OpenEarable 2.0 项目总结

2025-07-07

项目概述

OpenEarable 2.0 是世界上第一个完全开源的人工智能耳戴式传感应用平台，具备真正的无线音频功能。该项目基于 nRF5340 系统级芯片构建，集成了史无前例的高精度传感器阵列，为可穿戴技术重新定义了可能性。OpenEarable 专为开发和研究应用而设计，具有模块化、可重构的特点，面向未来。

开发架构说明

!!! note "重要理解"
OpenEarable 项目采用了基于 Nordic nRF5340 Audio DK 的开发模式：

- **基础平台**: 复用了 nRF5340 Audio DK 的音频处理固件和协议栈
- **硬件定制**: 在自定义的 OpenEarable v2 PCB 上实现
- **功能扩展**: 在成熟音频功能基础上，添加了丰富的传感器集成和AI处理能力

这种开发模式的优势是能够快速获得稳定的音频处理能力，同时专注于传感器数据处理和应用层创新。

硬件架构

核心硬件

  • 主控芯片: nRF5340 双核处理器
    • 应用核心：运行 Bluetooth LE 主机和应用层
    • 网络核心：运行 SoftDevice 控制器
  • 参考开发板: nRF5340 Audio DK (PCA10121) - 用于固件开发和验证
  • 目标硬件: OpenEarable v2 自定义PCB - 最终产品硬件
  • 音频编解码器: ADAU1860 硬件编解码器
  • 传感器: 集成多种高精度传感器（这是相对于标准Audio DK的主要扩展）

硬件开发策略

项目采用"参考设计 → 自定义硬件"的开发模式：

  1. 第一阶段: 在 nRF5340 Audio DK 上开发和验证音频功能
  2. 第二阶段: 设计 OpenEarable v2 自定义PCB，增加传感器阵列
  3. 第三阶段: 将在DK上验证的固件适配到自定义硬件

!!! info "关键区别"
- nRF5340 Audio DK: 标准音频开发板，主要用于音频应用开发
- OpenEarable v2: 自定义硬件，在音频功能基础上集成了丰富的传感器

支持的音频模式

  1. Connected Isochronous Stream (CIS) - 单播模式

    • 双向通信协议
    • 支持立体声同步播放
    • 网关到耳机的连接音频流

  2. Broadcast Isochronous Stream (BIS) - 广播模式

    • 单向通信协议
    • 支持 Auracast™ 广播
    • 无限制接收器数量

软件架构

固件架构

基于 Zephyr RTOS 的模块化架构：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    应用层 (Application Layer)                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  单播服务器    │  广播接收器    │  传感器管理    │  AI推理     │
│  (Unicast)    │  (Broadcast)   │  (Sensors)    │  (EdgeML)   │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    中间件层 (Middleware)                     │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  音频处理      │  蓝牙协议栈    │  传感器融合    │  数据存储    │
│  (Audio)      │  (Bluetooth)   │  (Fusion)     │  (Storage)  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                   驱动层 (Driver Layer)                     │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  ADAU1860     │  IMU传感器     │  I2C/SPI      │  GPIO控制   │
│  (Codec)      │  (Sensors)     │  (Comm)       │  (Control)  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                  硬件抽象层 (HAL)                           │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    Zephyr RTOS                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

关键软件组件

音频处理系统

  • LE Audio 协议栈: 完整的 Bluetooth LE Audio 实现
  • 流控制: 音频流的启动、停止、同步控制
  • 编解码处理: 硬件加速的音频编解码
  • 质量控制: 自适应音频质量和错误恢复

传感器管理系统

  • 多传感器融合: IMU、环境传感器、生物传感器
  • 实时处理: 高频数据采集和处理
  • AI推理: 边缘机器学习模型推理
  • 数据存储: 高效的数据记录和管理

通信系统

  • GATT服务: 标准化的设备信息和传感器数据服务
  • 数据同步: 实时数据传输和同步
  • 连接管理: 多设备连接和状态管理

主要功能特性

🎵 音频功能

  • LE Audio 支持: 完整的 Bluetooth LE Audio 协议栈
  • 立体声播放: 左右声道同步播放
  • 双向通信: 支持语音通话和音频传输
  • 低延迟: 优化的音频延迟控制
  • 高音质: 硬件加速的音频处理

📡 传感器功能

  • 多传感器融合: 集成多种高精度传感器
  • 实时数据处理: 高频传感器数据采集
  • AI边缘推理: 本地机器学习模型推理
  • 数据存储: 支持 SD 卡数据记录
  • 低功耗设计: 优化的传感器功耗管理

🔗 连接功能

  • 蓝牙 5.3: 最新的蓝牙标准支持
  • 多设备连接: 支持同时连接多个设备
  • 自动重连: 智能的连接恢复机制
  • 数据同步: 实时传感器数据传输

⚡ 电源管理

  • 电池监控: 实时电池状态监测
  • 充电管理: 智能充电控制
  • 功耗优化: 多级功耗管理策略
  • 低电量保护: 自动低功耗模式

开发环境

必需工具

  • nRF Connect SDK: Nordic 官方开发套件
  • Zephyr RTOS: 实时操作系统
  • West工具: 项目管理和构建工具
  • Python 3.7+: 构建脚本和工具链
  • CMake: 构建系统
  • Git: 版本控制

支持的开发环境

  • VS Code: 推荐的集成开发环境
  • JLink调试器: 硬件调试支持
  • 串口终端: 日志输出和调试
  • nRF Connect: 蓝牙测试和调试工具

构建配置

项目支持多种构建配置：

# 单播服务器模式（默认）
west build -b nrf5340_audio_dk_nrf5340_cpuapp

# 广播接收器模式
west build -b nrf5340_audio_dk_nrf5340_cpuapp -- -DCONFIG_AUDIO_SINK=y

# 调试版本
west build -b nrf5340_audio_dk_nrf5340_cpuapp -- -DCONFIG_DEBUG=y

# 发布版本
west build -b nrf5340_audio_dk_nrf5340_cpuapp -- -DCONFIG_RELEASE=y

应用配置

音频配置

项目支持多种音频配置模式：

// 在 prj.conf 中配置
CONFIG_AUDIO_SAMPLE_RATE_48000_HZ=y
CONFIG_AUDIO_BIT_DEPTH_16=y
CONFIG_AUDIO_CHANNELS_STEREO=y

传感器配置

// 传感器采样配置
CONFIG_SENSOR_IMU_SAMPLE_RATE=100
CONFIG_SENSOR_PPG_SAMPLE_RATE=25
CONFIG_SENSOR_TEMPERATURE_SAMPLE_RATE=1

蓝牙配置

// 蓝牙 LE Audio 配置
CONFIG_BT_AUDIO=y
CONFIG_BT_BAP_UNICAST_SERVER=y
CONFIG_BT_BAP_BROADCAST_SINK=y

用户界面

LED状态指示

设备通过 RGB LED 提供丰富的状态反馈：

状态 LED 颜色 说明
启动中 白色闪烁 系统正在启动
等待配对 蓝色闪烁 等待蓝牙配对
已连接 青色常亮 蓝牙已连接
音频播放 绿色呼吸 正在播放音频
充电中 红色常亮 电池正在充电
充电完成 绿色常亮 电池充电完成
低电量 红色闪烁 电池电量不足
错误状态 红色快闪 系统错误

按键控制

  • 单击: 播放/暂停音频
  • 双击: 接听/挂断电话
  • 长按: 进入配对模式
  • 超长按: 设备重启

移动应用支持

OpenEarable 配套移动应用功能：

  • 音频控制: 音量、均衡器、音效设置
  • 传感器监控: 实时传感器数据显示
  • 健康分析: 基于传感器数据的健康指标
  • 设备管理: 固件更新、设置同步
  • 数据导出: 传感器数据导出和分析

构建和烧录

环境准备

# 1. 安装 nRF Connect SDK
# 2. 设置环境变量
export ZEPHYR_BASE=path/to/zephyr
export ZEPHYR_SDK_INSTALL_DIR=path/to/zephyr-sdk

# 3. 安装 Python 依赖
pip install -r requirements.txt

构建流程

# 1. 初始化项目
west init -m https://github.com/OpenEarable/open-earable-2.git
west update

# 2. 构建固件
cd open-earable-2
west build -b nrf5340_audio_dk_nrf5340_cpuapp

# 3. 烧录固件
west flash

# 4. 查看日志
west attach

调试支持

# GDB 调试
west debug

# RTT 日志输出
west attach

# 性能分析
west build -- -DCONFIG_PROFILING=y

项目文档结构

本项目的完整技术文档包括：

📖 核心文档

🔧 模块文档

🛠️ 开发文档

  • API 参考: 详细的 API 文档
  • 示例代码: 常用功能的示例实现
  • 故障排除: 常见问题和解决方案
  • 贡献指南: 开源贡献流程

开源社区

项目链接

许可证

项目采用 MIT 许可证，允许自由使用、修改和分发。

贡献方式

欢迎社区贡献：

  • Bug 报告: 在 GitHub Issues 中报告问题
  • 功能请求: 提出新功能建议
  • 代码贡献: 提交 Pull Request
  • 文档改进: 完善项目文档
  • 测试反馈: 提供测试结果和反馈

OpenEarable 2.0 代表了可穿戴技术的未来，结合了先进的音频处理、丰富的传感器集成和强大的AI能力。通过开源的方式，我们致力于推动整个行业的创新和发展。