計算機輔助工程論文小米手環制造技術分析與發展前景學號：2014010姓名：霍洪旭學院：研究生學院專業：機械工程摘 要本論文主要講述的是小米智能手環，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。使用戶的智能手環和小米手機（小米3、小米4、紅米note）之間無線通信連接，實現所述智能手環與所述智能手機之間音頻信號的交互傳輸。小米智能手環，能夠與智能手機實現無線同步連接、具有提醒來電功能、查看運動量、監測睡眠質量、智能鬧鐘喚醒等。可以通過手機應用實時查看運動量，監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，本文介紹小米手環在計算機輔助工程中其他應用技術，包括虛擬樣機技術、計算機輔助設計、CAE在模具設計制造中的應用、CAE的優化設計。并對小米手環當前市場和未來發展方向給予介紹。關鍵詞：小米手環；輔助工程；無線通信目錄摘 要11.小米手環簡介和功能及智能化11.1簡介11.2功能 11.3智能化 32.小米手環基本結構 23.小米手環核心結構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）73.6.2LED燈84.小米手環的應用技術94.1 虛擬樣機技術 94.1.1 虛擬樣機技術的形成和發展94.1.2虛擬樣機技術的相關技術94.2 計算機輔助設計104.2.1 計算機輔助設計簡介104.2.2 計算機輔助設計在手環中的應用104.2.3 計算機輔助設計在其他設備中的應用104.3 CAE在模具設計制造中的應用104.3.1 注塑模具的的建模分析114.3.2 CAE的優化設計125.手環當前市場136.小米手環發展前景137.參考文獻15161.小米手環簡介和功能及智能化1.1 簡介小米手環是一種穿戴式智能設備。通過這款手環，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據，并將這些數據與手機、平板同步，起到通過數據指導健康生活的作用。1.2 功能小米手環的主要功能包括查看運動量，監測睡眠質量，智能鬧鐘喚醒等。可以通過手機應用實時查看運動量，監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。小米手環采用手環主體和表帶分離的設計方式。優點在于設計制造成本低，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設置為睡眠模式，第二天起床后將它與小米手機設備同步（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、整體的睡眠質量等信息。而對于減肥和健身的人來說，小米手環是一個負責的私人教練，可以告訴你每天的運動路徑、消耗卡路里和攝入熱量，還可以設置運動目標，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。小米手環具有高檔防水功能，可以戴著手環在10米以內的淺海或者河里游泳，克服了傳統計步器無法跟蹤游泳運動的缺陷，使用也更加廣泛。小米手環還具備社交網絡分享功能，比如用戶可以將睡眠質量、飲食情況和鍛煉情況以及心情記錄等通過綁定微信、微博進行分享。對于老年人來說，它還是一位保護神。通過內置的GPS連接器，它可以隨時將身體狀況及位置隨時知會相關醫院或家人。小米手環內置低功耗藍牙4.0模塊，可以與手機、平板、PC客戶端進行連接，可以隨時隨地設置身高、體重、步幅等信息和上傳運動數據。每當疲勞提醒時間一到，智能手環會以鬧鐘的形式提醒注意休息，適合現高壓力的辦公室人群，設計很人性化。在使用時間上，由于智能手環內部內置了一顆鋰聚合物電池，續航時間可達10天，續航能力還是很強的。2小米手環基本結構小米手環有表帶扣，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。結構如圖1圖一由于小米手環支持IP67級防水防塵功能，故整體采用一體式設計，表面鋁合金屬貼片通過粘合在手環主體上。小米手環表帶采用硅基熱塑硫化膠（TPSiv），三星Gear手環也采用了此材質作為手表表帶。TPSiv擁有可作為嬰兒、皮膚接觸產品的安全性，過敏率低等。2小米手環核心結構小米手環的核心結構就是一整塊黑色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，用于檢測智能手環佩戴者的信息并將其傳送到所述中央處理單元。重力感應加速度模塊用于對智能手環佩戴者行進的步數進行計數，并將其傳送到所述中央處理單元。如圖三小米手環主板中集成的ADI傳感器芯片，可以幫助小米手環實現各種感應功能。圖三小米手環能夠精準計步由硬件和軟件算法兩方面組成。硬件是指小米手環里內置的那枚強悍的三軸加速度傳感器ADXL362，在大多數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，手環就可以捕捉到手環在使用中的加速度變化，從而生成數據。軟件算法：華米程序根據三軸加速度實時捕捉到的三個維度的各項數據，經過濾波、峰谷檢測等過程，使用各種算法和科學縝密的邏輯運算，最終將這些數據轉變成手機APP端的可讀數字，步數、距離、消耗的卡路里數值等呈現在最終用戶面前。3.2音頻模塊所述音頻模塊包括麥克風以及分別與麥克風連接的DSP（數字信號處理）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據以及所述麥克風的音頻數據。3.3電源模塊所述電源模塊包括第一數據總線和電池，電池為41mAh鋰聚合物電池，用于通過所述第一數據總線提供電源。由于小米手環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提供超長續航時間。 電源模塊設有USB 接口，USB接口用于連接電源對電源模塊充電和/或用于獲取手環的數據接口；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，和控制手環數據的輸入輸出。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，以及協調所述音頻模塊和所述無線通信模塊進行工作。Dialog DA14580超低功耗處理器，集成藍牙4.0連接功能，由于手環無需強大的計算能力，省電則成為選擇芯片的唯一要務；圖五為小米手環Dialog DA14580超低功耗處理器，圖六為Dialog DA14580超低功耗處理器內部構造。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和智能手機之間無線通信連接，將所述智能手環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送到所述智能手環，實現所述智能手環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）振動馬達與所述中央處理單元電連接，用于提醒用戶。因此智能手環佩戴者可以通過振動馬達來及時提醒什么時候該開始運動，以及運動完成等狀況，使智能手環佩戴者可以及時的了解自己的運動狀況。小米手環提供有來電提醒功能，在手環設置菜單中，選擇來電提醒后可設置來電提醒的時間。超過設置的時間，電話還沒有被接聽的話，手環會以震動的方式提醒用戶。同時小米手環還具要智能鬧鐘功能，設置完成以后，手環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。如圖七為小米手環振動器。圖七手環振動馬達的動作原理。馬達外部為工程塑料制成的外殼，內部除了外盒外，還有一個微小的直流電動機，驅動偏心輪轉動。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。當手機設為“振動” 狀態時，控制電路接通。馬達軸上面有一個偏心輪，當馬達轉動的時候，偏心輪的圓心質點不在電機的轉心上，使得馬達處于不斷的失去平衡狀態，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佩戴者提醒所述智能手環的狀態；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振動。圖九4.小米手環的應用技術在市場中，智能手環有著體積小，功能多的特點。為保證諸多功能的正常運轉和發揮，需要設計者們提供強大的技術支持。例如：手環的表帶和金屬貼片由虛擬樣機技術進行分析、預算、檢驗才能批量生產；手環與智能手機的數據傳輸用到數據交換技術；在計步、測量距離等功能用到虛擬現實技術和計算機圖形處理技術。隨著計算機輔助工程在智能系統和機械工業的應用和發展，使得各種智能設備朝著有利于人類的社會方向發展。下面重點介紹一下小米手環在計算機輔助工程的技術應用。4.1虛擬樣機技術虛擬樣機技術是指在產品設計開發過程中，將分散的零部件設計和分析技術綜合在一起，在計算機上建造出產品的整體模型，并針對該產品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預測產品的整體性能，進而改進產品設計、提高產品性能的一種新技術。對于小米手環的生產制造不可能憑空想象的在車間直接生產，而是把小米手環分割成不同模塊，每個模塊有著各自的功能與空間，在組裝生產前，必須經過電腦軟件分析，這樣才能知道手環的性能合不合格，才能進行成產。虛擬樣機技術是從分析解決產品整體性能及其相關問題的角度出發，解決傳統的設計與制造過程中存在弊端的新技術。虛擬樣機技術可使產品設計人員在各種虛擬環境中真實地模擬產品整體的運動及受力情況，快速分析多種設計方案，獲得系統的優化設計方案。根據人的習慣，設計著考慮到手環的自身的重力，對手環做受力分析，再進一步校核手環的壽命，這樣才能保證在制造后，產品的性能合格與穩定。4.1.1 虛擬樣機技術的形成和發展虛擬樣機技術源于對多體系統動力學的研究。虛擬樣機技術是解決復雜系統運動學、動力學的有效手段。虛擬樣機技術核心部分是多體系統運動學與動力學建模理論及其技術，數值算法，計算機可視化技術及動畫技術。4.1.2虛擬樣機技術的相關技術（1）幾何形體的計算機輔助設計(CAD)軟件和技術；（2）有限元分析(FEA)軟件和技術；（3）模擬各種作用力的軟件編程技術；（4）利用試驗裝置的試驗結果進行某些構件的建模；（5）控制系統設計與分析軟件和技術；（6）優化分析軟件和技術。4.2計算機輔助設計4.2.1計算機輔助設計簡介計算機輔助設計（CAD）在如今的工業制造領域，設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的三維立體圖后，直接修改設計圖稿，極大地提高了繪圖的質量和效率。此外，設計人員還可以通過工程分析和模擬測試等方法，利用計算機進行邏輯模擬，從而代替產品的測試模型（樣機），降低產品試制成本，縮短產品設計周期。4.2.2計算機輔助設計在手環中的應用設計人員在計算機的幫助下繪制智能手環的三維圖形以及零件圖，并將其了合理的裝配，經過分析的軟件的檢查合格后進行批量生產。運用計算機輔助設計在實際中的作用：1）增加設計功能，借助計算機分析計算，確保產品設計的合理性，減少設計成本；2）縮短設計和分析的循環周期；3）采用優化設計，找出產品設計最佳方案，降低材料的消耗或成本；4）在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題；5）模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經費；4.2.3計算機輔助設計在其他設備中的應用計算機輔助設計可廣泛地應用于國民經濟的許多領域，像各種工業建設項目，例如工廠的建設，公路、鐵路、橋梁和隧道的建設；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。它還可應用于企業生產過程之中，及其它的企業經營、管理控制過程中，例如工廠的生產過程、公司的商業活動等。4.3 CAE在模具設計制造中的應用模具作為工業生產中的基礎工藝裝備, 是一種高附加值的高技術密集型產品, 也是高新技術產業化的重要領域, 尤其在汽車、電子、儀表、家電和通訊行業中應用廣泛。研究和發展模具技術, 對于促進國民經濟的發展具有特別重要的意義, 模具技術的水平及科技含量高低, 直接影響到模具工業產品的發展,在很大程度上決定了產品的質量, 新產品的開發能力、企業的經濟效益, 是衡量一個國家制造業水平的重要標志。下圖為傳統塑料注射模模具設計過程圖十通過比較可知，傳統塑料注射模模具設計過程費時費力；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計開發新產品時間，降低開發成本。4.3.1注塑模具的的建模分析利用MoldFlow 等模具CAE 軟件, 可以進行塑料產品的成型過程分析, 來檢查模具結構的合理性、流動狀態的合理性、產品質量問題等。借助MoldFlow 軟件數據庫, 可動態仿真分析塑料在注塑模腔內的注射過程流動情況、分析溫度壓力變化和注塑件殘余應力等。通過模具CAE 可以將模具設計錯誤消除在設計階段, 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。三維參數化模型建立后，就需要應用CAE 技術建立有限元分析模型。圖十二4.3.2 CAE的優化設計優化設計是在一定的技術和物質條件下，尋求一個技術經濟指標最佳的設計方案。如小米手環設計中，滿足性能的前提下要求重量最輕（13.5克）；傳感器、電池、電動馬達等機械零部件設計，實現功能的基礎上結構最佳；機械加工工藝過程設計，限定設備條件下生產率最高等。優化設計的一般步驟：圖十三5.手環當前市場目前國內最典型的手環方案是MCU+G-Sensor+BT，部分配備顯示屏，實現計步、久坐提醒以及睡眠監測等功能。也有部分采用處理器平臺，屬于非主流產品。同時精確定位、心率等方案都還面臨不少技術挑戰，出貨量很少。手環方案的瓶頸在于續航時間和精準的算法，目前上市手環內置算法基本由芯片公司提供，精確度大同小異，專業算法會是未來手環產品的主要挑戰。6.小米手環發展前景小米手環是小米科技公司在2014年推出的新產品，其簡約的外觀設計和實用的性能，以及低廉的價格，備受米粉的追捧。無論是其查看運動量，監測睡眠質量，還是智能鬧鐘喚醒都帶給消費者驚喜，但參照國內外的制造商所設計的智能手環。小米手環還有很大的提高，比如無法單獨使用，僅支持小米手機等等。具體改進如下：（1）、未配備液晶顯示屏、無法單獨使用小米手環未配備液晶顯示屏，無法單獨使用，需要借助手機和APP應用，一旦離開手機和相應APP，小米手環無法實現任何功能。（2）、僅支持小米手機小米手環僅支持小米手機結合使用，并且需要搭載基于安卓4以上的MIUI V5系統，并且小米手機還需要支持藍牙4.0功能，必須滿足這兩項功能，才能使用小米手環，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