盧文, 陳慈發(fā)

(三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，宜昌 443002)

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基于STM32和LIS3DSH的高精度計(jì)步器設(shè)計(jì)

盧文, 陳慈發(fā)

(三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，宜昌 443002)

摘要:設(shè)計(jì)了一種基于STM32和LIS3DSH的高精度計(jì)步器。為了提高計(jì)步器的準(zhǔn)確性，充分利用加速度傳感器輸出的三軸加速度信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用動(dòng)態(tài)閾值和峰值檢測(cè)的改進(jìn)算法。根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)特征檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度的變化，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)步，并具備數(shù)據(jù)傳輸功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該計(jì)步器具有體積小、功耗低、精度高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:MEMS慣性傳感器；三軸加速度傳感器；計(jì)步器; 誤檢率

引言

早期傳統(tǒng)的計(jì)步器設(shè)計(jì)是利用加重的機(jī)械開關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)步器晃動(dòng)時(shí)，裝置內(nèi)部的金屬球會(huì)來回滑動(dòng)，或者擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊，從而達(dá)到計(jì)步效果。但是這種計(jì)步器體積較大，重量偏重，計(jì)步精度也不高，同時(shí)也不方便攜帶。本文設(shè)計(jì)的高精度計(jì)步器采用ST公司的數(shù)字輸出MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))[1]三軸慣性加速度傳感器LIS3DSH作為傳感元件，以STM32L151C6作為主控制器，通過優(yōu)化的軟件算法來精確檢測(cè)步行頻率。選擇的MEMS傳感器和微控制器具有成本低、尺寸小和功耗低的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的新型電子計(jì)步器體積小、重量輕、計(jì)步精度高，便于攜帶。

1工作原理

在人行走過程中，可以將距離、速度、加速度等屬性作為描述人體行走狀態(tài)的參數(shù)，本文主要對(duì)人體運(yùn)動(dòng)過程中的加速度信息進(jìn)行采樣分析。行走時(shí)，身體的各個(gè)部位都在運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，其中垂直方向的加速度變化是最大的，如圖1所示。

圖1　人體行走模型

在人體運(yùn)動(dòng)過程中，腳離開地面是行走的第一步。由于地面會(huì)給蹬地的人一個(gè)反作用力，垂直加速度開始逐漸增大，身體重心也逐漸上移。當(dāng)腳要達(dá)到最高點(diǎn)位置時(shí)，腳的垂直速度值是最小的，垂直加速度值達(dá)到最大，然后接著腳會(huì)向下移動(dòng)，垂直加速度值開始逐漸減小，最終腳落地，垂直加速度值減少到最小值，然后便進(jìn)入到下一個(gè)步伐周期。在每一個(gè)步伐周期中，人體的垂直加速度值都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，這樣的一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)邁出的一步。采用加速度傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的加速度信息進(jìn)行采集，對(duì)加速度信號(hào)作預(yù)處理，再由微控制器通過計(jì)步算法準(zhǔn)確地計(jì)算出人體實(shí)際行走的步數(shù)。

2硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述工作原理，高精度計(jì)步器硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2　計(jì)步器硬件設(shè)計(jì)框圖

主控制器采用ST公司的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32L151C6，三軸加速度傳感器采用LIS3DSH，藍(lán)牙通信采用 ST BlueNRG嵌入BlueNRG4.0 Low-Energy協(xié)議棧藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)處理芯片，溫濕度測(cè)量采用 HTS221電容數(shù)字傳感器，同時(shí)采用OLED顯示屏對(duì)行走步數(shù)、剩余電量[2]等信息進(jìn)行顯示，按鍵和振動(dòng)馬達(dá)作為人機(jī)交互設(shè)備。

通過加速度傳感器采集X、Y、Z三個(gè)不同方向的加速度信息[3]，經(jīng)過計(jì)步算法處理得到準(zhǔn)確步數(shù)，并在顯示屏上顯示；同時(shí)也可以通過藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至外部設(shè)備，通過按鍵也可以對(duì)計(jì)步器的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖3　主控制器電路

2.1主控制器

STM32L151C6是ARM Cortex-M3內(nèi)核[4]的RISC高性能、低功耗32位MCU，工作頻率為32 MHz，具有32 KB Flash，采用48引腳封裝。片內(nèi)具有16 KB RAM和4 KB EEPROM，6個(gè)16位定時(shí)器、3個(gè)USART、2個(gè)SPI、2個(gè)I2C接口，與STM32F系列引腳兼容，功耗低至185 μA/DMIPS，工作電壓范圍為1.8～3.6 V，集成了USB連接電源，以及連接到兩個(gè)APB總線的增強(qiáng)I/O和外設(shè)。其主控制器電路如圖3所示，主要包括主控MCU及其時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、去耦濾波電路等。

2.2加速度傳感器

LIS3DSH是ST公司推出的低功耗、高性能并且內(nèi)置有限狀態(tài)機(jī)的三軸高分辨率加速度傳感器，可支持1.7～3.6 V的寬輸入電壓，有±2g/4g/±8g/±16g不同量程范圍，1個(gè)集成的FIFO(先入先出)緩沖存儲(chǔ)區(qū)塊，16位的數(shù)字輸出，工作溫度范圍為-40～+85 ℃，能夠提供穩(wěn)定而精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

LIS3DSH和主控制器的接口采用I2C 總線，有X、Y、Z 三個(gè)自由度的加速度數(shù)字輸出，可以全方位感知人體行走運(yùn)動(dòng)信息。當(dāng)人行走時(shí)，傳感器采集實(shí)時(shí)加速度數(shù)據(jù)，利用內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[5]，然后進(jìn)行邏輯控制并通過I2C總線與MCU通信。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)步器的數(shù)據(jù)采集、算法處理、信息輸出以及人機(jī)交互，核心技術(shù)是步數(shù)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的步數(shù)檢測(cè)算法主要有兩種:一是動(dòng)態(tài)閾值判斷方法，從正弦波形的下降區(qū)間進(jìn)行判斷；二是峰值檢測(cè)方法，從正弦波的拐點(diǎn)處判斷步數(shù)。這兩種檢測(cè)方法都有局限性和不確定性。本計(jì)步器結(jié)合以上兩種方法，提出一種新的改進(jìn)算法，從而可高效準(zhǔn)確地檢測(cè)出人體行走的步數(shù)。

3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是指對(duì)采集的三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)處理，分兩步進(jìn)行：第一步是進(jìn)行中值濾波的噪聲處理，第二步是進(jìn)行低通濾波的信號(hào)分離。

(1) 中值濾波

由于在運(yùn)動(dòng)過程中,加速度傳感器的輸出信號(hào)會(huì)包含大量的脈沖噪聲信號(hào)，在實(shí)際計(jì)步過程中必須剔除。中值濾波是一種有效的消除脈沖噪聲的方法，它是一種基于排序統(tǒng)計(jì)理論的能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)，它把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的像素值接近真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。

在本系統(tǒng)中采用序列的中值是指采樣序列中一半樣本的值比該值小，而另一半的值比該值大的中值點(diǎn)。所以在信號(hào)處理的時(shí)候需要將采樣的序列進(jìn)行排序，然后選取其中的中間值。由于加速度傳感器的輸出信號(hào)中可能包含有脈沖噪聲信號(hào)，系統(tǒng)中將濾波器窗口大小設(shè)為3。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，如果窗體過大或過小，則會(huì)使判別人體活動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)算法的效果變差。

(2) 低通濾波[6]

通常來講，人體每秒鐘行走0.5～2.0步，最多不超過5.0步。因此合理的計(jì)步器輸出為0.5～5.0 Hz，需要通過一個(gè)低通濾波器，以從原始加速度信號(hào)中分離出人體活動(dòng)所產(chǎn)生的高頻低通噪聲[7]，此時(shí)的低通濾波器截止頻率為5.0 Hz。

3.2步數(shù)檢測(cè)算法

3.2.1三軸數(shù)據(jù)合一的方法選取

加速度傳感器采集到的是三軸的加速度數(shù)據(jù)，這3個(gè)軸分別對(duì)應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)的3個(gè)方向。無論如何穿戴計(jì)步器，總有至少一個(gè)軸的數(shù)據(jù)具有較大的周期性加速度變化，所以某些算法采用單個(gè)軸的加速度值來表征人體運(yùn)動(dòng)，算法實(shí)時(shí)比較三軸加速度數(shù)據(jù)大小，把加速度變化最大的那個(gè)軸記為有效軸，然后利用有效軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和步伐判斷。但是這種實(shí)時(shí)判斷有效軸的方法容易丟失計(jì)數(shù)點(diǎn)，加速度有效軸可能會(huì)不停地變換，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)過于敏感，穩(wěn)定性差。為了很好地解決這個(gè)問題，本文采用三軸合一加速度[8]的方法處理數(shù)據(jù)。

考慮到三軸合一的問題，為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，采用求3個(gè)數(shù)據(jù)平方和的二次方根，即2-范數(shù)的方法[9]。

(1)

式(1)采用的2-范數(shù)處理數(shù)據(jù)，其增益不會(huì)隨著傳感器方位的變化而變化，克服了傳感器位置對(duì)收集有效數(shù)據(jù)的影響。

3.2.2步數(shù)檢測(cè)的核心算法

步數(shù)檢測(cè)過程主要包括動(dòng)態(tài)閾值和峰值檢測(cè)。首先采用動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度的方法，過濾掉高頻噪聲，從而得到有效步數(shù)。具體方法如下：系統(tǒng)中設(shè)定兩個(gè)移位寄存器,其中一個(gè)寄存器用于保存新得到的加速度采樣值，根據(jù)動(dòng)態(tài)峰值可以確定動(dòng)態(tài)閾值的大小，當(dāng)新得到一個(gè)加速度采樣值時(shí)，將其與新數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)值進(jìn)行比較，若二者的差值的絕對(duì)值大于動(dòng)態(tài)精度時(shí)，則新數(shù)據(jù)寄存器的值移位到舊數(shù)據(jù)寄存器，而新得到的加速度值就可以移位到新數(shù)據(jù)寄存器；當(dāng)加速度變化值小于或等于動(dòng)態(tài)精度時(shí)，此變化值被拋棄，新數(shù)據(jù)寄存器保持不變。舊數(shù)據(jù)寄存器則不斷地更新采樣數(shù)據(jù)。圖4為動(dòng)態(tài)閾值的算法示意圖。持續(xù)更新三軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。其中平均值(Max+Min)/2稱為“動(dòng)態(tài)閾值”。

圖4　動(dòng)態(tài)閾值算法示意圖

在得到有效步數(shù)后，對(duì)有效步數(shù)的合加速度值進(jìn)行檢測(cè)，峰值點(diǎn)應(yīng)滿足下式，其中tp為峰值點(diǎn)附近加速度的幅值:

(2)

當(dāng)滿足峰值條件后，再對(duì)合加速度信號(hào)進(jìn)行幅度閾值條件和時(shí)間閾值條件的判斷,以避免行走時(shí)身體抖動(dòng)對(duì)計(jì)步的影響，最后對(duì)實(shí)際的步數(shù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，顯示到液晶屏上。其中幅度閾值為所有峰值點(diǎn)的均值，這樣的均值比較合理。而人體每步行走的時(shí)間范圍為0.2～2s。其峰值檢測(cè)的流程圖如圖5所示。

圖5　峰值檢測(cè)流程圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)運(yùn)動(dòng)來說，步數(shù)是一個(gè)可以量化的指標(biāo)，當(dāng)用步數(shù)表征人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，步數(shù)檢測(cè)的精確度就是計(jì)步系統(tǒng)的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橛?jì)步器的精確度越高，檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)步數(shù)越準(zhǔn)確，就越能準(zhǔn)確反映人體運(yùn)動(dòng)情況、運(yùn)動(dòng)量大小和運(yùn)動(dòng)活躍度。計(jì)步精度定義如下：

(3)

為了檢驗(yàn)計(jì)步器的實(shí)際精確度，本系統(tǒng)進(jìn)行了5次隨機(jī)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1　步數(shù)檢測(cè)結(jié)果

結(jié)語

本文討論了基于STM32L151C6和LIS3DSH的高精度電子計(jì)步器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)具體的硬件電路和算法軟件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。此電子計(jì)步器系統(tǒng)采用STM32L151C6芯片，大大降低了系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，而加速度傳感器LIS3DSH的小尺寸封裝，減小了系統(tǒng)尺寸，為移植到手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備上提供了可能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有精度高、功耗低、體積小等特點(diǎn)。

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圖6　中斷服務(wù)函數(shù)流程圖

結(jié)語

本文在RT-Thread的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路步進(jìn)電機(jī)的控制，基于嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)功能按模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，大大減小了設(shè)計(jì)的整體難度，并且有利于系統(tǒng)后期的功能擴(kuò)展,以較低的成本實(shí)現(xiàn)多路步進(jìn)電機(jī)的控制?；诖嗽O(shè)計(jì)的3D打印機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)在使用，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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王燕東(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；彭明莎(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理理論應(yīng)用；李偉(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜網(wǎng)絡(luò)管理。

High-precision Pedometer Based on STM32 and LIS3DSH

Lu Wen,Chen Cifa

(School of Computer&Information,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)

Abstract：A high-precision pedometer based on STM32 and LIS3DSH is designed.In order to improve the accuracy of the pedometer,the three axis acceleration signals output by the acceleration sensor are processed by data preprocessing,then the improved algorithm of dynamic threshold and peak detection are used to detect the change of acceleration when the body moves.According to the characters of the body movement,the pedometer can accurately calculate the steps and has the data transmission function.The experiment results indicate that this pedometer has the characteristics of small size,low-power consumption,high precision.

Key words:MEMS inertial sensor;three-axis acceleration sensor;pedometer;error detection rate

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-09-21) (責(zé)任編輯：楊迪娜2015-09-28)

中圖分類號(hào):TP274.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A