OpenEarable 2.0 项目总结

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。