李月婷，姜成旭

　?。ㄙF州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

       摘要：智能產(chǎn)品中計(jì)步功能已成為標(biāo)配功能。根據(jù)運(yùn)動(dòng)三軸傳感器LIS3DH設(shè)計(jì)了可放置于任何產(chǎn)品的智能計(jì)步器，主要對硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。其加速度采集模塊以三軸傳感器LIS3DH作為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測模塊，其數(shù)據(jù)處理模塊對LIS3DH三軸加速度傳感器信息進(jìn)行處理，通過數(shù)字濾波去除其他干擾信號的影響，利用加速度變化的正弦函數(shù)的特殊值采集實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能，最后通過算法計(jì)算出人體運(yùn)動(dòng)步數(shù)；當(dāng)連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間不足計(jì)步算法規(guī)定時(shí)，將進(jìn)入睡眠模式計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)具有功耗低、準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，能夠提供高精度的計(jì)步功能。

　　關(guān)鍵詞：計(jì)步器; 加速度傳感器; 顯示終端；高精度

0引言

　　智能穿戴產(chǎn)品走進(jìn)人們的生活，計(jì)步成為智能穿戴產(chǎn)品中的必備功能，本文設(shè)計(jì)的計(jì)步器不僅適用于手環(huán)，同時(shí)適用于其他智能穿戴產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)主要采用LIS3DH三軸運(yùn)動(dòng)傳感器，其具有體積小、功耗低和精度高的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過算法和軟件設(shè)計(jì)的處理，可以濾除三軸傳感器數(shù)據(jù)雜波，得到的數(shù)據(jù)將更加精準(zhǔn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)步算法處理后再經(jīng)過藍(lán)牙模塊傳送給遠(yuǎn)程APP，方便使用者查看動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和卡路里的消耗。本文主要研究內(nèi)容：首先進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中包括微處理模塊、加速度采集模塊、mbed技術(shù)、藍(lán)牙模塊和電源模塊；然后進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)與軟件設(shè)計(jì)，完成計(jì)步算法設(shè)計(jì)和手機(jī)APP設(shè)計(jì)；其次根據(jù)數(shù)字濾波，將三軸傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，去除干擾雜質(zhì)［1］；最后通過計(jì)步算法計(jì)算出運(yùn)動(dòng)行走步數(shù)，通過藍(lán)牙模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　硬件模塊主要包括微處理器模塊nRF51、運(yùn)動(dòng)信息采集模塊LIS3DH三軸傳感器、藍(lán)牙模塊CC2540、電源模塊和mbed開發(fā)環(huán)境。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　1.1微處理器模塊

　　計(jì)步器采用的微處理器模塊nRF51單片機(jī)具有多引腳和小封裝的特點(diǎn)，適用于超低功耗無線應(yīng)用。nRF51單片機(jī)存在于各種數(shù)字電子產(chǎn)品中，在沒有CPU參與的情況下，可與周邊產(chǎn)品通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)。nRF51支持 Dynastream Innovations 的嵌入式 S210 ANT 協(xié)議堆棧及 2.4 GHz協(xié)議堆棧。nRF51需要單獨(dú)供電，若供電范圍在1.8 V~2.1 V時(shí)，采用芯片上的線性整流器；若供電范圍在2.1 V~3.6 V時(shí)，采用直流1.8 V模式芯片上的DCDC變壓器。

　　1.2加速度信息采集模塊

　　本文采用ST公司的三軸加速度傳感器LIS3DH，可精確地測量出人行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。傳感器作為檢測裝置，其三軸傳感器主要是讀取人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息，并將讀到的信息以一定的規(guī)律變換成本設(shè)計(jì)需要的電信號并進(jìn)行輸出，同時(shí)可以滿足此過程中的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示的要求［2］。三軸運(yùn)動(dòng)傳感器LIS3DH具有3個(gè)軸加速度數(shù)字的輸出，可三維感知人體行走過程中的信息，安放三軸傳感器的位置應(yīng)由三軸傳感器數(shù)據(jù)輸出的特性和人體的運(yùn)動(dòng)特性共同決定。通常手腕上的智能穿戴產(chǎn)品會根據(jù)人行走的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來實(shí)時(shí)讀取人的運(yùn)動(dòng)信息，x、y軸的數(shù)據(jù)變化無規(guī)律性，z軸會呈現(xiàn)出周期性的變化，這樣可通過算法計(jì)算出人行走的步數(shù)。

　　1.3mbed技術(shù)

　　本文設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了mbed的開發(fā)環(huán)境，其是面向ARM處理器的平臺，主要包括軟件庫、硬件庫和處理工具3部分內(nèi)容。其中軟件庫在mbed環(huán)境下，屏蔽了不同微處理器之間的差異，同時(shí)也可以使用不同ARM微處理器，相當(dāng)于硬件抽象層；硬件庫可為整體設(shè)計(jì)提供參考設(shè)計(jì)和程序下載接口，還包括單步調(diào)試接口和串口調(diào)試接口，方便設(shè)計(jì)中的測試過程，應(yīng)用于軟件開發(fā)中；處理工具主要是指程序編譯、代碼編寫和版本調(diào)試等方面的工具。

　　1.4藍(lán)牙模塊

　　本設(shè)計(jì)中主要采用了CC2540藍(lán)牙模塊，其具有睡眠模式和超低功耗模式的轉(zhuǎn)變，符合低功耗的需要。此藍(lán)牙模塊應(yīng)用廣泛，與智能穿戴產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是解決低成本效益下單模式的低功耗藍(lán)牙解決方案，它將微控制器、主機(jī)端及應(yīng)用程序整合在一個(gè)元件上［3］。CC2540藍(lán)牙模塊結(jié)合主控制芯片，連接傳感器得到的數(shù)據(jù)，建立一個(gè)快閃記憶結(jié)構(gòu)體，快速、低功耗地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，來得到穩(wěn)定信號。

　　1.5電源模塊

　　LM2596電源模塊是集成電路，頻率為150 kHz，內(nèi)部具有多線性和負(fù)載調(diào)節(jié)功能，可穩(wěn)定輸出驅(qū)動(dòng)電流和小于37 V的各種電壓，設(shè)置穩(wěn)定電壓輸出時(shí)，誤差范圍僅在±4%范圍內(nèi)，當(dāng)有穩(wěn)定電流待機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)外部斷電，同時(shí)在異常情況下斷電時(shí)，該模塊具有自我保護(hù)功能。

2算法實(shí)現(xiàn)與軟件設(shè)計(jì)

　　在單片機(jī)端進(jìn)行計(jì)步算法處理，軟件設(shè)計(jì)分為單片機(jī)端的計(jì)步算法程序設(shè)計(jì)和手機(jī)端的APP程序設(shè)計(jì)。

　　2.1計(jì)步算法設(shè)計(jì)

　　該計(jì)步算法流程如圖2所示。人在行走過程中，可把該計(jì)步器放置在手腕上，在三軸傳感器讀取人體運(yùn)動(dòng)信息時(shí)，x、y軸信息變化沒有規(guī)律，z軸如同單擺一樣擺動(dòng)，如圖3所示，會呈現(xiàn)出周期性的變化。采集人體運(yùn)動(dòng)信息時(shí)會受到人體抖動(dòng)的干擾，首先利用數(shù)字濾波，有效消除使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判的干擾信號［4］。

　　數(shù)字濾波的具體算法如下：

　　#define N 12

　　char filter()

　　{

　　char count i ,j;

　　char value_buf［N］;

　　int sum=0;

　　for(count=0;count<N;count++)

　　{

　　value_buf［count］=get_ad();

　　delay();

　　}

　　for(j=0;j<N-1;j++)

　　{

　　for(i=0;i<N-1;i++)

　　{

　　if(value_buf>value_buf［i+1］)

　　{

　　temp=value_buf;

　　value_buf=value_buf［i+1］;

　　value_buf［i+1］=temp;

　　}

　　}

　　}

　　for(count=1;count<N-1;count++)

　　sum+=value［count］;

　　return(char)(sum/(N-2));

　　}

　　通過多人實(shí)驗(yàn)得出，人體行走過程中，1 s中人的步伐最快不能超過5步，最慢不能少于半步，根據(jù)人的行走步數(shù)，可以將行走頻率設(shè)定為0.5 Hz~5 Hz,也就是人體行走過程中，步與步之間的時(shí)間間隔在0.2 s~2 s，不在此時(shí)間間隔內(nèi)，設(shè)定為無效。通過三軸傳感器LIS3DH讀取出坐標(biāo)位置，將其轉(zhuǎn)換成x、y和z三軸上的加速度值［5］，將讀取的3個(gè)軸的值代入式（1），可得到各個(gè)軸的電壓值：

　　可以根據(jù)產(chǎn)品使用情況，設(shè)定零加速度的電壓值，此電壓值相當(dāng)于加速度為0 g。通過加速度傳感器得出此時(shí)的電壓值，計(jì)算相對于0 g時(shí)電壓值的偏移量。本設(shè)計(jì)設(shè)定0 g電壓值VzeroG=1.65 V，實(shí)時(shí)計(jì)算出相對于0 g電壓值的偏移量公式（2）：

　　通過計(jì)算得出了加速度計(jì)的電壓值，需要把此時(shí)電壓值轉(zhuǎn)換成加速度值，轉(zhuǎn)換過程中需要引入加速度計(jì)的靈敏度，通常單位取為mV/g。取加速度計(jì)的靈敏度為Sensitivity=478.5 mV/g=0.478 5 V/g。通過計(jì)算求出單位為g的加速度，如式（3）：

　　綜合整理三軸加速度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為加速度值如下所示：

　　令三軸角度分別為Axr、Ayr、Azr。觀察由R和Rx、Ry、Rz組成的直角三角形：

　　其中如圖4所示。求出正向弦之后，看是否出現(xiàn)sin(Azr)=1,當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)次數(shù)大于3次時(shí)，進(jìn)入計(jì)步狀態(tài)，否則返回繼續(xù)讀取三軸坐標(biāo)值。

       2.2手機(jī)端APP的設(shè)計(jì)

　　手機(jī)APP在藍(lán)牙模塊下與硬件系統(tǒng)連接，主要功能是儲存人體運(yùn)動(dòng)信息。手機(jī)APP用于人機(jī)交互，通過藍(lán)牙通信與后臺服務(wù)器之間進(jìn)行儲存數(shù)據(jù)的信息交互［6］。圖5為APP功能框架。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先設(shè)定個(gè)人信息，包括年齡、身高、性別和體重等，手機(jī)APP界面是控制硬件系統(tǒng)的主界面，通過藍(lán)牙模塊連接，可控制硬件系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)步狀態(tài)，及時(shí)更新和顯示硬件系統(tǒng)記錄的運(yùn)動(dòng)信息，顯示消耗的卡路里，并可分享到其他軟件以及將這些信息存儲在數(shù)據(jù)庫中；鬧鈴設(shè)置主要是對手機(jī)APP進(jìn)行鬧鈴設(shè)置，包括久坐提醒、起床鬧鈴和喝水提醒，可隨時(shí)讓使用者管理自己的身體健康；為了讓使用者方便觀察，可通過APP查看當(dāng)天的行走步數(shù)；數(shù)據(jù)庫主要存儲人的基本信息和運(yùn)動(dòng)信息，使用者可以根據(jù)天數(shù)或次數(shù)進(jìn)行查詢，同時(shí)可以切換到詳細(xì)信息的模式中［7］。

3實(shí)驗(yàn)測試

　　為了驗(yàn)證計(jì)步的精準(zhǔn)度，由8人組成的測試小組分別行走100步。行走過程中，每個(gè)人的走路習(xí)慣不同，不定性因素手臂前后擺動(dòng)的幅值不同，實(shí)驗(yàn)通過人實(shí)際行走的步數(shù)與軟件顯示步數(shù)進(jìn)行比較，從而計(jì)算出準(zhǔn)確率。硬件系統(tǒng)的操作結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，該計(jì)步器的計(jì)步準(zhǔn)確率極高。

4結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于智能穿戴產(chǎn)品中，可與其他智能模塊進(jìn)行融合，方便放置于智能穿戴產(chǎn)品中，在對空間和功耗有嚴(yán)格要求的情況下，都可以實(shí)現(xiàn)正常工作。使用的計(jì)步算法真實(shí)有效，在不同的頻率下，行走的步數(shù)可以達(dá)到很高的精準(zhǔn)度，同時(shí)可以讓使用者方便地在手機(jī)APP上觀看到行走的步數(shù)和消耗的卡路里信息，因此可以方便用戶管理自己的身體健康。

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