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:
- 第一阶段: 在 nRF5340 Audio DK 上开发和验证音频功能
- 第二阶段: 设计 OpenEarable v2 自定义PCB,增加传感器阵列
- 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
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
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
- GitHub 仓库: https://github.com/OpenEarable/open-earable-2
- 官方网站: https://open-earable.teco.edu/
- 文档网站: https://docs.open-earable.teco.edu/
- 社区论坛: https://community.open-earable.teco.edu/
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。