动作识别 转换为动作信息，以驱动手机响铃。6. -种带有静音手机寻觅功能智能手环的手势识别方法，其特征在于:还包括计步方 法:人体的运动包括三个分量，分别是前向、垂向和侧向，传感器的三轴(X轴、y轴、z轴)正好 对应这三个方向，就代表了人体行走时垂直、前向和侧向3个方向的加速度值，对加速度传 感器输出的三路加速度信号的模进行求和，得到人体运动的加速度模型，由于数据会受到 传感器本身和各种外在噪声的干扰，在波形分析之前需要对原始数据进行滤波处理，使信 号通过低通滤波器滤去5.0Hz以上频率的信号后，再通过自适应门限来进行动态阈值判断， 进而检测出人体运动的次数。
【文档编号】H04M1/725GK106020364SQ201610512277
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】孙明, 丁嘉豪, 区达明, 卢永洋
【申请人】佛山科学技术学院