耳戴式设备（Earables）正从单纯的音频工具向集成了多模态生理感知的智能平台演进。在这一转变中，固件作为设备的底层软件，直接决定了其传感器调度、功耗管理与数据传输的效率。对于个人开发者或小型团队而言，依托成熟的开源项目是切入AI硬件浪潮、验证产品思路的高效路径。
目前，已有多个开源AI耳机项目可供参考，它们为低成本试错提供了完整的硬件与软件蓝图。
| 项目 |
核心特点 |
硬件方案 |
软件/AI能力 |
适用场景 |
| OpenEarable 2.0 |
全开源AI传感耳机，集成高精度传感器 |
双超声麦克风，九轴IMU，血氧/温度传感器，骨传导 |
生物传感，头部姿态追踪，环境音频分析 |
科研实验、健康监测、情境感知 |
| Buddie |
复旦-密歇根合作，注重情境感知，成本约40美元 |
低功耗蓝牙，微型麦克风/扬声器 |
上下文语音交互，隐私保护，AI代理集成 |
日常AI助手、教育与办公 |
| EchoEar |
基于ESP32S3，便于快速原型搭建 |
ESP32S3开发板，麦克风，扬声器 |
语音交互，支持MCP协议对接AI后端 |
个人DIY智能耳机、语音交互原型 |
其中，OpenEarable 2.0选择ZephyrOS作为其固件底层，看中了其开源、实时、低功耗的特性，完美匹配耳戴设备对长续航、多传感器协同和稳定无线连接的核心需求。本文将以此平台为例，带你从零开始进行耳戴式设备的固件开发，涵盖环境搭建、核心模块开发与调试的全过程。
一、开发环境准备
开始前，需要准备必要的硬件与软件工具。
1.1 核心工具清单
- 硬件：OpenEarable 2.0开发套件、J-Link调试器、USB-C数据线。
- 软件：
- 代码编辑器：Visual Studio Code（建议安装Zephyr插件）。
- 工具链：Zephyr SDK（包含针对nRF5340芯片的交叉编译器等）。
- 版本控制：Git。
- 调试工具：nRF Connect for Desktop（用于蓝牙调试与日志查看）。
1.2 环境搭建步骤
步骤1：安装Zephyr SDK
请参照Zephyr官方文档，下载并安装对应操作系统的Zephyr SDK。安装后，在终端中配置环境变量：
export ZEPHYR_BASE=<你的Zephyr源码路径>
export PATH=$ZEPHYR_BASE/.venv/bin:$PATH
步骤2：获取固件源码
OpenEarable 2.0的固件代码完全开源，使用Git克隆仓库并初始化子模块：
git clone https://github.com/OpenEarable/open-earable.git
cd OpenEarable-2.0-Firmware
# 初始化Zephyr子模块
west init -l app/
west update
步骤3：配置与编译
项目基于nRF5340芯片，需指定对应的开发板进行编译：
# 进入应用目录
cd app/
# 生成编译配置并编译
west build -b raytac_mdbt531m_xxaa .
编译成功后，固件文件zephyr.hex将生成在build/zephyr/目录下。
二、ZephyrOS固件核心模块开发
OpenEarable 2.0固件采用分层架构。我们以最常见的传感器数据采集并通过蓝牙低功耗（BLE） 传输为例，详解开发流程。
2.1 传感器驱动开发（以PPG血氧传感器为例）
PPG传感器（如ADI MAXM86161）用于监测心率和血氧饱和度。在ZephyrOS中，需通过设备树（Device Tree）描述硬件，并实现驱动API。
步骤1：配置设备树
在板级设备树文件（如boards/raytac_mdbt531m_xxaa.dts）中添加传感器节点，描述其连接的I2C总线、引脚和电源。
&i2c1 {
status = "okay";
clock-frequency = <I2C_BITRATE_FAST>;
maxm86161: maxm86161@5a {
compatible = "adi,maxm86161"; // 驱动匹配字符串
reg = <0x5a>; // I2C地址
int-gpios = <&gpio0 28 GPIO_ACTIVE_LOW>; // 中断引脚
};
};
步骤2：实现传感器驱动API
驱动需实现sample_fetch（采样）和channel_get（读取）两个核心函数。以下为简化示例：
#include <zephyr/drivers/sensor.h>
#include <zephyr/drivers/i2c.h>
struct maxm86161_data {
const struct device *i2c_dev;
struct sensor_value heart_rate;
struct sensor_value spo2;
};
static int maxm86161_sample_fetch(const struct device *dev, enum sensor_channel chan) {
struct maxm86161_data *data = dev->data;
uint8_t reg_buf[2];
int ret;
// 读取心率寄存器
ret = i2c_reg_read_bytes(data->i2c_dev, MAXM86161_ADDR, 0x06, reg_buf, 2);
if (ret != 0) return ret;
data->heart_rate.val1 = (reg_buf[0] << 8) | reg_buf[1];
// 读取血氧寄存器
ret = i2c_reg_read_bytes(data->i2c_dev, MAXM86161_ADDR, 0x08, reg_buf, 2);
if (ret != 0) return ret;
data->spo2.val1 = (reg_buf[0] << 8) | reg_buf[1];
return 0;
}
static int maxm86161_channel_get(const struct device *dev,
enum sensor_channel chan,
struct sensor_value *val) {
struct maxm86161_data *data = dev->data;
switch (chan) {
case SENSOR_CHAN_HEART_RATE:
*val = data->heart_rate;
break;
case SENSOR_CHAN_SPO2:
*val = data->spo2;
break;
default:
return -ENOTSUP;
}
return 0;
}
// ... 驱动初始化及注册代码
步骤3：实现低功耗传感器调度
为节省功耗，可以使用Zephyr的工作队列和定时器实现间歇性采样。
#include <zephyr/kernel.h>
#define PPG_SAMPLE_INTERVAL_MS 1000 // 1秒采样一次
K_WORK_DELAYABLE_DEFINE(ppg_sample_work, ppg_sample_task);
static void ppg_sample_task(struct k_work *work) {
const struct device *ppg_dev = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(maxm86161));
struct sensor_value hr, spo2;
if (!device_is_ready(ppg_dev)) return;
sensor_sample_fetch(ppg_dev);
sensor_channel_get(ppg_dev, SENSOR_CHAN_HEART_RATE, &hr);
sensor_channel_get(ppg_dev, SENSOR_CHAN_SPO2, &spo2);
printk("HR: %d bpm, SpO2: %d%%\n", hr.val1, spo2.val1);
// 更新数据并通过蓝牙发送通知
update_ppg_ble_notify(hr.val1, spo2.val1);
// 调度下一次任务
k_work_reschedule(&ppg_sample_work, K_MSEC(PPG_SAMPLE_INTERVAL_MS));
}
2.2 BLE数据传输开发
耳戴设备通常通过BLE与手机等终端通信。ZephyrOS提供了完整的bluetooth子系统支持。
步骤1：定义GATT服务与特征值
首先在prj.conf中启用BLE相关配置，然后在代码中定义自定义服务。
#include <zephyr/bluetooth/bluetooth.h>
#include <zephyr/bluetooth/gatt.h>
#define PPG_SERVICE_UUID 0x1234
#define HR_CHAR_UUID 0x1235
#define SPO2_CHAR_UUID 0x1236
static uint16_t hr_value = 0;
static uint8_t spo2_value = 0;
// 心率特征值读回调
static ssize_t read_hr_char(struct bt_conn *conn, const struct bt_gatt_attr *attr,
void *buf, uint16_t len, uint16_t offset) {
const uint16_t *value = attr->user_data;
return bt_gatt_attr_read(conn, attr, buf, len, offset, value, sizeof(*value));
}
// 定义GATT服务
BT_GATT_SERVICE_DEFINE(ppg_svc,
BT_GATT_PRIMARY_SERVICE(BT_UUID_DECLARE_16(PPG_SERVICE_UUID)),
BT_GATT_CHARACTERISTIC(BT_UUID_DECLARE_16(HR_CHAR_UUID),
BT_GATT_CHRC_READ | BT_GATT_CHRC_NOTIFY,
BT_GATT_PERM_READ,
read_hr_char, NULL, &hr_value),
BT_GATT_CCC(NULL, BT_GATT_PERM_READ | BT_GATT_PERM_WRITE),
// ... 类似定义血氧特征值
);
步骤2：管理BLE连接与发送通知
需要处理连接事件，并在传感器数据更新时，通过bt_gatt_notify向已连接的设备发送通知。
static struct bt_conn *current_conn = NULL;
static void on_connected(struct bt_conn *conn, uint8_t err) {
if (err) return;
current_conn = bt_conn_ref(conn); // 引用连接
}
static void update_ppg_ble_notify(uint16_t hr, uint8_t spo2) {
if (current_conn == NULL) return;
hr_value = hr;
spo2_value = spo2;
// 发送心率通知
bt_gatt_notify(current_conn, &ppg_svc.attrs[2], &hr_value, sizeof(hr_value));
// 发送血氧通知
// bt_gatt_notify(...);
}
在嵌入式系统中，通过I2C、SPI等总线协议与传感器通信是基础，理解这些网络与系统层面的交互对固件开发至关重要。
2.3 固件编译与烧录
编译
在应用目录下执行编译命令，--pristine参数确保是一次全新构建。
west build -b raytac_mdbt531m_xxaa . --pristine
烧录
使用J-Link调试器通过以下命令烧录固件。
west flash --runner jlink
三、调试与验证
3.1 传感器数据验证
- 硬件层面：使用示波器检查I2C等总线信号是否正常。
- 软件层面：通过串口日志（波特率115200）查看输出的传感器数据，并与专业设备对比验证精度。
3.2 BLE通信验证
使用nRF Connect等APP扫描并连接名为“OpenEarable2.0”的设备，查找自定义服务（UUID: 0x1234），启用特征值通知，观察数据是否实时、准确地推送。
3.3 功耗优化
耳戴设备对续航要求极高，可尝试以下优化：
- 关闭闲置外设：在
prj.conf中禁用不使用的传感器驱动。
- 降低采样率：根据应用场景调整传感器唤醒频率。
- 启用电源管理：在配置中开启
CONFIG_PM，允许CPU在空闲时进入低功耗状态。
四、进阶方向探索
掌握基础开发后，可以利用OpenEarable 2.0的硬件潜力进行更深度的创新：
- 传感器融合：结合IMU（惯性测量单元）数据，使用滤波算法消除PPG信号中的运动伪影。
- 集成LE Audio：基于Zephyr的音频子系统，实现高品质音频流与传感器数据的同步传输。
- 部署嵌入式AI：在设备端集成轻量级ML框架（如TFLite Micro），实现实时活动识别或异常检测，减少对云端的依赖。这正是当前人工智能向边缘端延伸的典型应用。
五、总结
ZephyrOS凭借其模块化、低功耗和强大的无线协议栈支持，成为开发耳戴式设备固件的理想选择。OpenEarable 2.0这一开源平台则提供了从硬件到软件的完整参考设计。本文以传感器驱动和BLE通信为例，详细介绍了基于ZephyrOS的开发流程，其核心思想——通过设备树抽象硬件、通过模块化组织软件功能——可广泛应用于其他嵌入式项目。
对于希望切入智能硬件与AI赛道的开发者而言，从OpenEarable 2.0和ZephyrOS入手，是一条低成本、高可行性的路径。从读懂一个驱动、实现一个服务开始，你便能逐步构建出功能丰富、稳定可靠的“耳端智能”设备固件，从而在广阔的物联网与嵌入式系统应用领域中占据一席之地。
发表于 5 天前
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