小米手環(huán)制造技術(shù)分析.docx

計算機輔助工程論文小米手環(huán)制造技術(shù)分析與發(fā)展前景學(xué)號：2014010姓名：霍洪旭學(xué)院：研究生學(xué)院專業(yè)：機械工程摘 要本論文主要講述的是小米智能手環(huán)，包括傳感器模塊、音頻模塊、電源模塊、中央處理單元和無線通信模塊等模塊。使用戶的智能手環(huán)和小米手機（小米3、小米4、紅米note）之間無線通信連接，實現(xiàn)所述智能手環(huán)與所述智能手機之間音頻信號的交互傳輸。小米智能手環(huán)，能夠與智能手機實現(xiàn)無線同步連接、具有提醒來電功能、查看運動量、監(jiān)測睡眠質(zhì)量、智能鬧鐘喚醒等。可以通過手機應(yīng)用實時查看運動量，監(jiān)測走路和跑步的效果，還可以通過云端識別更多的運動項目。 其次，本文介紹小米手環(huán)在計算機輔助工程中其他應(yīng)用技術(shù)，包括虛擬樣機技術(shù)、計算機輔助設(shè)計、CAE在模具設(shè)計制造中的應(yīng)用、CAE的優(yōu)化設(shè)計。并對小米手環(huán)當(dāng)前市場和未來發(fā)展方向給予介紹。關(guān)鍵詞：小米手環(huán)；輔助工程；無線通信目錄摘 要11.小米手環(huán)簡介和功能及智能化11.1簡介11.2功能 11.3智能化 32.小米手環(huán)基本結(jié)構(gòu) 23.小米手環(huán)核心結(jié)構(gòu)23.1傳感器模塊33.2音頻模塊 43.3電源模塊 43.4中央處理單元 53.5無線通信模塊 63.6其他部件 73.6.1振動器（振動馬達(dá)）73.6.2LED燈84.小米手環(huán)的應(yīng)用技術(shù)94.1 虛擬樣機技術(shù) 94.1.1 虛擬樣機技術(shù)的形成和發(fā)展94.1.2虛擬樣機技術(shù)的相關(guān)技術(shù)94.2 計算機輔助設(shè)計104.2.1 計算機輔助設(shè)計簡介104.2.2 計算機輔助設(shè)計在手環(huán)中的應(yīng)用104.2.3 計算機輔助設(shè)計在其他設(shè)備中的應(yīng)用104.3 CAE在模具設(shè)計制造中的應(yīng)用104.3.1 注塑模具的的建模分析114.3.2 CAE的優(yōu)化設(shè)計125.手環(huán)當(dāng)前市場136.小米手環(huán)發(fā)展前景137.參考文獻(xiàn)15161.小米手環(huán)簡介和功能及智能化1.1 簡介小米手環(huán)是一種穿戴式智能設(shè)備。通過這款手環(huán)，用戶可以記錄日常生活中的鍛煉、睡眠、部分還有飲食等實時數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與手機、平板同步，起到通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活的作用。1.2 功能小米手環(huán)的主要功能包括查看運動量，監(jiān)測睡眠質(zhì)量，智能鬧鐘喚醒等?？梢酝ㄟ^手機應(yīng)用實時查看運動量，監(jiān)測走路和跑步的效果，還可以通過云端識別更多的運動項目。小米手環(huán)采用手環(huán)主體和表帶分離的設(shè)計方式。優(yōu)點在于設(shè)計制造成本低，無需使用更多的柔性材料。1.3 智能化以睡覺為例，在睡前將與其連接的小米手機app設(shè)置為睡眠模式，第二天起床后將它與小米手機設(shè)備同步（目前僅支持小米3、小米4、紅米note之間無線通信連接），便可看到你的睡著時間、清醒時間、深睡/淺睡、整體的睡眠質(zhì)量等信息。而對于減肥和健身的人來說，小米手環(huán)是一個負(fù)責(zé)的私人教練，可以告訴你每天的運動路徑、消耗卡路里和攝入熱量，還可以設(shè)置運動目標(biāo)，比如要走多少步，消耗多少卡路里等等，還會實時的顯示運動的完成率，運動減肥都可以量化，對于不能堅持的人來說是一大福音。小米手環(huán)具有高檔防水功能，可以戴著手環(huán)在10米以內(nèi)的淺?；蛘吆永镉斡?，克服了傳統(tǒng)計步器無法跟蹤游泳運動的缺陷，使用也更加廣泛。小米手環(huán)還具備社交網(wǎng)絡(luò)分享功能，比如用戶可以將睡眠質(zhì)量、飲食情況和鍛煉情況以及心情記錄等通過綁定微信、微博進(jìn)行分享。對于老年人來說，它還是一位保護神。通過內(nèi)置的GPS連接器，它可以隨時將身體狀況及位置隨時知會相關(guān)醫(yī)院或家人。小米手環(huán)內(nèi)置低功耗藍(lán)牙4.0模塊，可以與手機、平板、PC客戶端進(jìn)行連接，可以隨時隨地設(shè)置身高、體重、步幅等信息和上傳運動數(shù)據(jù)。每當(dāng)疲勞提醒時間一到，智能手環(huán)會以鬧鐘的形式提醒注意休息，適合現(xiàn)高壓力的辦公室人群，設(shè)計很人性化。在使用時間上，由于智能手環(huán)內(nèi)部內(nèi)置了一顆鋰聚合物電池，續(xù)航時間可達(dá)10天，續(xù)航能力還是很強的。2小米手環(huán)基本結(jié)構(gòu)小米手環(huán)有表帶扣，表帶，主體，主板，橡膠墊，鋁合金金屬貼片，電池和震動模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖1圖一由于小米手環(huán)支持IP67級防水防塵功能，故整體采用一體式設(shè)計，表面鋁合金屬貼片通過粘合在手環(huán)主體上。小米手環(huán)表帶采用硅基熱塑硫化膠（TPSiv），三星Gear手環(huán)也采用了此材質(zhì)作為手表表帶。TPSiv擁有可作為嬰兒、皮膚接觸產(chǎn)品的安全性，過敏率低等。2小米手環(huán)核心結(jié)構(gòu)小米手環(huán)的核心結(jié)構(gòu)就是一整塊黑色PCB（印刷線路板）主板，包括傳感器模塊、音頻模塊、電源模塊、中央處理單元和無線通信模塊。下圖為主板的各模塊之間信息關(guān)系。圖二3.1傳感器模塊所述傳感器模塊與以下所述的中央處理單元電連接，用于檢測智能手環(huán)佩戴者的信息并將其傳送到所述中央處理單元。重力感應(yīng)加速度模塊用于對智能手環(huán)佩戴者行進(jìn)的步數(shù)進(jìn)行計數(shù)，并將其傳送到所述中央處理單元。如圖三小米手環(huán)主板中集成的ADI傳感器芯片，可以幫助小米手環(huán)實現(xiàn)各種感應(yīng)功能。圖三小米手環(huán)能夠精準(zhǔn)計步由硬件和軟件算法兩方面組成。硬件是指小米手環(huán)里內(nèi)置的那枚強悍的三軸加速度傳感器ADXL362，在大多數(shù)中高檔手機里都有配備加速度傳感器。三軸加速度傳感器的三軸是指空間中的X，Y，Z三個維度，有了這3個維度，手環(huán)就可以捕捉到手環(huán)在使用中的加速度變化，從而生成數(shù)據(jù)。軟件算法：華米程序根據(jù)三軸加速度實時捕捉到的三個維度的各項數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波、峰谷檢測等過程，使用各種算法和科學(xué)縝密的邏輯運算，最終將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成手機APP端的可讀數(shù)字，步數(shù)、距離、消耗的卡路里數(shù)值等呈現(xiàn)在最終用戶面前。3.2音頻模塊所述音頻模塊包括麥克風(fēng)以及分別與麥克風(fēng)連接的DSP（數(shù)字信號處理）芯片，所述音頻模塊與所述中央處理單元以及下述的無線通信模塊電連接，所述DSP 處理芯片用于對音頻信號進(jìn)行編碼與解碼，并將處理后的音頻信號傳送到所述無線通信模塊，所述音頻信號包括從所述無線通信模塊傳輸過來的音頻數(shù)據(jù)以及所述麥克風(fēng)的音頻數(shù)據(jù)。3.3電源模塊所述電源模塊包括第一數(shù)據(jù)總線和電池，電池為41mAh鋰聚合物電池，用于通過所述第一數(shù)據(jù)總線提供電源。由于小米手環(huán)并沒有配備顯示屏幕，加之采用低功耗處理器，因此即便這塊電池容量很小，不過也可以為小米手環(huán)提供超長續(xù)航時間。 電源模塊設(shè)有USB 接口，USB接口用于連接電源對電源模塊充電和/或用于獲取手環(huán)的數(shù)據(jù)接口；中央處理單元用于檢測電源模塊的電量以及是否充電完成，和控制手環(huán)數(shù)據(jù)的輸入輸出。圖四3.4中央處理單元所述中央處理單元包括主控MCU（微控制單元，又稱單片微型計算機），用于接收和存儲所述傳感器模塊所采集的信息，以及協(xié)調(diào)所述音頻模塊和所述無線通信模塊進(jìn)行工作。Dialog DA14580超低功耗處理器，集成藍(lán)牙4.0連接功能，由于手環(huán)無需強大的計算能力，省電則成為選擇芯片的唯一要務(wù)；圖五為小米手環(huán)Dialog DA14580超低功耗處理器，圖六為Dialog DA14580超低功耗處理器內(nèi)部構(gòu)造。圖五圖六3.5無線通信模塊所述無線通信模塊用于使智能手環(huán)和智能手機之間無線通信連接，將所述智能手環(huán)的信息傳送到所述智能手機，并將所述智能手機的控制信息發(fā)送到所述智能手環(huán)，實現(xiàn)所述智能手環(huán)與所述智能手機之間信號的交互傳輸。3.6其他部件3.6.1振動器（振動馬達(dá)）振動馬達(dá)與所述中央處理單元電連接，用于提醒用戶。因此智能手環(huán)佩戴者可以通過振動馬達(dá)來及時提醒什么時候該開始運動，以及運動完成等狀況，使智能手環(huán)佩戴者可以及時的了解自己的運動狀況。小米手環(huán)提供有來電提醒功能，在手環(huán)設(shè)置菜單中，選擇來電提醒后可設(shè)置來電提醒的時間。超過設(shè)置的時間，電話還沒有被接聽的話，手環(huán)會以震動的方式提醒用戶。同時小米手環(huán)還具要智能鬧鐘功能，設(shè)置完成以后，手環(huán)會以震動的方式喚醒用戶，不會打擾它人，基本上可以放棄手機上的鬧鐘了。如圖七為小米手環(huán)振動器。圖七手環(huán)振動馬達(dá)的動作原理。馬達(dá)外部為工程塑料制成的外殼，內(nèi)部除了外盒外，還有一個微小的直流電動機，驅(qū)動偏心輪轉(zhuǎn)動。此外還有一塊很簡單的集成電路，用以控制啟動和停止電 動機的運轉(zhuǎn)。當(dāng)手機設(shè)為“振動” 狀態(tài)時，控制電路接通。馬達(dá)軸上面有一個偏心輪，當(dāng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動的時候，偏心輪的圓心質(zhì)點不在電機的轉(zhuǎn)心上，使得馬達(dá)處于不斷的失去平衡狀態(tài)，由于慣性作用引起震動。如圖八圖八3.6.2 LED燈用于指示或向智能手環(huán)佩戴者提醒所述智能手環(huán)的狀態(tài)；所述中央處理單元用于控制所述輸出單元的指示燈指示或振動馬達(dá)振動。圖九4.小米手環(huán)的應(yīng)用技術(shù)在市場中，智能手環(huán)有著體積小，功能多的特點。為保證諸多功能的正常運轉(zhuǎn)和發(fā)揮，需要設(shè)計者們提供強大的技術(shù)支持。例如：手環(huán)的表帶和金屬貼片由虛擬樣機技術(shù)進(jìn)行分析、預(yù)算、檢驗才能批量生產(chǎn)；手環(huán)與智能手機的數(shù)據(jù)傳輸用到數(shù)據(jù)交換技術(shù)；在計步、測量距離等功能用到虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機圖形處理技術(shù)。隨著計算機輔助工程在智能系統(tǒng)和機械工業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，使得各種智能設(shè)備朝著有利于人類的社會方向發(fā)展。下面重點介紹一下小米手環(huán)在計算機輔助工程的技術(shù)應(yīng)用。4.1虛擬樣機技術(shù)虛擬樣機技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)綜合在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。對于小米手環(huán)的生產(chǎn)制造不可能憑空想象的在車間直接生產(chǎn)，而是把小米手環(huán)分割成不同模塊，每個模塊有著各自的功能與空間，在組裝生產(chǎn)前，必須經(jīng)過電腦軟件分析，這樣才能知道手環(huán)的性能合不合格，才能進(jìn)行成產(chǎn)。虛擬樣機技術(shù)是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關(guān)問題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)的設(shè)計與制造過程中存在弊端的新技術(shù)。虛擬樣機技術(shù)可使產(chǎn)品設(shè)計人員在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬產(chǎn)品整體的運動及受力情況，快速分析多種設(shè)計方案，獲得系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案。根據(jù)人的習(xí)慣，設(shè)計著考慮到手環(huán)的自身的重力，對手環(huán)做受力分析，再進(jìn)一步校核手環(huán)的壽命，這樣才能保證在制造后，產(chǎn)品的性能合格與穩(wěn)定。4.1.1 虛擬樣機技術(shù)的形成和發(fā)展虛擬樣機技術(shù)源于對多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究。虛擬樣機技術(shù)是解決復(fù)雜系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)的有效手段。虛擬樣機技術(shù)核心部分是多體系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)，數(shù)值算法，計算機可視化技術(shù)及動畫技術(shù)。4.1.2虛擬樣機技術(shù)的相關(guān)技術(shù)（1）幾何形體的計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件和技術(shù)；（2）有限元分析(FEA)軟件和技術(shù)；（3）模擬各種作用力的軟件編程技術(shù)；（4）利用試驗裝置的試驗結(jié)果進(jìn)行某些構(gòu)件的建模；（5）控制系統(tǒng)設(shè)計與分析軟件和技術(shù)；（6）優(yōu)化分析軟件和技術(shù)。4.2計算機輔助設(shè)計4.2.1計算機輔助設(shè)計簡介計算機輔助設(shè)計（CAD）在如今的工業(yè)制造領(lǐng)域，設(shè)計人員可以在計算機的幫助下繪制各種類型的工程圖紙，并在顯示器上看到動態(tài)的三維立體圖后，直接修改設(shè)計圖稿，極大地提高了繪圖的質(zhì)量和效率。此外，設(shè)計人員還可以通過工程分析和模擬測試等方法，利用計算機進(jìn)行邏輯模擬，從而代替產(chǎn)品的測試模型（樣機），降低產(chǎn)品試制成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。4.2.2計算機輔助設(shè)計在手環(huán)中的應(yīng)用設(shè)計人員在計算機的幫助下繪制智能手環(huán)的三維圖形以及零件圖，并將其了合理的裝配，經(jīng)過分析的軟件的檢查合格后進(jìn)行批量生產(chǎn)。運用計算機輔助設(shè)計在實際中的作用：1）增加設(shè)計功能，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少設(shè)計成本；2）縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期；3）采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案，降低材料的消耗或成本；4）在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；5）模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費；4.2.3計算機輔助設(shè)計在其他設(shè)備中的應(yīng)用計算機輔助設(shè)計可廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，像各種工業(yè)建設(shè)項目，例如工廠的建設(shè)，公路、鐵路、橋梁和隧道的建設(shè)；像大型工程項目，例如電站、水壩、水庫、船臺的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。它還可應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)過程之中，及其它的企業(yè)經(jīng)營、管理控制過程中，例如工廠的生產(chǎn)過程、公司的商業(yè)活動等。4.3 CAE在模具設(shè)計制造中的應(yīng)用模具作為工業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)工藝裝備, 是一種高附加值的高技術(shù)密集型產(chǎn)品, 也是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要領(lǐng)域, 尤其在汽車、電子、儀表、家電和通訊行業(yè)中應(yīng)用廣泛。研究和發(fā)展模具技術(shù), 對于促進(jìn)國民經(jīng)濟的發(fā)展具有特別重要的意義, 模具技術(shù)的水平及科技含量高低, 直接影響到模具工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展,在很大程度上決定了產(chǎn)品的質(zhì)量, 新產(chǎn)品的開發(fā)能力、企業(yè)的經(jīng)濟效益, 是衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。下圖為傳統(tǒng)塑料注射模模具設(shè)計過程圖十通過比較可知，傳統(tǒng)塑料注射模模具設(shè)計過程費時費力；下圖為塑料注射模具的計算機輔助工程做法。圖十一通過比較可知，計算機輔助工程做法可以減少設(shè)計開發(fā)新產(chǎn)品時間，降低開發(fā)成本。4.3.1注塑模具的的建模分析利用MoldFlow 等模具CAE 軟件, 可以進(jìn)行塑料產(chǎn)品的成型過程分析, 來檢查模具結(jié)構(gòu)的合理性、流動狀態(tài)的合理性、產(chǎn)品質(zhì)量問題等。借助MoldFlow 軟件數(shù)據(jù)庫, 可動態(tài)仿真分析塑料在注塑模腔內(nèi)的注射過程流動情況、分析溫度壓力變化和注塑件殘余應(yīng)力等。通過模具CAE 可以將模具設(shè)計錯誤消除在設(shè)計階段, 提高一次試模成功率。塑料模具CAE 分析塑料模具CAE 分析包括對流道、澆口、模具型腔進(jìn)行充模流動分析、保壓分析、收縮分析、冷卻分析、翹曲變形分析等。三維參數(shù)化模型建立后，就需要應(yīng)用CAE 技術(shù)建立有限元分析模型。圖十二4.3.2 CAE的優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計是在一定的技術(shù)和物質(zhì)條件下，尋求一個技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)最佳的設(shè)計方案。如小米手環(huán)設(shè)計中，滿足性能的前提下要求重量最輕（13.5克）；傳感器、電池、電動馬達(dá)等機械零部件設(shè)計，實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)最佳；機械加工工藝過程設(shè)計，限定設(shè)備條件下生產(chǎn)率最高等。優(yōu)化設(shè)計的一般步驟：圖十三5.手環(huán)當(dāng)前市場目前國內(nèi)最典型的手環(huán)方案是MCU+G-Sensor+BT，部分配備顯示屏，實現(xiàn)計步、久坐提醒以及睡眠監(jiān)測等功能。也有部分采用處理器平臺，屬于非主流產(chǎn)品。同時精確定位、心率等方案都還面臨不少技術(shù)挑戰(zhàn)，出貨量很少。手環(huán)方案的瓶頸在于續(xù)航時間和精準(zhǔn)的算法，目前上市手環(huán)內(nèi)置算法基本由芯片公司提供，精確度大同小異，專業(yè)算法會是未來手環(huán)產(chǎn)品的主要挑戰(zhàn)。6.小米手環(huán)發(fā)展前景小米手環(huán)是小米科技公司在2014年推出的新產(chǎn)品，其簡約的外觀設(shè)計和實用的性能，以及低廉的價格，備受米粉的追捧。無論是其查看運動量，監(jiān)測睡眠質(zhì)量，還是智能鬧鐘喚醒都帶給消費者驚喜，但參照國內(nèi)外的制造商所設(shè)計的智能手環(huán)。小米手環(huán)還有很大的提高，比如無法單獨使用，僅支持小米手機等等。具體改進(jìn)如下：（1）、未配備液晶顯示屏、無法單獨使用小米手環(huán)未配備液晶顯示屏，無法單獨使用，需要借助手機和APP應(yīng)用，一旦離開手機和相應(yīng)APP，小米手環(huán)無法實現(xiàn)任何功能。（2）、僅支持小米手機小米手環(huán)僅支持小米手機結(jié)合使用，并且需要搭載基于安卓4以上的MIUI V5系統(tǒng)，并且小米手機還需要支持藍(lán)牙4.0功能，必須滿足這兩項功能，才能使用小米手環(huán)，適合小米3、小米4以及最新款小米note用戶使用。（3）、未配置照相功能攝像頭模塊用于拍攝智能手環(huán)佩戴者周圍的圖像并將其傳送到所述中央處理單元；（4）、未配置NFC