CN208834121U - 一种低功耗卫星定位运动手表 - Google Patents

Abstract

一种低功耗卫星定位运动手表，包括微处理器模块、卫星定位追踪模块、显示模块、光电模块和3D加速度传感模块；卫星定位追踪模块提取定位追踪信号，3D加速度传感模块提供3D加速度信号；微处理器模块根据上述信号计算获得手表所在的空间坐标信息和运动参数信息；光电模块中的光能唤醒模块输出唤醒信号至微处理器唤醒控制端，唤醒信号电压幅度随外界光强变化；唤醒信号电压幅度高于所需唤醒电压门限，微处理器被唤醒。采用北斗卫星定位追踪可提供极精确的位置信号，加上3D加速度信息可准确获取不同方向的运动轨迹；独特光能唤醒模块，使得手表能最大限度地在某些环境下进入深度低功耗状态；MIP低功耗显示屏进一步降低了手表的功耗。

Description

一种低功耗卫星定位运动手表

技术领域

本实用新型涉及手表，尤其涉及低功耗的卫星定位运动手表。

背景技术

现有技术中的运动手表通常只具有运动计步功能，为了实时定位，相应的定位模块需要一直保持工作，通常不具备深度的休眠模式，为了保持输出的实时性，需要时常进行外部输入信号的轮询获取位置和运动信号，且输出屏幕需要经常刷新，导致很难做到低功耗和超长时间待机。

随着我国北斗全球卫星导航系统的逐步建立完善，其技术先进、稳定可靠和覆盖全球的技术特点越来越受到世界的广泛关注，可为各行各业提供连续、稳定可靠的授时、导航、定位服务。

本实用新型基于北斗的定位追踪服务提供一种可实现超低功耗的卫星定位运动手表。

名词解释：

1)北斗授时，地面设备接收北斗卫星发送的时间信息，在输出PPS信号的上升沿，对设备的时钟进行修正的一种方法。

PPS信号：PPS是Pulse Per Second的缩写，PPS信号是GPS秒脉冲信号 PPS EXTI秒信号：EXTI是external interrupt的缩写,中文含义是外部中断,PPS EXTI秒信号是秒脉冲外部中断信号；

Pulse EXTI的中文含义是脉冲中断；

2)MIP显示屏:MIP(Memory In pixel像素内部存储器)即：记忆像素反射类型的液晶显示屏，可实现高反射性能超低功耗。每个像素点上含有1bit的SRAM(Static randomaccess memory静态随机存取存储器,这样显示保存的像素不需要动态刷新。

3)标准NMEA0183数据流：其中NMEA是National Marine ElectronicsAssociation的缩写，其中文含义是美国国家海洋电子协会，NMEA0183数据流为海用电子设备制定的标准格式。目前业已成了GPS导航设备统一的标准协议。4)本文中BDS是BeiDouNavigation Satellite System的缩写，中文含义是中国北斗卫星导航系统。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处，而提出一种低功耗卫星定位运动手表，包括：用于手表主系统控制的微处理器模块、用于从卫星获得定位追踪信号的卫星定位追踪模块、用于显示手表运行信息的显示模块、用于感受环境光信号的光电模块和用于运动信号检测的3D加速度传感模块；所述显示模块和微处理器模块电信号连接，并接受微处理器模块的控制；所述卫星定位追踪模块和微处理器模块电信号连接；所述卫星定位追踪模块，用于从接收到的卫星信号中提取定位追踪信号用于运动手表的定位跟踪，微处理器模块根据该信号计算获得手表所在的空间坐标信息；所述3D加速度传感模块和微处理器模块电信号连接，并将感受到的3D加速度信号传送至微处理器模块，用于运动参数计算；所述光电模块包括光能唤醒模块；该光能唤醒模块与所述微处理器模块的唤醒控制端电信号连接；所述光能唤醒模块输出唤醒信号至所述微处理器模块的唤醒控制端，所述唤醒信号的电压幅度随外界光强变化；所述唤醒信号电压幅度高于所述微处理器模块唤醒控制端所需唤醒电压门限，所述微处理器被唤醒。

所述低功耗卫星定位运动手表，还包括电子罗盘模块；所述电子罗盘模块与微处理器模块电信号连接，用于获得地磁信号，并输送给微处理器模块解析显示。

所述低功耗卫星定位运动手表，还包括用于获得环境参数的环境参数传感模块；所述环境参数传感模块包括用于获取环境温度信息的温度传感器、用于获取环境湿度的湿度传感器和用于获取环境压力的压力传感器；所述环境参数传感模块与微处理器模块电信号连接，将获取包括温度、湿度、气压在内的环境信息传送至微处理器模块；通过气压数据还可以计算或者换算成海拔高度数据，海拔高度数据也可以用于显示和参与相关后续参数的计算。

所述卫星定位追踪模块为北斗卫星定位追踪模块；该北斗卫星定位追踪模块用于接收北斗卫星发送的卫星信号，并从中提取定位追踪信号。

所述北斗卫星定位追踪模块使用UART串口与微处理器模块电信号连接；所述北斗卫星定位追踪模块输出标准NMEA0183数据流，并从该数据流中解析获得所需的北斗卫星定位追踪信号。

所述光能唤醒模块包括芯片BQ25504，所述芯片BQ25504第7管脚用于输出唤醒信号至微处理器模块的唤醒控制端。

所述低功耗卫星定位运动手表，还包括用于手表供电的电池模块；所述光电模块包括光电能量收集模块；所述光电能量收集模块与所述电池模块电信号连接，所述光电能量收集模块收集光能转化为电能；所述光电能量收集模块为所述电池模块充电。

所述卫星定位追踪模块为卫星授时定位追踪模块，还能用于从卫星信号中提取卫星时钟信号并将其转化为手表时钟信号，微处理器模块根据该手表时钟信号进行运算；同时，所述低功耗卫星定位运动手表还包括精密守时时钟模块；所述精密守时时钟模块与微处理器模块采用I2C总线连接；所述精密守时时钟模块与所述卫星定位追踪模块秒信号同步；所述精密守时时钟模块保存卫星授时参数并输出PPS EXTI秒信号至微处理器模块；所述PPS EXTI 秒信号作为微处理器模块的计时秒脉冲；所述PPS EXTI秒信号秒脉冲为微处理器模块低功耗状态下的秒唤醒触发信号。

所述显示模块包括MIP低功耗显示屏。

所述低功耗卫星定位运动手表，还包括用于外部控制信号输入的控制信号输入模块，所述控制信号输入模块和微处理器模块电信号连接，并接受微处理器模块的控制。

同现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：1、采用北斗卫星定位追踪，位置信号准确，偏差小，可提供极精确的位置信号，结合3D加速度传感模块获得的3D加速度信息，可准确获取不同方向的运动轨迹；2、独特的光能唤醒模块，使得手表能最大限度地在某些环境下进入深度低功耗状态；3、电子罗盘和环境传感模块的设置，可使手表具有全方位的环境信息收集能力，更适合户外环境使用，对运动信息可以进行更深度的处理。4、MIP低功耗显示屏进一步降低了手表的功耗；5、运动手表还可以采用北斗卫星授时，时间信号准确，偏差小，可提供极精确的时间信号。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例之一的系统示意框图；

图2是本实用新型优选实施例之二的系统示意框图；

图3是本实用新型优选实施例之三的系统示意框图；

图4是本实用新型优选实施例之四的系统示意框图；

图5是本实用新型优选实施例之五的系统示意框图；

图6是本实用新型优选实施例之六的系统示意框图；

图7是本实用新型优选实施例之七的系统示意框图；

图8是本实用新型光能唤醒模块的电路原理图。

具体实施方式

以下结合各附图对本实用新型的实施方式做进一步详述。

如图3所示，一种低功耗卫星定位运动手表，包括：用于手表主系统控制的微处理器模块、用于从卫星获得定位追踪信号的卫星定位追踪模块、用于显示手表运行信息的显示模块、用于感受环境光信号的光电模块和用于运动信号检测的3D加速度传感模块；所述显示模块和微处理器模块电信号连接，并接受微处理器模块的控制；所述卫星定位追踪模块和微处理器模块电信号连接；所述卫星定位追踪模块，用于从卫星授时信号中提取定位追踪信号用于运动手表的定位跟踪，微处理器模块根据该信号计算获得手表所在的空间坐标信息；所述3D加速度传感模块和微处理器模块电信号连接，并将感受到的3D加速度信号传送至微处理器模块，用于运动参数计算；所述光电模块包括光能唤醒模块；该光能唤醒模块与所述微处理器模块的唤醒控制端电信号连接；所述光能唤醒模块输出唤醒信号至所述微处理器模块的唤醒控制端，所述唤醒信号的电压幅度随外界光强变化；所述唤醒信号电压幅度高于所述微处理器模块唤醒控制端所需唤醒电压门限，所述微处理器被唤醒。

现有技术中的常规光强测量采集电路，主控MCU都需要参与检测，因此主控MCU 就需要不间断的周期地唤醒去检测，这就大大增加了电路的功耗。本实用新型采用了不同的方式，利用环境光本身的能量来触发微处理器模块，当光强超过设置的阀值时，唤醒深度睡眠中的主控MCU即微处理器模块，从而大大降低了电路整体功耗。

如图8所示，所述光能唤醒模块包括芯片BQ25504，所述芯片BQ25504第7管脚用于输出唤醒信号至微处理器模块的唤醒控制端。本实用新型采用环境光控制的功耗管理系统，用光强度来控制手表的工作模式和响应速度，最大限度的降低功率消耗。

本实用新型采用了芯片BQ25504以及相关辅助外围电路，在无需微处理器模块的条件下，只需要环境光足够强就能输出光电脉冲的特性，将该信号脉冲引入到微处理器模块的唤醒控制端，当光强超过设定的阀值时，可直接唤醒深度睡眠的微处理器模块，不需要微处理器模块参与检测。该信号脉冲的能量由外部环境光提供，无需主控电路负担。使得主控电路可以工作在深度睡眠状态，大大降低了消耗的电流。深度睡眠状态和正常工作模式所采用的数字时钟信号源和频率可以不同。采用检测环境光的变化来控制手表的工作状态和工作主频，实现功耗的最优管理，实现了手表的超长工作/待机时间。

具体的光控功耗管理方式包括多种形式，微控制器模块中可以设置专门的功耗管理模块，根据不同的环境参数和外部指令切换不同的工作模式和工作时钟，以使得系统能低功耗高效运行。其中光控功耗管理，是指的设备根据能量收集电路输出的光能量脉冲计数值，实时监测环境光强，并控制设备工作在最佳能耗模式的一种控制方法。环境光唤醒管理：在 20:00～04:00(黑夜)时间段，若检测到光脉冲数>＝10次，手表慢速工作1小时；在04:00～20:00 (白天)时间段，若检测到光脉冲数>＝10次，手表慢速工作2小时。人工唤醒管理：在任意时间段，人工按键唤醒后，手表先进入快速模式工作，30秒后无按键自动降速工作。然后再进入环境光功耗管理模式。工作速度管理：有按键操作时，手表立即切换为快速模式，无按键操作超过30秒，自动降速工作。待机功耗管理：手表长期不使用，使用深色包装盒遮光保存，因检测不到环境光脉冲，手表自动进入关屏待机模式。

系统还可以包括电源管理模块正常输出2.4VDC,3.0VDC电源供微控制器和外围电路工作，微控制器模块中的微控制器通过PBDS,PLCM,PBUZ,BME280,BMC150五个GPIO分别独立控制外围电路供电，实现功耗最优管理。Mini-USB充电接口和自动充电控制电路，可以实现手表的充电自主控制，并输出充电状态信号,微控制器模块通过检测该信号即可判断当前的充电进程。本实用新型的手表中，还可以包括蜂鸣器功能模块，由微控制器模块输出谐振频率为4KHZ左右的驱动信号，再由微控制器模块控制电源管理模块加电则输出蜂鸣音，调制电源控制端便可以控制蜂鸣音间断输出。

如图1和2所示的实施例中，所述卫星定位追踪模块为北斗卫星定位追踪模块；该北斗卫星定位追踪模块用于接收北斗卫星发送的卫星信号，并从中提取北斗卫星定位追踪信号。所述北斗卫星定位追踪模块使用UART串口与微处理器模块电信号连接；所述北斗卫星定位追踪模块输出标准NMEA0183数据流，并从该数据流中解析获得所需的北斗卫星定位追踪信号。

要实现北斗卫星定位追踪服务，需要能接收卫星信号的陶瓷介质天线，以及能够接收放大并解码的北斗模块，本实用新型专利的北斗卫星定位追踪模块采用的是天线模块一体结构，既缩小结构体积又提高信号抗干扰性。陶瓷天线的中心谐振频段调整到：B1：1561MHz ±2MHz。本实用新型采用北斗卫星天线加模块的一体化设计，缩小了手表的体积，提高了手表的抗干扰性能。在一块PCB上集成了北斗卫星陶瓷接收天线、LNA低噪放大电路、北斗基带射频及解码模块；完成北斗信号接收、放大、解码、标准NMEA0183串口输出。

如图3至7所示，所述低功耗卫星定位运动手表，还包括用于手表供电的电池模块；所述光电模块包括光电能量收集模块；所述光电能量收集模块与所述电池模块电信号连接，所述光电能量收集模块收集光能转化为电能；所述光电能量收集模块为所述电池模块充电。本实用新型采用环境光能量采集电路，实现微瓦(uW)级的能量提取和变换电路，为手表提供能量补充功能。能量收集：接收环境光能量，变换成可供设备使用的电压的一种电路和方法。光电模块中的光电能量收集模块采集外部环境光能量，变换成系统需要的电压等级，给系统补充供电；同时光电模块中的光能唤醒模块，可以根据环境光照情况输出幅度可变的光脉冲信号Pulse EXTI,当手表处于关屏睡眠状态时，可以用该脉冲信号唤醒。若连续两小时微控制器检测不到该光脉冲信号，则可控制手表进入关屏睡眠状态，节约无用功耗。

如图2、图6至7所示的低功耗卫星定位运动手表手表实施例中，所述卫星定位追踪模块为卫星授时定位追踪模块，还能用于从卫星信号中提取卫星时钟信号并将其转化为手表时钟信号，微处理器模块根据该手表时钟信号进行运算；同时，低功耗卫星定位运动手表还包括精密守时时钟模块；所述精密守时时钟模块与微处理器模块采用I2C总线连接；所述精密守时时钟模块与所述卫星定位追踪模块秒信号同步；所述精密守时时钟模块保存卫星授时参数并输出PPS EXTI秒信号至微处理器模块；所述PPS EXTI秒信号作为微处理器模块的计时秒脉冲；所述PPS EXTI秒信号秒脉冲为微处理器模块低功耗状态下的秒唤醒触发信号。精密守时时钟模块与微处理器模块采用I2C总线连接，保存授时参数，输出的秒信号PPSEXTI 与北斗PPS同步后，作为微处理器模块的计时秒脉冲使用，同时该PPS EXTI秒脉冲还作为低功耗状态下的秒唤醒触发信号。

如图4至7所示的低功耗卫星定位运动手表实施例中，还包括用于外部控制信号输入的控制信号输入模块，所述控制信号输入模块和微处理器模块电信号连接，并接受微处理器模块的控制。控制信号输入模块可以包括按键输入模组，使用五个GPIO来检测不同按键输入。低功耗待机时GPIO启动EXTI，使用按键来触发唤醒微处理器模块。

如图7所示的低功耗卫星定位运动手表实施例中，还包括电子罗盘模块；所述电子罗盘模块与微处理器模块电信号连接，用于获得地磁信号，并输送给微处理器模块解析显示。

如图7所示的低功耗卫星定位运动手表实施例中，还包括用于获得环境参数的环境参数传感模块；所述环境参数传感模块包括用于获取环境温度信息的温度传感器、用于获取环境湿度的湿度传感器和用于获取环境压力的压力传感器；所述环境参数传感模块与微处理器模块电信号连接，将获取包括温度、湿度、气压和海拔高度在内的环境信息传送至微处理器模块。；通过气压数据还可以计算或者换算成海拔高度数据，海拔高度数据也可以用于显示和参与相关后续参数的计算。

环境参数传感模块和电子罗盘模块，由微处理器模块分别独立控制工作与否，分时公用I2C总线，分别读出测量的环境参数和方向参数。

采用内置的3D运动加速度传感器，实时监测手表佩戴者的运动状况，实现功耗的优化控制。并基于3D加速度信息和追踪定位信息进行运动恢复管理机制，以降低系统功耗。

运动恢复管理：当监测到>10秒没有运动时：允许微处理器模块进入秒睡眠状态，后续若检测到手表佩戴者的任意运动都会触发手表恢复到连续低速工作状态，不睡眠。

追踪功耗管理：在运动追踪模式下，当监测到>10秒没有运动时：卫星定位追踪模块即BDS(BeiDou Navigation Satellite System，中国北斗卫星导航系统)北斗卫星定位追踪模块进入热待机模式，定位数据保持不更新，运动恢复后，BDS北斗卫星定位追踪模块又继续工作，可大大降低功率消耗。

优先级管理：运动功能全部关闭后，手表的功耗管理完全由环境光和按键来控制。只有启动运动功能后，运动监测才参与到手表功耗的管理。运动功耗控制和环境光功耗控制是并列控制逻辑关系，关屏待机模式下，运动功能自动禁止，运动不能唤醒关屏待机模式。

进一步地，低功耗卫星定位运动手表中采用了以下运动检测消耗算法进行了不同模式下的运动消耗计算：

a)徒步模式下：

单步时间范围time＝800ms～400ms,匀速步长len＝0.6m～0.8m.

计步数N＝加速度计3D方向触发中断次数；

里程数L＝计步数N×匀速步长len；

运动消耗P＝计步数N/26(卡路里CAL)。

b)跑步模式下：

单步时间范围time＝400ms～200ms,匀速步长len＝0.7m～1.0m.

计步数N＝加速度计3D方向触发中断数；

里程数L＝计步数N×匀速步长len；

运动消耗P＝计步数N/16(卡路里CAL)。

c)登山模式下：

单步时间范围time＝1200ms～600ms,水平方向步长len＝0.2m～0.5m.

计步数N＝加速度计3D方向触发中断数；

水平里程数L＝计步数N×匀速步长len；

水平运动消耗P1＝计步数N/26(卡路里CAL)

垂直方向爬升高度high＝高度计值－参考点高度值爬山登高里程其中根号运算符下的L为水平里程数，根号运算符下的high 为垂直方向爬升高度，即采用三角求斜边计算获得实际爬山登高里程。

垂直爬高运动消耗P2＝垂直方向爬升高度high×140(卡路里CAL)

运动消耗P＝水平运动消耗P1+垂直爬高运动消耗P2(卡路里CAL)。

其中：单步时间范围判断值，由初始化程序写入加速度芯片内部；匀速步长函数由采集到的单步时间线性函数计算获得；计步数由外部触发中断函数计数；运动消耗系数为经验值，其中垂直爬高运动消耗参考人体重为标准60Kg计算。

如图1和2所示的低功耗卫星定位运动手表实施例中，所述显示模块包括MIP低功耗显示屏。采用极大降低功耗的夏普MIP液晶屏，显示静态图像时不需刷新，为保证本实用新型专利产品能长时间工作打下基础。MIP超低功耗显示屏模组，微控制器通过三线SPI总线驱动显示屏，实现图形、字符、图标的显示。

本实用新型利用北斗系统提供的精确定位追踪功能，为用户提供一种自动后台定位追踪服务的一款超低功耗的卫星定位运动手表。为特殊用户提供运动轨迹服务，在此基础上还可以提供精确的时间服务。并且本实用新型专利采用了环境光补充电技术、采用了光控功耗管理、同时采用极大降低功耗的夏普MIP液晶屏，显示静态图像时不需刷新，为保证本实用新型专利产品能长时间工作打下基础，是一种具有超低功耗的卫星定位运动手表。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低功耗卫星定位运动手表，其特征在于，包括：

用于手表主系统控制的微处理器模块、用于从卫星获得定位追踪信号的卫星定位追踪模块、用于显示手表运行信息的显示模块、用于感受环境光信号的光电模块和用于运动信号检测的3D加速度传感模块；

所述显示模块和微处理器模块电信号连接，并接受微处理器模块的控制；

所述卫星定位追踪模块和微处理器模块电信号连接；所述卫星定位追踪模块，用于从接收到的卫星信号中提取定位追踪信号用于运动手表的定位跟踪，微处理器模块根据该信号计算获得手表所在的空间坐标信息；

所述3D加速度传感模块和微处理器模块电信号连接，并将感受到的3D加速度信号传送至微处理器模块，用于运动参数计算；

所述光电模块包括光能唤醒模块；该光能唤醒模块与所述微处理器模块的唤醒控制端电信号连接；

所述光能唤醒模块输出唤醒信号至所述微处理器模块的唤醒控制端，所述唤醒信号的电压幅度随外界光强变化；

所述唤醒信号电压幅度高于所述微处理器模块唤醒控制端所需唤醒电压门限，所述微处理器被唤醒。

2.根据权利要求1所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于，

还包括电子罗盘模块；所述电子罗盘模块与微处理器模块电信号连接，用于获得地磁信号，并输送给微处理器模块解析显示。

3.根据权利要求1所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于，

还包括用于获得环境参数的环境参数传感模块；

所述环境参数传感模块包括用于获取环境温度信息的温度传感器、用于获取环境湿度的湿度传感器和用于获取环境压力的压力传感器；

所述环境参数传感模块与微处理器模块电信号连接，将获取包括温度、湿度、气压在内的环境信息传送至微处理器模块。

4.根据权利要求1所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于：

所述卫星定位追踪模块为北斗卫星定位追踪模块；该北斗卫星定位追踪模块用于接收北斗卫星发送的卫星信号，并从中提取定位追踪信号。

5.根据权利要求4所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于，

所述北斗卫星定位追踪模块使用UART串口与微处理器模块电信号连接；所述北斗卫星定位追踪模块输出NMEA0183数据流，并从该数据流中解析获得所需的北斗卫星定位追踪信号。

6.根据权利要求1所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于，

所述光能唤醒模块包括芯片BQ25504，所述芯片BQ25504第7管脚用于输出唤醒信号至微处理器模块的唤醒控制端。

7.根据权利要求1所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于：

还包括用于手表供电的电池模块；

所述光电模块包括光电能量收集模块；

所述光电能量收集模块与所述电池模块电信号连接，所述光电能量收集模块收集光能转化为电能；所述光电能量收集模块为所述电池模块充电。

8.根据权利要求1所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于，

所述卫星定位追踪模块为卫星授时定位追踪模块，还能用于从卫星信号中提取卫星时钟信号并将其转化为手表时钟信号，微处理器模块根据该手表时钟信号进行运算；

同时，所述低功耗卫星定位运动手表还包括精密守时时钟模块；

所述精密守时时钟模块与微处理器模块采用I2C总线连接；

所述精密守时时钟模块与所述卫星定位追踪模块秒信号同步；

所述精密守时时钟模块保存卫星授时参数并输出PPS EXTI秒信号至微处理器模块；

所述PPS EXTI秒信号作为微处理器模块的计时秒脉冲；

所述PPS EXTI秒信号秒脉冲为微处理器模块低功耗状态下的秒唤醒触发信号。

9.根据权利要求1所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于，

所述显示模块包括MIP低功耗显示屏。

10.根据权利要求1所述低功耗卫星定位运动手表，其特征在于，

还包括用于外部控制信号输入的控制信号输入模块，所述控制信号输入模块和微处理器模块电信号连接，并接受微处理器模块的控制。