吳晨杰，徐 云，瞿耀輝

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)自身的健康狀況格外關(guān)注[1-3]。跑步作為一種較為普遍的運(yùn)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)鍛煉身體、增強(qiáng)人體免疫力的目的，因此，受到廣大人民群眾的喜愛。計(jì)步器作為科技發(fā)展的產(chǎn)物，逐漸得到廣大跑步運(yùn)動(dòng)者的喜愛。目前，計(jì)步器的應(yīng)用越來越廣泛[4-6]，如奶牛養(yǎng)殖用計(jì)步器、醫(yī)療保健計(jì)步器等。憑借體積小、壽命長、精度高的優(yōu)勢，計(jì)步器正朝著功能多元化的方向發(fā)展[7]，使得計(jì)步器的娛樂性更強(qiáng)，但價(jià)格逐漸上升。

近幾年，市場上的三軸加速度傳感器以其集成度高、精度高、功耗低、體積小以及成本低的優(yōu)勢[8-9]，廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)的檢測[10-12]。本文采用ADI公司生產(chǎn)的ADXL345三軸加速度計(jì)，設(shè)計(jì)了一款普通行人用計(jì)步器。采用基于閾值辨識(shí)的辦法，實(shí)現(xiàn)了行人運(yùn)動(dòng)中步數(shù)的測量。

1 計(jì)步器的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于閾值辨識(shí)方法的計(jì)步器主要由ADXL345三軸加速度計(jì)、單片機(jī)、LCD顯示模和供電模塊組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

ADXL345三軸加速度計(jì)用于感應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)三個(gè)軸向的加速度。單片機(jī)發(fā)送相關(guān)指令實(shí)現(xiàn)與ADXL345三軸加速度計(jì)進(jìn)行通信，進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)時(shí)三個(gè)軸向加速度數(shù)據(jù)的采集。通過閾值判斷法則，進(jìn)行計(jì)步，并將計(jì)得的步數(shù)顯示于LCD顯示模塊。

①ADXL345模塊。

ADXL345是美國ADI公司推出的一款低成本三軸加速度傳感器。分辨率高達(dá)13位，可選擇的測量量程有±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，具備SPI、I2C數(shù)據(jù)通信接口。傳感器內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、低通濾波等功能，具備體積小、成本低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用I2C通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)ADXL345與單片機(jī)的通信。單片機(jī)與ADXL345的通信連接如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與ADXL345的通信連接圖

②LCD顯示模塊。

本設(shè)計(jì)采用的顯示模塊為LCD1602液晶顯示屏，通過單片機(jī)進(jìn)行指令控制，實(shí)現(xiàn)計(jì)步所得步數(shù)的顯示。LCD1602液晶顯示屏與單片機(jī)的電氣連接如圖3所示。

圖3 單片機(jī)與LCD1602的電氣連接圖

③單片機(jī)模塊。

單片機(jī)外圍電路如圖4所示。

圖4 單片機(jī)外圍電路

本次設(shè)計(jì)選用了STC89C52單片機(jī)。該芯片具有功耗低、分辨率高、處理能力強(qiáng)的優(yōu)勢。通過單片機(jī)控制ADXL345，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、對(duì)加速度數(shù)據(jù)分析處理、辨識(shí)運(yùn)動(dòng)步數(shù)以及在LCD1602液晶顯示屏上進(jìn)行步數(shù)顯示。STC89C52的外圍電路包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和開關(guān)按鍵電路。

2 計(jì)步器軟件設(shè)計(jì)

以腰部為中心，建立如圖5所示的載體坐標(biāo)系，采集三個(gè)方向的加速度。

圖5 載體坐標(biāo)系示意圖

①閾值辨別設(shè)計(jì)。

一般而言，人體行走時(shí)因運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，在不同部位產(chǎn)生的加速度也不一樣。圖6給出了普通行人行走時(shí)腰部加速度的變化曲線。

圖6 腰部加速度變化曲線

從圖6可以看出，普通行人行走時(shí)腰部三個(gè)方向的加速度均有變化。其中，縱向加速度變化幅值較大且呈規(guī)律性。若以縱向加速度為特征量進(jìn)行閾值辨別，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)步的功能。本文設(shè)計(jì)的基于閾值辨別的計(jì)步算法以z軸加速度作為特征量，通過多次試驗(yàn)進(jìn)行閾值提取。計(jì)步時(shí)，將該閾值作為比較量進(jìn)行行走步數(shù)的測量。

②系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

基于閾值辨別技術(shù)的計(jì)步器系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。

圖7 計(jì)步器系統(tǒng)的軟件流程圖

計(jì)步器系統(tǒng)開機(jī)時(shí)先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括ADXL345初始化、LCD液晶顯示屏初始化以及單片機(jī)系統(tǒng)初始化。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，單片機(jī)控制并采集傳感器測量獲得的行人行走時(shí)三個(gè)軸向的加速度值；然后，單片機(jī)對(duì)采集到的加速度值進(jìn)行閾值判定，從而辨識(shí)出實(shí)際行走的步數(shù)；最后，單片機(jī)將行走步數(shù)的判定結(jié)果發(fā)送至LCD液晶顯示屏進(jìn)行步數(shù)顯示。

3 試驗(yàn)測試

根據(jù)上述硬件電路，設(shè)計(jì)并制作了普通行人用計(jì)步器原理樣機(jī)。樣機(jī)主要由電源模塊、ADXL345以及LCD液晶顯示模塊構(gòu)成。試驗(yàn)測試時(shí)，行人將計(jì)步器原理樣機(jī)附著于腰部。

①閾值測試。

多名測試者佩戴設(shè)計(jì)的計(jì)步器原理樣機(jī)進(jìn)行測試，獲得的閾值如表1所示。

表1 閾值測試結(jié)果

根據(jù)表1測試的閾值結(jié)果，取閾值的均值作為閾值判定的參考量，并將其灌入原理樣機(jī)中進(jìn)行計(jì)步試驗(yàn)測試。計(jì)步器試驗(yàn)測試結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)步器試驗(yàn)測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2給出了不同測試者佩戴設(shè)計(jì)的計(jì)步器原理樣機(jī)進(jìn)行計(jì)步試驗(yàn)測試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。整體上而言，本文設(shè)計(jì)的計(jì)步器原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了普通行人行走時(shí)計(jì)步的功能。但是，對(duì)不同的測試者而言，其測試結(jié)果與實(shí)際步數(shù)存在測量誤差。經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該誤差主要源于閾值的設(shè)定。對(duì)于不同測試者而言，其步長、身高、行走速度存在差異，若使用固定的閾值進(jìn)行步數(shù)辨別必然存在測量誤差。為提高計(jì)步精度，今后將開展自適應(yīng)閾值辨別計(jì)步的研究。

4 結(jié)束語

本文基于閾值辨別技術(shù)設(shè)計(jì)了一款普通行人用計(jì)步器原理樣機(jī)。原理樣機(jī)主要由三軸加速度計(jì)ADXL345模塊、LCD液晶顯示模塊以及單片機(jī)模塊組成。單片機(jī)控制并采集ADXL345輸出的三個(gè)軸向加速度信息，通過閾值辨別技術(shù)實(shí)現(xiàn)行人行走計(jì)步的功能。試驗(yàn)測試首先針對(duì)行人行走時(shí)的閾值加速度進(jìn)行測試，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了行走計(jì)步的試驗(yàn)。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于閾值辨別技術(shù)的原理樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)行人行走時(shí)的計(jì)步功能，但存在計(jì)步誤差。分析指出，該誤差源于行走計(jì)步時(shí)閾值的設(shè)定誤差。為提高基于閾值辨別技術(shù)的計(jì)步器原理樣機(jī)的計(jì)步精度，今后將開展自適應(yīng)閾值辨別技術(shù)的計(jì)步算法研究。