蓝鲸手环软件系统

蓝鲸手环软件系统

1 硬件框架

先来看一下硬件框图：
蓝鲸手环系统硬件架构

[TOC]

主要器件型号如下：

硬件模块 型号 参数
MCU Apollo2Blue 48MHz/256KB RAM/1MB ROM
Norflash 8MB
GPS UBX-M8230
LCD Truly 1.1寸/160*64
TP 联阳
PPG PPS964
G-Sensor MC3632
PMU MAX14745D
BT 内置AM
Motor AWA

2 软件框架

蓝鲸手环软件系统

 如上图所示，蓝鲸的软件结构可以分为APP应用、中间件（Middleware）、HAL&BSP三个层次，另外还有一个BootLoader。

  • APP应用主要是实现UI交互逻辑和UI界面显示，通过API和消息接口，可以与中间件进行数据交互。

  • 中间件实现了系统的大部分的组件，包含了GUI库(GUI Lib)、运动算法库（Algo Lib）、心率算法库(HRM Lib)、电源管理（PM)、通信协议(Protocol)、算法模块（Algo Ctrl)、数据存储模块（His Data）、数据查询模块(Data Reader)、运动模块（Sports）、Preference、AGPS、GPS、工厂测试（Factory)、升级模块（OTA）、健康模块（Providers)、调试模块等。

  • HAL是中间件和BSP之间的一个抽象接口层。

  • BSP实现了各个硬件模块的驱动。

  • Bootloader主要用于OTA升级过程中执行文件的搬移，将最新的版本搬到执行区域。

3 主要子系统框架介绍

3.1 APP应用

 主要完成UI显示和交互逻辑，数据和系统控制是由中间件的各个模块提供，UI显示由GUI控件提供。模块之间通信主要是通过消息传递。

3.2 GUI模块

 Libaroma是一个用纯C写的控件库，支持Linux、X86、QNX等不同平台。针对不同平台API做了一层封装，可以很快的移植到不同平台，参照Android的材料设计风格实现控件库，已经写好了Fragment、ViewPager、Button、ProgressBar、ListView、Dialog等控件，开发者可以实现自己的控件。目前
Libaroma框架只绝对布局，控件的开发基本和Android类似，也有Window，WindowManagr、EventHub等概念，支持Window转场动画。

3.3 私有协议模块

 数据接收流程如下图，当DM端通过BLE的写特征值写入数据时，手环端BLE协议写回调函数会将数据送出，在回调函数中调用Message pack的API对数据包解析，并根据cmd字段对解析后的内容通过消息分发出去。

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graph TD
A[BLE Service WriteCback]-->B[msg unpack解包]
B-->C[根据cmd字段发送对应的消息]


 数据发送流程如下图，当数据需要发送时，先调用Message pack的API对数据进行打包，再调用BLE的发送接口发送出去。这里用到了两种发送方式，一种是写特征值的方式，这个主要是返回DM需要读取的数据；另一种是发送notify的方式，这个主要是回应DM发送过来的命令成功与否。

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graph TD
A[send data]-->B[msg pack打包]
B-->C[fill characteristic]
B-->D[send Notification]

3.4 ANCS通知模块

 和私有协议的接收流程类似，不同之处是这里是通过ANCS Service接收到数据，数据格式是ANCS规范定义的。

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graph TD
A[ancsAnccAttrCback]-->B[根据ancs协议解析和过滤]
B-->C[发送消息到APP模块]

3.5 运动算法

 运动算法包括计步、睡眠、骑行、久坐、翻腕、运动检测、敲击、游泳、健身等。除游泳和健身是采用SVM的深度学习算法外，其他都是采用传统算法，通过计算三轴数据的能量值和角度，并滤波，加上特征提取和判断逻辑。

  • 传统算法运算量少，占用资源少，可以做到低功耗，全天候运行。
  • 深度学习算法相对占用资源比较多，功耗会比较大，只能在进入特定场景下运行。

3.6 健康模块

 健康模块中有心率、计步、睡眠、久坐四个业务，每个业务的软件架构基本是一样的，都是监听并处理其他模块发过来的消息。此模块与其他模块的关系如下：

健康模块与其他模块的关系

 健康模块是中间件中的一个重要模块，分别与穿戴协议、心率UI、计步UI、健康UI、运动UI、运动算法模块、心率算法模块、存储模块有交互。

  • DM通过穿戴协议可以设置参数和读取健康数据，健康模块中要处理穿戴协议传过来的命令以及返回数据给穿戴协议。
  • UI通过消息和API从健康模块获取相应的数据，健康模块也会根据设置的数值给UI主动发送消息，用于弹出提醒框。
  • 运动算法的开关是通过健康模块来控制的，算法的数据会主动上报给健康模块。
  • 健康模块会调用存储模块的接口保存健康数据，当DM要拉取健康数据的时候，健康模块也会调用存储模块查询历史数据，并返回给DM。

3.7 运动模块

 运动模块中有室外跑步、室内跑步、游泳、骑行、健走、健身等业务，业务逻辑都是监听并处理其他模块发过来的消息，记录心率、步数、gps、距离、姿态等数据。此模块与其他模块的关系如下：

运动模块与其他模块的关系

 运动模块是中间件中的一个重要模块，分别与穿戴协议、跑步UI、游泳UI、骑行UI、健走UI、健身UI、健康模块、运动算法模块、GPS模块、存储模块有交互。

  • DM通过穿戴协议可以设置参数和读取健康数据，运动模块中要处理穿戴协议传过来的命令以及返回数据给穿戴协议。
  • UI通过消息和API从运动模块获取相应的数据，运动模块也会根据设置的数值给UI主动发送消息，用于实时更新数据。
  • 运动模块会调用存储模块的接口保存运动记录、心率数据、GPS数据，当DM要拉取运动数据的时候，运动模块也会调用存储模块查询历史数据，并返回给DM。

3.8 GPS模块

 GPS模块主要的任务是开关GPS、星历数据的下发、命令的下发、报文接收并解析，定位信息保存和发送等。

 业务主要流程如下：

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graph TD
A(开始)-->B[打开串口]
B-->C[打开GPS]
C-->D{是否有AGPS星历文件?}
D-->|yes| E[下载AGPS星历数据]
D-->|no| F[接收GPS数据]
E-->F[接收GPS数据]
F-->G[解析GPS报文]
G-->H[保存GPS定位信息到flash]
H-->I[发送定位信息消息]

3.9 AGPS下载模块

 主要业务流程如下，异常处理流程没有画出：

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graph TD
A(Bigfile Service WriteCback)-->B[检测包头的起始位置]
B-->C[接收包头并解析出文件的描述信息]
C-->D[接收后面的文件数据]
D-->E[CRC校验]
E-->F[保存数据到flash]
F-->G[发送notify回包给DM]


 等全部的数据接收完成后，DM端发送命令给手环，进行全部数据的校验，校验成功后返回校验成功的消息给DM。

3.10 存储查询模块

 蓝鲸硬件上有两块flash，一个是mcu片内的1MB ROM，一个是外部4/8MB norflash。片内的ROM主要用于存放代码，外部放norflash主要用于存放数据。

 两个flash我们规划了不同的分区，用于满足手环系统的需求。

 片内的ROM分区表如下：
分区名 | 地址范围 | 大小 | 备注
—|—|—|—|—
Bootloader | 0x00000-0x03FFF | 16KB | Bootloader
flag | 0x04000-0x07FFF | 16KB | ota flag和image地址、crc等
image | 0x08FFF-0xF7FFF | 984KB | image执行文件
factory | 0xF8000-0xFFFFF | 8KB | 工厂信息

 外部的norflash分区表如下：
分区名 | 地址范围 | 大小 | 备注
—|—|—|—|—
OTA | 0x000000-0x0FFFFF | 1MB | OTA升级包
front | 0x100000-0x1FFFFF | 1MB | 字库
log | 0x200000-0x2FFFFF | 1MB | 离线log
bt_pair1 | 0x300000-0x300FFF | 4KB | ios蓝牙配对信息
bt_pair2 | 0x301000-0x301FFF | 4KB |ios蓝牙配对信息
bt_pair3 | 0x302000-0x302FFF | 4KB |ios蓝牙配对信息
bt_pair4 | 0x303000-0x303FFF | 4KB |ios蓝牙配对信息
bt_pair5 | 0x304000-0x304FFF | 4KB |ios蓝牙配对信息
agps | 0x305000-0x313FFF | 60KB |agps星历文件
agps head| 0x314000-0x318FFF | 20KB | agps星历文件头
resume | 0x319000-0x33FFFF | 156KB |保留
user data | 0x340000-0x37FFFF | 256KB |用户健康历史数据
sport data | 0x380000-0x3FFFFF | 512KB |运动历史数据

 除历史数据外，其他的分区的数据存储比较简单，都是整块区域数据的读写。

 历史数据的存储设计成一个循环buffer的机制，始终保持最近的数据，当数据量超过分区容量时，覆盖最早的数据。

3.11 OTA模块

 主要业务流程如下，异常处理流程没有画出：

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graph TD
A(OTA Service WriteCback)-->B[检测包头的起始位置]
B-->C[接收包头并解析出文件的描述信息]
C-->D[接收后面的文件数据]
D-->E[CRC校验]
E-->F[保存数据到flash]
F-->G[发送notify回包给DM]


 等全部的数据接收完成后，DM端发送命令给手环，进行全部数据的校验，校验成功后修改OTA的标志位，并返回校验成功的消息给DM，DM再发送重启的命令给手环，手环重启进入OTA流程，OTA完成后将标志位还原。

3.12 Preference模块

 此模块维护了一组持久化数据，这些数据更新的频率可能会比较高，并且系统关机重启后，数据不会丢失。
 业务逻辑如下：

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graph TD
A(开始)-->B[从flash中读取数据到全局变量中]
B-->C{首次开机?}
C-->|yes| D[初始化全局变量]
C-->|no| E[各业务更新变量]
D-->E
E-->F{关机重启?}
F-->|yes| G[将全局变量的内容保存到flash]
F-->|no|E

 分配了一块4KB大小的Flash区域用于保存数据，开机后，会将flash中的数据拷贝到内存中的一个全局变量，用于临时保存并更新数据。当系统关机重启前，全局变量中的数据会保存到flash中。

3.13 电源管理模块

 电源管理模块负责充电管理、LCD背光管理、电量管理、温度报警、假关机管理等。

3.14 Common Driver模块

 Common driver模块是中断处理的下半部，将一些中断处理函数中耗时的操作放到中断上下文之外去处理，保证了中断时间尽量的少。处理的中断有串口中断、TP中断、PMU中断、电池电量检测ADC中断、NTC检测ADC中断等。

3.15 看门狗模块

 Apollo2Blue芯片的看门狗设置成0.75秒会产生一次中断，1.5秒不喂狗会超时重启。根据这个硬件特性，系统设计了一套喂狗机制：

  • 使用事件标志组的方式，监控各个task，被监控的task每分钟设置一次事件标志组中对应的标志位。当全部的标志位都置位了，就清一次看门狗中断计数器g_ui8NumWatchdogInterrupts。
  • 在看门狗中断中，对进入中断的次数计数g_ui8NumWatchdogInterrupts，当g_ui8NumWatchdogInterrupts小于180的时候就喂狗，否则就停止喂狗，等待超时重启。

3.16 消息模块

 任务之间的数据通信主要靠消息机制，由于FreeRTOS系统只提供了点对点的API，我们在此基础上实现了类似Android的注册和广播的消息API。
使用队列将注册的消息保存起来，在发送消息的时候查找遍历队列中的消息，逐个发送出去。

3.17 工厂测试模块

 产线生产的时候需要对硬件测试、写入信息、控制软件进入特定模式等，因此在手环代码要加入相关的代码。

 需要通过发送特定的命令才能激活工厂测试代码，命令的发送方式主要有以下两种：

  • 在SMT阶段，产线的夹具接通手环的串口，通过PC上位机发送串口命令。
  • 在组装阶段，通过dongle连接手环的BLE Service，上位机发送蓝牙命令给手环。

3.18 BootLoader

 Bootloader的主要作用是用来完成OTA，每次启动首先进入bootloader，通过判断保存在flash中的标志位，来决定是否进行代码搬移，主要流程如下图：

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graph TD
A(开始)-->B[从flash中读取标志位]
B-->C{是否OTA?}
C-->|yes| D[从外部flash搬移新的执行代码到内部flash的运行地址]
C-->|no| E[跳转到系统代码运行]
D-->F[擦除标志位]
F-->G[重启]

3.19 调试

 调试方式目前有如下几种：

  • 串口log：每个task都有宏单独控制log的开关，方便调试使用。
  • AT指令：手环上实现了AT指令的解析，可以自己添加指令用于调试。
  • KEIL DEBUG：可以设置断点和单步跟踪。
  • 离线log：在flash中分出来一个单独的区域，用于存放离线log，在整机的情况下非常有用，但容量有限。