蜜袋鼯基于RSL10的蜜袋鼯健康管理系统--作品提交

justd0 发表于 2021-7-19 01:36

本帖最后由 justd0 于 2021-7-21 16:12 编辑

 

蜜袋鼯健康管理系统

 

作者：Justd0        

一、作品简介

本项目用RSL10搭建一套蜜袋鼯健康监测系统，配合着良好的运动和饮食，使我的小果冻（蜜袋鼯）可以健康茁壮成长。

项目主要功能设想有以下几个：

1、运动健康监测：将RSL10传感器开发套件安装在摩天轮上，通过光照度计收集光照数据，通过空气质量传感器收集温度信息，通过角速度计监测小蜜在摩天轮奔跑的转动速度数据，记录下一晚上的数据，存储在传感器版上。

2、运动健康数据分析：由于小蜜活动时间都是在夜里，这时候我们都是在睡觉的，那么想要知道它一晚上玩的开心与否，那么就可以通过手机上位机的形式，连接RSL10传感器板来接收汇总数据，形成数据表，记录下小蜜一天的运动量~      

3、健康运动奖励机制：结合1中的运动数据来分析小蜜是否运动达标~如果达标的话通过RSL10无线SoC评估板来控制投食奖励器，给小蜜投个最爱吃的玉米虫来作为奖励。

但尴尬的是比赛时间由冬天到了夏天，我的小果冻也都已经长大了，并且已经长成了个胖小子…于是本项目也有了新的意义：运动减肥督促器。



二、系统框图 
       蜜袋鼯健康管理系统的硬件架构如下图所示，整体由三部分构成：以RSL10-EVALUATION-Board为主控的运动奖励器、以RSL10-SENSE-Board为主控的运动健康监测器和手机上位机端构成。具体软件系统实现将以子系统的方式分别介绍。



 

三、各部分功能说明

3.1 以RSL10-EVALUATION-Board为主控的运动奖励器子系统

    该子系统设计主要分为三部分、硬件设计、机械结构设计和软件设计。

 

首先是结构设计，结构原理确定了，才能定下硬件的选型，这里主要是给小蜜投递最爱的玉米虫吃，玉米虫一般都在2-3cm长，6mm直径左右。因此我想只要设计个小盒子，当要奖励的时候，就翻开盒子的盖子，我家“小果冻”鼻子很灵，一下子就能找到的，于是有了如下方案草图。方案如图所示，玉米虫放在左边的小盒子中，小盒子上面有个盖子，盖子后端有个固定轴，上端有个连杆连接后端，通过相应的动作机构就可以在奖励的时候打开盖子。



 

动作机构我考虑了电机和电磁铁两种，由于电机产生旋转动力，还得需要双向驱动桥路电路，并且我希望能够多次奖励，就pass了电机。正巧在taobao上淘到了一款物美价廉，尺寸合适功能合适的电磁铁，这价格不比电机香么，于是就它了！



 

不过收到货之后才发现，跟设想的有偏差啊！我以为他是默认弹出的，然后通电会缩回去。。结果是通电是弹出的。。。那我上面结构就废了。。弹出去就关上了盖子。。

后来想了想，索性重新设计下，这样还更好实现了，于是就有了如下图的方案，使用这个电磁铁弹簧弹力，将装小虫子的小抽屉弹出去。



 

弹出去的样子如下：



 

嗯，结构确定了，小盒子可以放一条虫子，这个结构可以放5条虫子作为奖励，上面可以放下电池和控制电路。

结构原理设计好了，就可以设计硬件了，电磁铁选的3v驱动的，所以驱动电路很简单，只用一个mos外加续流二极管就行了，直接用RSL10的IO就可以驱动，于是画了个原理图



 

但奈何时间可能不够了，如果连带RSL10一起打样的话，信号那边出点问题可就费劲了，所以简化了下，打算用RSL10开发板连接驱动部分来实现。



 

layout图如下，



 

 软件层面其实内容比较简单，首先是要控制电磁铁的通断只需要实现几个IO的功能，我选择了ble_peripheral_server_bond作为基础工程，在app.h中定义了输出引脚号：



 

并在app_config.c中做了初始化，代码如下



 

     然后是通讯方面，使用定义好UUID的customss协议实现，BLE最大可发送的包大小为20字节，因为这部分控制也很简单，只要控制对应奖励盒弹出即可，所以协议只用了两个字节，如下



 

其中第一个字节为指令，固定0XFF，第二个字节按位控制对应奖励器开关，例如0x01为第一个盒子，0x02为第二个盒子，0x04为第三个盒子…然后在app_customss.c中修改接收、和发送的订阅协议，如下所示



 

发送给上位机的订阅实现



 



 

上位机发送给下位机的接收实现

    需要注意的是，这个电磁铁只要通电一下就能弹出来并且自己维持，所以为了避免浪费电量，增加了个软件定时器，来执行关闭电磁铁的操作，代码修改如下：



 

并在app.c中注册上述函数的回调：



 

3.2 以RSL10-SENSE-Board为主控的运动健康监测器

运动监测系统，该系统主要部署在RSL10-SENSE-GEVK板子上。依靠开发板上丰富的传感器资源来实现记录环境光照数据、环境温度数据、环境噪声数据和飞鼠滚轮的运动角速度和转动圈数等。

像下图这样，RSL10-SENSE-GEVK板通过双面胶直接粘在了飞轮的中间，这样经过一晚上的收集，第二天早上就可以看到整晚小蜜周围环境和运动数据了。



 

在这个目标中要实现的功能主要有两大块：数据采集和存储。

3.2.1、数据采集

1)光照采集

光照数据采集方式就相对比较简单，RSL10-SENSE-GEVK板上的LV0104CS由于没有示例代码，因此我按照官方的代码风格实现了个驱动库。

使用时，只要在主函数中初始化I2C和传感器，并创建相应的回调函数，在回调函数中就可以定周期获取光照数据了，这里我为了方便数据保存，按照公式1对亮度数据进行了处理：

<m:omathpara><m:omath><m:r></m:r></m:omath></m:omathpara>



这样单个数据就可以存放在一个字节内了。

       2) 环境温度数据

RSL10-SENSE-GEVK板上才用的BME680这款芯片，BME680是个多功能的环境空气检测芯片，可以测量温度、湿度、空气质量等。不过我这里仅关心小蜜所在的环境的温度数据，因此只对温度进行了处理，也是为了方便数据保存和传输，将16位的x10温度值并偏移10度，转化为的室温范围，储存在一个字节中。



       3)环境噪声数据

RSL10-SENSE-GEVK板上配有一个inmp522，数字mic，可以实时采集环境的声音数据，声音属于实时数据，一般我们会使用分贝计来评估环境噪音的强度，这里我对声音数据进行了一步处理，将其转换成了分贝进行数据保存，具体声音数据转分贝的公式如下：



 

因为音频采集的中断频率很高，而我要对整晚的环境进行监测，因此我先对音频数据做了均值滤波，并进行分贝计算，然后保留这里最大的分贝值用于存储。

4) 角速度及转动圈数数据

角速度数据和转动圈数数据依靠BHI160进行获取，这里为了减少数据保存的数量，使用了BHI160的运动模式识别功能，也是为了减少数据存储空间的压力， 依靠BHI160芯片内部的运动识别功能，识别到运动后，开始记录角速度数据，静止后则停止记录角速度数据，同时芯片内部还自动拟合角度数据，那么通过对角度象限的判断就可以获取转动的完整圈了，所以圈数和角速度记录逻辑如下：



 

3.2.2 数据存储

在平时，我们在单片机里对数据进行存储，可以通过RAM中的变量来进行存储，或者需要掉电保存的数据可以储存在FLASH/外部FLASH等介质中，但往往要根据实际情况来决定使用何种方式进行。

本项目中要记录蜜袋鼯一天(我们的一晚上)的运动量和环境数据，具体包括温度、光照、噪声和运动数据等。每种数据又因为数值范围的不同占用空间也不同。

比如温度数据就可以认为室内就10度-35度之间，那么一个8位的数据就可以表示0.1精度的温度了；光照一般室内在0-2000lux不等，那么通过压缩，一个8位数据也可以表示10lux精度的光照了；噪音一般是30-120db不等，也可以通过8位数据表示1db分辨率的噪音；运动数据包括最大角速度、圈数和运动的波形数据，这里我已RPM为角速度单位，按照分析小蜜再怎么快也应该超不过100rpm，所以最大角速度和运动波形数据单位值一个字节也够用了，而运动圈数可能一晚上跑个10000圈，所以就给个两个字节来存储；以上就算都一组数据，如果同时记录一组的话 则需要 7bytes。

一晚上按照8小时计算的话，那就是480分钟，那就是28,800秒钟，如果一秒钟一个数据，那就是28.8k * 7 = 201.6Kbytes。但实际上，1s中记录一次没啥必要。比如像温度、光照、噪声可以频率低一些，这里我采用5分钟记录一个值；运动数据呢，肯定会有大量的静止状态，所以只记录运动时的数据就好了。

那这样的话，24小时的固定记录的温度、光照、噪声数据的空间占用则可以缩小为288bytes*3，运动数据以10hz来记录，按照一小时的活动量，就是3.6kbytes的数据。从下图RSL10的内存资源可以看出，基本上用一个RAM块足够够的了。



 

不过板子上有个N24RF64，一个NFC芯片带了8Kbytes的片外eeprom，我寻思着就把数据放在这里吧，还可以放置掉电丢失，于是就写了一套简单的数据内存管理模块，可以实现为不同类型的数据申请内存空间，利用缓存机制，来实现数据保存到eeprom的操作，并通过读取接口，可以顺序读取eeprom中的对应数据等功能。

具体是用双缓冲机制来实现，初始化时给数据分配两个缓冲区，读取和写入各一个缓冲区，写入缓冲由wirte方法管理，当写满一个缓冲区后，将该缓冲区写入到eeprom中，读取则从eeprom取出一缓冲区大小数据，使用read函数管理，分块读出内容。

初始化试实现代码如下：



 

读取方法实现如下：





 

写入方法的实现：



 

3.3 手机上位机

上位机系统可以与运动奖励系统和运动数据监测系统进行通讯，接收运动数据监测系统的环境和运动数据，控制奖励系统给小蜜投递奖励。在写上位机之前，需要根据前面设计的功能，对手机与模块间通讯协议进行制定。

首先，运动奖励子系统中主要就实现了单向的IO控制，协议相对简单：



 

如上图，上位机端发送两字节指令，第一个字节为指令，固定为0xff，第二个字节为要打开的弹窗索引号，索引号见可以或操作，也就是可以一条指令弹出任意个弹窗。

接下来，运动数据监测系统则需要双向通讯，以传输各个状态信息，而BLE协议中稳定传输时，每帧中最多20字节，而运动监测子系统中有些数据量很大，需要多包传输，所以协议相对复杂些，具体如下。

上位机端的协议如下：



 

下位机端的上发协议如下：



 

协议格式为：指令 + 数据长度 + 数据的方式

手机端一共12条协议，3个设置项，9个获取项

下位机端一共12条协议，分别对应上位机端的12条进行回应。

 

制定好了协议包内容，就可以分别实现上下位机的协议处理了，下位机端结合上面3.2.2中设计的数据存储策略，实现协议解析，具体实现方法就是switch解析指令，具体参见代码protobuf.c中实现过程。

 

上位机端采用手机软件的方式，在手机端实现上位机，可以有很多种方式，比如坛友有用Android/ios直接编的，也有用针对少年开发的Scratch图形化编程的，还有用微信小程序开发的。因为之前有申请过微信开发账号，所以这个项目我也选择的微信小程序来实现的上位机。

 

小程序上分为三个界面，第一个是欢迎界面，如下图所示，其中是项目标题、”小果冻“照片和两个功能索引按钮，第一个按钮为“来呀，点我看看”实现的是本项目的主要功能，第二个按钮为“或者，调试一下”实现的本项目中需要设置或者调试的功能，接下来分别介绍这两个界面。



 

 

3.3.1调试界面

首先介绍下调试界面，点击“或者，调试一下”就可以进入到调试界面。



 

在这个界面中，分别设置了数据检测器调试区和奖励器弹出调试区，每个区域中默认状态下只要一个按钮，后台蓝牙处于扫描阶段，当扫描到了对应的设备后，界面将会编程如下样子：



 

点击连接，并且连接成功后，则会显示出各项调试功能。在这里可以清空总圈数，清空数据缓冲区，设置当前时间，获取各项数据，如下图所示：



 

点击连接奖励器，则会显示出弹窗按钮，按下相应的按钮，奖励器就会弹出相应的窗口：



 

3.3.2主界面

接下来是主界面，“来呀，点我看看”，进入该界面后，可以看到两个按钮，一个是get，一个是clean，同时左边会显示进度条。



 

在一点进界面后，后台就会自动搜索设备，当显示设备注册成功后，就可以点击get来获取数据了，如下图所示



 

此时等待进度条走满后，数据就会加载到下面图表中，图表是采用的eschart for weixin的开源库，图表中会显示出温度、亮度、噪音、和运动角速度的数据，这样小果冻一晚上的环境和他的运动情况我们就了如指掌了~



 

系统也会自动根据数据来显示出小果冻一晚上的运动情况，并显示“要不要奖励一下？”的功能按钮，此时，如果我们核对了各项数据，觉得没问题了呢，就可以点击该按钮，来进行奖励。

 

当然了，如果系统都没检测到小果冻跑了，你要是强行开后门给奖励，系统可是不同意的哦，会显示如下界面。



 

四、作品源码

      本项目中设计的代码、电路图、机械结构件等资料均已上传到github

链接如下：<a href="https://gitee.com/zealerlu/hmsof-glider" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">HMS Of Glider</a>

五、作品功能演示视频

     论坛发帖情况：

      <a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1162726-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">首弹，开箱贴？申请的板子一个不落的收到~</a>

      <a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1164383-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">RSL10 官方资料汇总整理 -- 百度云盘分享</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1164563-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第②贴 RSL10-SENSE-GEVK初体验，亮度传感器报错问题求助</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1169973-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第③贴 RSL10-SENSE-GEVK 光照传感器驱动 写好了 分享给大家</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1170320-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第④贴 RSL10-SENSE-GEVK 玩耍BHI160，步数、运动识别？不用处理，直接获取!!</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1170825-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第⑤贴 基于RSL10的蜜袋鼯健康监测系统--项目简介</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1170826-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第⑥贴 基于RSL10的蜜袋鼯--运动奖励系统之硬件设计</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1170827-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第⑦贴 基于RSL10的蜜袋鼯--运动奖励系统之软件设计</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1170828-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第⑧贴 基于RSL10的蜜袋鼯--运动奖励系统之组装测试</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1172777-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第⑨贴 基于RSL10的蜜袋鼯数据监测子系统-设计与实现</a>

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1172780-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline" target="_blank">蜜袋鼯 第⑩贴 基于RSL10的蜜袋鼯健康监测系统-上位机设计</a>

视频链接：

<a href="https://training.eeworld.com.cn/video/30504" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">安森美-蜜袋鼯运动健康管理系统-效果展示</a>

六、项目总结

      首先感谢eeworld和安森美可以举办这么好的比赛，RSL10是个很强的芯片，通过项目比赛还只能开发出他能力的冰山一角，希望后续可以在项目或工作中使用到它。由于受到疫情影响，本比赛产生了半年延期，但这也不是谁能控制的了的事儿，这期间主办方一定是各种的计划变动、商讨对策等等，所以各位辛苦了~

 

    PS:本项目主主要是去年冬天的一个突发奇想，当时正好养了小蜜袋鼯，软软的身体，大大的眼睛，拿在手里十分可爱~

  

但是毕竟它是夜行动物，白天能在你兜口里安安静静的睡觉，晚上可是要吃饭玩耍的。

所以，当时就像正好又这么蓝牙设备可以控制一些东西，结合些小结构，那就可以设计一套监测小蜜的健康系统了~

于是，保温、环境健康监测、运动监测、喂食等等功能想法一涌而出。

奈何，疫情了，比赛延期了。。半年就这么过去了

 

我的小果冻，也茁长的长大了，，并且超出了我的预期，已经是个小胖子了。。。

  

于是，我再次思考这个项目，发现，意义依旧存在啊！虽然保温功能目前用不上了，但是这货长这么胖，得减肥了啊！

 

索性我把喂食系统改成了运动奖励系统，环境健康检测和运动监测维持不变。

喂食逻辑改为运动达标后奖励食物的逻辑。

 

而且食物奖励的时候，既然它也看不出我盒子里装了啥，索性就搞个盲盒奖励~

 每次随机放进虫子、燕麦、鳕鱼条之类的，让他运动后能够受到奖励，但又让他摸不到头脑跑多久就会有虫子，这样有种神秘感，也许他能坚持得更久！哈哈  

 

“你这主人是真的狗。。”

Jacktang 发表于 2021-7-19 14:05

楼主的基于RSL10的蜜袋鼯健康管理系统，整个设计过程资料整的很全

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