參考低功耗設計方案　NFC腕戴計步器輕鬆實作

2016-07-25

Kamaldeep Bansal

儘管身處這個科技進步的世界，人類仍然處於每日忙碌於處理各種優先事項以及四處趕場的狀態。因此，在健康、工作與時間之中取得平衡變得非常困難。現在多數人都願意追蹤個人的每日活動，以檢視全天的運動量。計步器是有助於解決此難題的應用方法之一。

計步器是一種可以計算個人總行進步數的裝置，可進一步用來計算總行進距離、消耗卡路里數和速度，屬於健身領域中快速竄起的消費性應用。

本文介紹意法半導體(ST)提供的參考設計，可用於開發近距離無線通訊(Near Field Communication, NFC)型腕帶造型計步器，搭配Android應用程式使用。此解決方案採用3軸加速計、超低功耗高性能微控制器和NFC通訊研發，有助於打造低成本的可攜式解決方案。

NFC是一種以13.56MHz射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)為基礎的無線技術，可在裝置彼此靠近時建立裝置間的通訊。

目前大多數的行動電話皆具備NFC介面，可用於與計步器通訊；由於能透過智慧型手機的顯示螢幕來讓使用者獲得資訊，計步器可以變得更簡潔化、輕量化和更具經濟效益。對於高齡長者而言，設計簡易且配戴舒適的計步器也非常有益，而且使用上不需要任何輔助。計步器堪稱是一種簡易省時的解決方案，讓人們可在生活中結合持續不斷地健身活動。

系統主要元件架構

首先介紹此穿戴式計步器系統的主要元件如下(圖1)：
．微控制器(MCU)
．動態NFC/RFID標籤IC
．加速計
．附穩壓器的電池充電器
．電池–3.7V/35mAh鋰離子
．Android應用程式

圖1 系統架構

穿戴式計步器採用STM32L系列微控制器實作，不但可降低所需應用程式的功耗需求，還能提供適合此應用方法的充足處理能力。另外更提供多元晶片系統周邊，如SPI、I2C和類比數位轉換器(ADC)，有助於設計低成本、低功耗的解決方案。

動態NFC/RFID標籤IC具備可透過I2C介面或13.56MHz RFID讀卡機/NFC手機操作的能力，可用於在計步器與手機之間建立低成本的射頻(RF)通訊。內嵌可編程唯讀記憶體(EEPROM)，可用於儲存計步器量測結果和其他必要資訊。I2C介面採用雙線式序列介面，包括一條雙向資料線路和一條時鐘線路。標籤屬於I2C協定中的子機。

低功耗高性能3軸線性加速計的輸出，已納入演算法計算過程中，用於計算個別計步器量測結果。加速計具備數位I2C/SPI序列介面標準輸出。MCU採用晶片系統SPI周邊與加速計進行通訊。

小型3.7V/35mAH鋰離子電池可供整套應用系統運作多天。配備Micro USB接頭可連接外部電源對3.7V鋰離子電池充電。STNS01是一款適用於單芯鋰離子電池的線性充電器，可供電池充電使用。本款充電器利用CC/CV演算法對電池充電，並具備多種電池保護功能。可使用外部電阻器設定高速充電電流，內建3.1V穩壓器則可用於穩定微控制器、加速計和動態NFC/RFID標籤IC的電源供應。

運作流程解析

以下詳解作業流程圖(圖2)的逐項運作過程：
．開啟電源時，微控制器設定並初始化所有系統周邊。
．之後，系統進入停止模式以減少耗電量。
．每當NFC相容手機進入裝置範圍內，NFC就會開始RF通訊。
．建立RF連線後，在智慧型手機上執行的Android應用程式將資料寫入動態NFC/RFID標籤IC的記憶體。此資料內含計步器運作所需的命令和其他資訊。
．標籤IC同時也會產生外部插斷，以將微控制器從停止模式中喚醒。
．喚醒後，控制器會讀取NFC標籤IC以檢查接收到的命令。
．計步器應用程式以Start命令啟動；若是Stop或不明命令，則系統會返回停止模式。
．計步器應用程式會在加速計偵測到動作時持續運作。若一段時間未偵測到任何動作，則進入低功耗模式以節約電力，並將在偵測到動作時再度喚醒。
．系統會在長時間無活動的情況下自動將量測結果存入標籤IC的記憶體，然後進入停止模式以節約電力。
．每當系統收到停止命令，微控制器就會使用I2C介面將量測結果存入NFC記憶體，然後再度進入停止模式。

圖2 作業流程圖

以3軸加速計取樣移動步數

接下來說明加速計在計步器應用程式中扮演的計步角色。3軸加速計可用於量測個人在X、Y、Z軸的加速度。全部三軸皆會週期性進行加速計輸出取樣。此加速度資料可做為對計步器演算法的輸入，輔助計算步數、行進距離、消耗卡路里數和速度。加速計LIS3DH是以微機電系統(MEMS)技術為基礎，特色包括超低耗電量和小尺寸，非常適合此應用方法使用，有助於製造更為精確、低成本、精巧和低功耗的計步器系統(圖3)。

圖3 使用加速計求出步數

低功耗實作

微控制器可用於與動態NFC/RFID標籤IC進行通訊，從使用行動電話或平板電腦的使用者身上獲得資訊。視命令而定，微控制器會開始處理來自加速計的資料以計算各種運動量測指標，如步數、消耗卡路里數等，亦可用於輔助加速計和動態NFC/RFID標籤IC以盡可能降低耗電量。計步器耗電量如下所述：
．低功耗模式(停止模式)–約6μA
．運作模式–約350μA

M24SR是一款動態NFC論壇Type 4標籤系列產品，其記憶體架構和存取符合相關NFC論壇規格規範。NFC資料交換格式(NDEF)規格定義用於交換資訊的訊息封裝格式，如NFC論壇裝置與其他NFC論壇裝置或NFC論壇標籤之間的資訊交換。每一則NDEF訊息皆由多筆符合應用需求的NDEF紀錄組成。

Android計步器裝置

在Google Play Store應用程式商店現有推出一款名為「ST NFC Based Pedometer」的Android應用程式。如以上所述，此應用程式可用於啟動和停止計步器裝置(圖4)。

圖4 Google Play Store上的「ST NFC Based Pedometer」

Android平台上的ST Pedometer Android應用程式是一款方便使用的應用程式(圖5)，採用NFC技術。透過以下連結即可將程式下載至NFC相容行動電話： https://play.google.com/store/apps/details?id=st.pedometer.pedometerst&hl=en

圖5 ST Pedometer應用程式

此應用程式可用於啟動和停止計步器，並能從計步器裝置讀取NDEF格式的數值(步數、卡路里數、行進距離等)(圖6、7)。NDEF格式的特色如下：
．應用程式提供可用於存取應用程式的展示模式，無需註冊成為使用者。
．單一按鈕實作啟動和停止功能，避免造成混淆。
．針對註冊使用者和展示版使用者實作歷程紀錄功能。
．互動式圖表以步數、卡路里數、距離和速度顯示使用者進度。
．使用者可刪除歷程紀錄的單一項目和清除所有歷程紀錄。
．在應用程式中輕按單位可切換速度顯示方式：Km/hr或m/s。
．註冊使用者可在右上角的編輯個人檔案模組中編輯個人檔案。
．使用者登入後，每次開啟應用程式皆預設登入，直到使用者登出為止。
．使用者可在啟動計步器裝置後關閉應用程式。若再次開啟應用程式以停止計步器裝置，應用程式將從關閉時的狀態啟動，亦即將會顯示停止按鈕。