基于 ESP32 物联网北斗定位系统智能 OLED 手环的设计

陈家祺，黄诗佳，冉浩，何仁豪，张燕

（电子科技大学 成都学院，四川成都，611731）

0 引言

随着智能穿戴设备的发展，智能手环因其轻便性深受关注，但现有手环定位功能多依赖手机连接，无法满足用户轻便运动时的定位需求。为解决此痛点，本文设计一款不依赖手机即可独立定位的智能手环。基于此，本文目标是设计一款基于ESP32 和多系统定位模块的自主定位智能手环，实现高精度的运动轨迹定位。同时，通过添加红外发射控制模块，扩展手环的家电控制功能，以满足用户的更多应用需求。本设计旨在突破智能手环定位的依赖限制，拓展其应用范围，为智能穿戴设备领域提供新思路。

1 系统整体设计思路

本文采用模块化设计的思路，分别是主控模块、显示模块、感器模块、时钟模块、外部控制模块和定位模块。

如图1 设备总体结构示意图所示，多个传感器模块获取各项环境信息，电源管理模块检测并采集电池电压数据，传入ESP32 主控处理再于OLED 显示屏展示。通过外部控制模块来实现模块之间的功能变换以及系统调节，利用RMT红外38kHz 载波设备，发射红外控制信号实现红外设备的控制。

图1 设备总体结构示意图

2 核心模块电路设计

2.1 主控电路设计

为满足智能手环系统整体高性能和低功耗的应用需求，选用ESP32 PICO D4 作为主控芯片，ESP32 支持MicroPython 开发，利用ESP32 的低功耗深度睡眠模式可以显著减少能耗，并且周期性唤醒可以实现该设备低占空比，配合调节射频功率放大器的输出功率，可以实现通信距离、数据率和功耗之间的最佳平衡。

采用中断回调函数配合软件去抖技术实现按键输入控制，时钟芯片和加速度传感器通过发出中断来实现对闹钟定时、时间校准、双击或抬手唤醒等功能的检测，并通过RF射频电路创建蓝牙WiFi 主设备或者加入现有的蓝牙和WiFi网络来进行对外界的控制通信，选择的蓝牙V4.2 完整标准包含了传统的BR/EDR 蓝牙和低功率的BLE 蓝牙，从而实现了一个集成中断检测、去抖控制、无线通信为一体的智能手环系统设计，通过不同模块协同工作来实现时间管理、运动监测、外部设备连接等多种功能的融合控制。

2.2 时钟模块

本模块选用NXP 的PCF8563 低功耗CMOS 实时时钟/日历芯片，通过I2C 进行通讯，提供一个可编程时钟输出，一个中断输出，一个掉电检测器，并以极低的功耗（3V 时低至0.25μA）进行高精度走时。将时钟芯片的数据通过发送中断给ESP32 主控模块来检测闹钟定时、时间校准等功能。

2.3 定位模块

定位模块原理图如图2 所示，采用AIR512G 模块、BDS 北斗模块，AIR512G 支持北斗/GPS/GLONASS 等卫星定位系统兼容性强，精度比较高，可以10Hz 的频率接受来自卫星的信号，通过串口UART 向主控传输NMEA0183 格式的数据进行解析，并附带一个备用电源（法拉电容或锂电池时），将启动时间缩小至10s 以下，极大提高实时性。

图2 定位模块原理图

2.4 外部控制模块

外部控制模块电路原理图如图3 所示，外部控制模块由安装在手环侧边的2 个常开按键和2 个开关按键组成，其中2 个开关按键控制分别用于控制设备电源的开关/功能的切换，2 个常开按键分别用于实现控制设备功能的退出/进入。

图3 外部控制模块电路原理图

2.5 传感器模块

传感器模块电路原理图如图4 所示，传感器模块分别由三轴加速度计传感器ADXL345、气压温度传感器BMP2840、光传感器TEMT6000、地磁传感器QMC5883组成。

图4 传感器模块电路原理图

三轴加速度计传感器ADXL345 其分辨率较高（13 位），测量范围达±16g，非常适合移动设备应用通过I2C 数字接口进行访问，提供两个中断输出，在倾斜检测应用中测量静态重力加速度以及测量运动或受冲击时的动态加速度，其高分辨率（3.9mg/LSB）能够测量低于1.0°的倾斜角度变化[3]。基于运动的智能电源管理支持低功耗模式，以极低的功耗（3.3V 时低至30μA）进行阈值感测和运动加速度测量，采用滑动窗口滤波形式解算+滤波，模拟3 轴陀螺仪计，实现水平仪的功能。

气压温度传感器BMP280 通过hypsometric 测高法，融合数据推算当前海拔，获取实际环境数据。光传感器TEMT6000 输出环境光模拟量，通过建模获得模拟量与人眼辨识亮度线性关系调整屏幕亮度以降低设备总功耗。地磁传感器QMC588 测量XYZ 三轴的地磁强度以及航向角大小信息以实现指南针功能。

2.6 显示模块

本模块采用分辨率为128×64 的1.3 寸OLED 屏，通过SPI 协议耗费少量I/O 资源进行高速通讯。采用FrameBuffer 帧缓冲区的方式，可实现高达480Hz 的屏幕刷新率，获得流畅的图标与功能切换、进入和退出的显示。

2.7 红外及照明模块

本模块选用38kHz 红外载波设备按照对应编码协议，发送特定的亮灭脉冲以控制家中红外设备，并且编码协议可在线下载实现全红外设备平台覆盖。

2.8 电源控制模块

电源管理模块原理图如图5 所示，电源控制模块由XC6206P332MR 稳压器、 XT4054 单片锂离子电池恒流/恒压线形电源管理芯片和ADS1115ADC 转换器组成。

图5 电源管理模块原理图

XT4054 电源管理芯片可以在高能量运行和高外围温度时，通过负反馈控制充电电流以降低芯片温度，同时当充电达到目标电压时会自动结束充电过程，以保护设备[4]。XC6206 稳压器以极低的电压提供稳定的大电流，提高设备的稳定性。ADS115ADC 转换设备，进行电池电压检测，实现设备低电压提醒功能。

3 测试检验

3.1 测试整体思路

在测试过程中，首先连接PCB板与显示屏接口，将ESP32 主控芯片与PC 机建立USB 连接，确认系统硬件连接可靠后，通过串口调试软件截取模块数据，发送配置指令，并将指令存入flash，实现模块自动配置。主要对定位模块、多传感器模块和显示模块的功能进行检测验证。

3.2 BDS 北斗定位模块测试

目标：验证北斗定位模块的定位精度。

方法：启动设备，开启北斗定位模块，室内无法接收到完整数据，将模块移至窗边还是效果不佳，最后在开阔区域测试，效果仍然不佳，在天线优化后，窗口边可接收20 颗以上卫星数据， 结果：采集到20 颗以上卫星数据，定位效果图如图6 所示。

图6 定位效果图

3.3 显示模块测试

目标：验证显示模块刷新率。

方法：解析图像信息生成二进制码存入帧缓冲区，OLED 通过SPI 直接读取显示。

结果：显示模块实现480Hz 的高刷新率，动画效果流畅，显示模块简易实物图如图7 所示。

图7 显示模块简易实物图

3.4 多传感器模块测试

目标：验证加速度计、电池电压采集等传感器效果。

方法：采用滑动滤波算法滤波传感器数据，提高稳定性，电池电压采用卡尔曼滤波。

结果：测得的各项数据稳定精准，指南针功能正常随手环位置变化，达到设计要求。

3.5 红外遥控模块测试

目标：验证红外发射控制精度。

方法：编写控制代码，向红外发射管发送指定编码的脉冲信号。

结果：可准确控制电视、空调等家电，实现智能化控制。

3.6 WiFi 通信模块测试

目标：验证WiFi 连接稳定性。

方法：扫描网络，连接指定路由器，发送并接收测试数据包。

结果：智能手环可稳定连接WiFi 网络，上传下载数据正常。

总体而言，各模块功能测试结果符合设计要求。通过优化天线，解决了定位效果不佳的问题，本设计成功实现了精确自主定位、家电控制等核心创新功能。

4 结束语

本文就智能手环需要依赖手机才能获取运动轨迹而无法满足轻便运动需求的问题，设计了一款基于ESP32 微控制器，并集成定位模块和红外控制模块，实现了无需手机即可进行高精度独立定位以及对家电的远程控制两个核心功能，既可准确记录运动轨迹，又可提供生活便利，实现了轻量化设计与完备功能的有效结合。