李月婷,，姜成旭

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

       摘要：智能產(chǎn)品中計步功能已成為標配功能,。根據(jù)運動三軸傳感器LIS3DH設計了可放置于任何產(chǎn)品的智能計步器,，主要對硬件系統(tǒng)設計、算法實現(xiàn)和軟件設計進行研究,。其加速度采集模塊以三軸傳感器LIS3DH作為運動數(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)的特殊值采集實現(xiàn)計步功能,，最后通過算法計算出人體運動步數(shù)；當連續(xù)運動時間不足計步算法規(guī)定時,，將進入睡眠模式計算,。實驗結果表明，本設計具有功耗低,、準確度高,、結構簡單的特點，能夠提供高精度的計步功能,。

　　關鍵詞：計步器; 加速度傳感器; 顯示終端,；高精度

0引言

　　智能穿戴產(chǎn)品走進人們的生活，計步成為智能穿戴產(chǎn)品中的必備功能,，本文設計的計步器不僅適用于手環(huán),，同時適用于其他智能穿戴產(chǎn)品。本設計主要采用LIS3DH三軸運動傳感器,，其具有體積小,、功耗低和精度高的優(yōu)點，經(jīng)過算法和軟件設計的處理,，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，實時數(shù)據(jù)經(jīng)計步算法處理后再經(jīng)過藍牙模塊傳送給遠程APP,，方便使用者查看動態(tài)數(shù)據(jù)和卡路里的消耗,。本文主要研究內(nèi)容：首先進行硬件系統(tǒng)設計，其中包括微處理模塊,、加速度采集模塊,、mbed技術、藍牙模塊和電源模塊；然后進行算法實現(xiàn)與軟件設計,，完成計步算法設計和手機APP設計,；其次根據(jù)數(shù)字濾波，將三軸傳感器得到的數(shù)據(jù)進行濾波,，去除干擾雜質(zhì)［1］；最后通過計步算法計算出運動行走步數(shù),，通過藍牙模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP上,。

1硬件系統(tǒng)設計

　　硬件模塊主要包括微處理器模塊nRF51、運動信息采集模塊LIS3DH三軸傳感器,、藍牙模塊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

　　計步器采用的微處理器模塊nRF51單片機具有多引腳和小封裝的特點,，適用于超低功耗無線應用。nRF51單片機存在于各種數(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)進行互動。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需要單獨供電,，若供電范圍在1.8 V~2.1 V時，采用芯片上的線性整流器,；若供電范圍在2.1 V~3.6 V時,，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的運動狀態(tài),。傳感器作為檢測裝置，其三軸傳感器主要是讀取人體運動數(shù)據(jù)信息,，并將讀到的信息以一定的規(guī)律變換成本設計需要的電信號并進行輸出,，同時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］。三軸運動傳感器LIS3DH具有3個軸加速度數(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由三軸傳感器數(shù)據(jù)輸出的特性和人體的運動特性共同決定。通常手腕上的智能穿戴產(chǎn)品會根據(jù)人行走的運動狀態(tài)來實時讀取人的運動信息,，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,，這樣可通過算法計算出人行走的步數(shù),。

　　1.3mbed技術

　　本文設計主要應用了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,，同時也可以使用不同ARM微處理器,，相當于硬件抽象層；硬件庫可為整體設計提供參考設計和程序下載接口,，還包括單步調(diào)試接口和串口調(diào)試接口,，方便設計中的測試過程，應用于軟件開發(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藍牙模塊

　　本設計中主要采用了CC2540藍牙模塊,，其具有睡眠模式和超低功耗模式的轉變,，符合低功耗的需要。此藍牙模塊應用廣泛,，與智能穿戴產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)傳輸,，是解決低成本效益下單模式的低功耗藍牙解決方案，它將微控制器,、主機端及應用程序整合在一個元件上［3］,。CC2540藍牙模塊結合主控制芯片，連接傳感器得到的數(shù)據(jù),，建立一個快閃記憶結構體,，快速、低功耗地進行數(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)部具有多線性和負載調(diào)節(jié)功能,，可穩(wěn)定輸出驅(qū)動電流和小于37 V的各種電壓，設置穩(wěn)定電壓輸出時,，誤差范圍僅在±4%范圍內(nèi),，當有穩(wěn)定電流待機時，可實現(xiàn)外部斷電,，同時在異常情況下斷電時,，該模塊具有自我保護功能。

2算法實現(xiàn)與軟件設計

　　在單片機端進行計步算法處理，軟件設計分為單片機端的計步算法程序設計和手機端的APP程序設計,。

　　2.1計步算法設計

　　該計步算法流程如圖2所示,。人在行走過程中，可把該計步器放置在手腕上,，在三軸傳感器讀取人體運動信息時,，x、y軸信息變化沒有規(guī)律,，z軸如同單擺一樣擺動,，如圖3所示，會呈現(xiàn)出周期性的變化,。采集人體運動信息時會受到人體抖動的干擾，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));

　　}

　　通過多人實驗得出，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),，可以將行走頻率設定為0.5 Hz~5 Hz,也就是人體行走過程中,，步與步之間的時間間隔在0.2 s~2 s，不在此時間間隔內(nèi),，設定為無效,。通過三軸傳感器LIS3DH讀取出坐標位置，將其轉換成x,、y和z三軸上的加速度值［5］,，將讀取的3個軸的值代入式（1），可得到各個軸的電壓值：

　　可以根據(jù)產(chǎn)品使用情況,，設定零加速度的電壓值,，此電壓值相當于加速度為0 g。通過加速度傳感器得出此時的電壓值,，計算相對于0 g時電壓值的偏移量,。本設計設定0 g電壓值VzeroG=1.65 V，實時計算出相對于0 g電壓值的偏移量公式（2）：

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

　　綜合整理三軸加速度坐標轉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,當連續(xù)出現(xiàn)次數(shù)大于3次時,，進入計步狀態(tài),，否則返回繼續(xù)讀取三軸坐標值。

       2.2手機端APP的設計

　　手機APP在藍牙模塊下與硬件系統(tǒng)連接,，主要功能是儲存人體運動信息,。手機APP用于人機交互，通過藍牙通信與后臺服務器之間進行儲存數(shù)據(jù)的信息交互［6］,。圖5為APP功能框架,。系統(tǒng)啟動時，首先設定個人信息,，包括年齡,、身高、性別和體重等,，手機APP界面是控制硬件系統(tǒng)的主界面,，通過藍牙模塊連接，可控制硬件系統(tǒng)進入計步狀態(tài),，及時更新和顯示硬件系統(tǒng)記錄的運動信息,，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,；鬧鈴設置主要是對手機APP進行鬧鈴設置,，包括久坐提醒、起床鬧鈴和喝水提醒,，可隨時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查看當天的行走步數(shù),；數(shù)據(jù)庫主要存儲人的基本信息和運動信息,，使用者可以根據(jù)天數(shù)或次數(shù)進行查詢，同時可以切換到詳細信息的模式中［7］,。

3實驗測試

　　為了驗證計步的精準度,，由8人組成的測試小組分別行走100步。行走過程中,，每個人的走路習慣不同,，不定性因素手臂前后擺動的幅值不同,，實驗通過人實際行走的步數(shù)與軟件顯示步數(shù)進行比較，從而計算出準確率,。硬件系統(tǒng)的操作結果如表1所示,。由實驗結果得出，該計步器的計步準確率極高,。

4結論

　　本設計主要應用于智能穿戴產(chǎn)品中,，可與其他智能模塊進行融合，方便放置于智能穿戴產(chǎn)品中,，在對空間和功耗有嚴格要求的情況下,，都可以實現(xiàn)正常工作。使用的計步算法真實有效,，在不同的頻率下,，行走的步數(shù)可以達到很高的精準度，同時可以讓使用者方便地在手機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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