胡 洋，候 松，石煌雄, 潘文林

(1.云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 沙坪壩 400044;3.云南民族大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

隨著社會(huì)的發(fā)展，日常生活佩戴用品越來越智能化.以往人們對(duì)智能佩戴設(shè)備較注重于頭部等部位.以上產(chǎn)品并不是生活必需品，生活需要的穿戴設(shè)備腰帶卻被嚴(yán)重忽略.例如，無法利用傳統(tǒng)的穿戴設(shè)備獲取用戶腰圍尺寸.腰帶相比其他產(chǎn)品擁有可測量、可嵌入、不會(huì)遺失等優(yōu)點(diǎn).基于以上幾個(gè)方面的特性，智能腰帶發(fā)展前景比其他穿戴產(chǎn)品更好.目前，智能腰帶主要應(yīng)用于信息交流、健康檢測、安全保護(hù)等領(lǐng)域.

智能腰帶的研究開發(fā)現(xiàn)狀：鄭剛等[1]基于腰帶的摔倒檢測并提出運(yùn)用MPU6050六軸加速度計(jì)傳感器監(jiān)測老人姿態(tài)；鄢麗娟等[2]提出意外摔倒智能報(bào)警腰帶系統(tǒng)進(jìn)行了研究；余震[3]提出盲人導(dǎo)航腰帶，該腰帶具有超聲波模塊測距、紅外線模組測障等功能通過語音和觸覺提醒盲人；阮太元[4]提出具有人體姿勢監(jiān)測功能的腰帶；周麗萍[5]提出具有人體重心軌跡及傾角測量功能的腰帶.

上述有關(guān)智能腰帶的研發(fā)沒有考慮設(shè)備與手機(jī)客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的功能，使得產(chǎn)品功能單一.針對(duì)該問題，本文提出一種綜合功能的智能腰帶.在腰帶中嵌入STM32單片機(jī)，使得腰帶具備自動(dòng)檢測用戶腰圍、測量用戶每日行走的步數(shù)、久坐時(shí)間是否超出設(shè)定時(shí)間并進(jìn)行震動(dòng)提醒等功能，此外還設(shè)計(jì)了緊急求救按鈕用于突發(fā)事件發(fā)生時(shí)呼救.上述功能都全部集成到手機(jī)客戶端程序中，便于用戶使用.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，5V鋰電池組進(jìn)行供電.腰圍測量模塊根據(jù)兩路槽型光耦光電測速傳感器通過對(duì)腰帶邊緣孔進(jìn)行計(jì)數(shù)從而得到腰圍長度數(shù)據(jù)；計(jì)步模塊和久坐震動(dòng)提醒模塊采用MPU-6050三軸加速度計(jì)，通過動(dòng)態(tài)閾值算法對(duì)MPU-6050模塊采回的3軸角度數(shù)據(jù)及3軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值判斷.求救模塊是通過采用GPS北斗定位模塊對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行定位.主控制器還將通過WIFI通信模塊將檢測數(shù)據(jù)，如腰圍長度、當(dāng)前行走步數(shù)、久坐時(shí)間累積等信息發(fā)送至手機(jī)APP設(shè)備云上位機(jī)，便于實(shí)時(shí)查看用戶當(dāng)前狀態(tài).如圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖所示.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)運(yùn)用主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)腰圍測量、求救按鍵檢測、定位模塊數(shù)據(jù)讀取、步數(shù)記錄、久坐震動(dòng)提醒以及所測數(shù)據(jù)上傳.

2.2 腰圍測量模塊設(shè)計(jì)

腰圍數(shù)據(jù)是通過2路槽型光耦光電測速傳感器對(duì)腰帶邊緣孔進(jìn)行感應(yīng).穿過一個(gè)孔產(chǎn)生一組方波信號(hào)并觸發(fā)主控制器芯片的外部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過公式(1)計(jì)算得到腰圍長度，如圖2腰帶測量方式結(jié)構(gòu)所示.

L腰圍=L總長-L-C孔數(shù)×0.5.

(1)

其中L腰圍為腰圍數(shù)據(jù)，L總長為腰帶的總長度，L為腰帶尾部沒有打孔部分總長度，C孔數(shù)為通過2路槽型光耦光電測速傳感器的孔數(shù)，孔與孔之間的距離為 0.5 cm.

2.3 計(jì)步模塊設(shè)計(jì)

計(jì)步模塊是通過MPU6050模塊采回當(dāng)前姿態(tài)的三軸角度值、角加速度值，通過IIC協(xié)議傳送給主控制器芯片.主控制芯片再采用動(dòng)態(tài)閾值算法對(duì)當(dāng)前動(dòng)作進(jìn)行判斷，從而進(jìn)行計(jì)數(shù).如圖3MPU6050模塊原理圖所示.

2.4 久坐震動(dòng)提醒模塊設(shè)計(jì)

久坐震動(dòng)提醒模塊是通過MPU6050模塊采回當(dāng)前姿態(tài)的角加速度值，通過IIC協(xié)議傳送給主控制器芯片.主控制芯片再采用閾值算法對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，并進(jìn)行久坐計(jì)時(shí).當(dāng)用戶久坐時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值，主控制器芯片將會(huì)發(fā)送命令給震動(dòng)電機(jī)工作，腰帶以震動(dòng)的方式提醒久坐.其中震動(dòng)電機(jī)鑲嵌與腰帶內(nèi)部，如圖4震動(dòng)電機(jī)布局結(jié)構(gòu)圖所示.

2.5 求救模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)求救模塊的設(shè)計(jì)思路，在用戶求救過程中僅需要向求助對(duì)象提供當(dāng)前位置就能達(dá)到目的，選用可以定位的GPS北斗定位模塊便可以實(shí)現(xiàn)，一旦主控制器芯片檢測到求救按鍵處于被按下狀態(tài)，主控制器芯片將定位信息發(fā)送給指定聯(lián)系人.

2.6 通信模塊設(shè)計(jì)

WIFI模塊與STM32F103ZET6的串口2(PA2、PA3)相連，并將數(shù)據(jù)(腰圍、步數(shù)、久坐時(shí)間)進(jìn)行打包由WIFI模塊通過EDP協(xié)議發(fā)送給手機(jī)APP設(shè)備云，本腰帶涉及到數(shù)據(jù)的上傳與手機(jī)APP上位機(jī)久坐時(shí)間的設(shè)定.如圖5WIFI模塊原理圖所示.

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 智能健康監(jiān)測腰帶系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

智能健康監(jiān)測腰帶的軟件系統(tǒng)主要有各個(gè)模塊的初始化組成.以及求救按鍵的檢測、定位信息的獲取、求救信息的發(fā)送.MPU6050模塊數(shù)據(jù)采集的讀取、閾值的判斷、腰圍數(shù)據(jù)的獲取以及打包數(shù)據(jù)的上傳與久坐時(shí)間設(shè)定數(shù)據(jù)的接收.通過求救按鍵與定位模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的發(fā)送，MPU6050模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)步，和久坐提醒，通過2路槽型光耦光電測速傳感器進(jìn)行腰圍計(jì)數(shù)通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)上傳至手機(jī)APP設(shè)備云.如圖6智能健康監(jiān)測腰帶系統(tǒng)圖所示.

3.2 動(dòng)態(tài)閾值算法設(shè)計(jì)

采用動(dòng)態(tài)閾值算法的閾值設(shè)定根據(jù)人在行走過程中，大腿將上下來回抖動(dòng)，將抖動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為角度信號(hào)，角度的變化將成1個(gè)類似于正弦信號(hào)的周期性變化.因此閾值的設(shè)定為1個(gè)周期信號(hào)內(nèi)角度最大值的1/2再加上角度最大值的±1%；角度變化為從大變小的過程時(shí)，閾值1采用公式(2)計(jì)算，角度變化從小變大的過程時(shí)，閾值2采用公式(3)計(jì)算.

(2)

(3)

其中，T1為閾值1，T2為閾值2，Amax為1個(gè)周期內(nèi)角度的最大值.判斷行走一步的方法為，存在向前的加速度的情況下，若所測角度值在從大變小的過程中，角度值小于閾值1，則記為用戶行走一步，緊接著所測角度值在從小變大的過程中，角度值大于閾值2，則記為用戶行走一步，通過這樣的方式計(jì)步.

3.3 WIFI通信程序設(shè)計(jì)

通過AT指令進(jìn)行配置WIFI模塊并連接熱點(diǎn)，WIFI模塊與手機(jī)APP設(shè)備云采用既可以上傳數(shù)據(jù)又可以接收數(shù)據(jù)的EDP協(xié)議，如圖7WIFI模塊的程序流程圖，包含連接云平臺(tái)(左)、接收數(shù)據(jù)(中)、發(fā)送函數(shù)(右)程序流程圖.

3.4 OneNet云端平臺(tái)設(shè)計(jì)

OneNet是智能設(shè)備自助開發(fā)工具，提供物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)、短信、位置定位、設(shè)備管理、消息分發(fā)、遠(yuǎn)程升級(jí)等基礎(chǔ)服務(wù)，并支持后臺(tái)技術(shù)服務(wù).本文采用EDP協(xié)議，使OneNet顯示數(shù)據(jù)同時(shí)還能控制指令下發(fā)，使用中能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)命令或者離線命令等功能.如圖8OneNet云端平臺(tái)設(shè)計(jì)流程圖.

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

智能腰帶由5個(gè)功能組成：功能1為顯示腰圍尺寸；功能2為設(shè)置久坐時(shí)間；功能3為當(dāng)前是否為久坐狀態(tài)；功能4為顯示每日步數(shù)；功能5為發(fā)送求救信號(hào)；如圖9上位機(jī)手機(jī)APP設(shè)備云界面所示，分別展示5個(gè)功能在界面位置.根據(jù)圖9分析，功能1腰圍顯示為119，實(shí)際腰圍測試為118誤差很小滿足用戶需求.功能2設(shè)置預(yù)定的久坐時(shí)間，到達(dá)設(shè)置時(shí)間功能3會(huì)通過腰帶震動(dòng)提醒當(dāng)前為久坐狀態(tài).接下來實(shí)驗(yàn)通過數(shù)據(jù)展示分析，功能4腰帶計(jì)步功能與手機(jī)計(jì)步功能進(jìn)行對(duì)比測試.功能5通過在5個(gè)不同地點(diǎn)測試求救系統(tǒng)穩(wěn)定性.

4.1 計(jì)步數(shù)據(jù)精度測試

五個(gè)人依次系上腰帶，并打開手機(jī)的計(jì)步功能.同時(shí)記錄實(shí)際行走步數(shù)、系統(tǒng)腰帶步數(shù)和手機(jī)計(jì)步.如圖表1，進(jìn)行50、100、150、200和300步的記錄，其中系統(tǒng)一和手機(jī)一為同1個(gè)人行走的步數(shù)記錄.根據(jù)表1分析，不同的人進(jìn)行測試，增加數(shù)據(jù)多樣性.同時(shí)測試距離長短不一保證每一組數(shù)據(jù)的獨(dú)立.智能腰帶和手機(jī)的計(jì)步分別測試25組數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)有一定的對(duì)比性.

表1 采集步數(shù)數(shù)據(jù)精度測試表

通過表2分析實(shí)際行走步數(shù)、腰帶測試步數(shù)和手機(jī)計(jì)步均存在一定的誤差.腰帶計(jì)步功能的絕對(duì)誤差范圍在1～13，相對(duì)誤差范圍在1%～6%.手機(jī)計(jì)步功能的絕對(duì)誤差范圍在1～10，相對(duì)誤差范圍在1%～6%.通過分析系統(tǒng)的誤差隨著行走的步數(shù)增加逐漸趨于穩(wěn)定.形成誤差的主要原因是每個(gè)測試的人行走過程中大腿抖動(dòng)不同，最后造成不同誤差.綜合分析智能腰帶的計(jì)步功能誤差小，符合使用要求.

表2 計(jì)步功能誤差分析表

4.2 求救功能穩(wěn)定性能測試

求救功能測試，選擇5個(gè)不同信號(hào)地點(diǎn)測試.分別是空曠馬路、室內(nèi)房間、地下車庫、水域和高層建筑.5個(gè)測試地點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度不一，最強(qiáng)為空曠馬路，最弱為地下車庫.每一個(gè)地點(diǎn)分別由5個(gè)人依次系上腰帶在不同地點(diǎn)測試.測試結(jié)果5個(gè)地點(diǎn)25組數(shù)據(jù)，發(fā)送求救信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為均接收到正確的求救信息，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性能.

5 結(jié)語

以STM32F103ZET6芯片為核心構(gòu)建了一個(gè)智能健康監(jiān)測腰帶.通過人體行走姿態(tài)規(guī)律分析，設(shè)計(jì)出一種簡單、可靠的動(dòng)態(tài)閾值算法，能夠精準(zhǔn)的對(duì)用戶行走的步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù).經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，得出智能健康監(jiān)測腰帶，計(jì)步誤差小、精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求，具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信模塊考慮價(jià)格問題采用WIFI進(jìn)行通信，在實(shí)際生活中沒有網(wǎng)絡(luò)情況下該系統(tǒng)數(shù)據(jù)就無法進(jìn)行傳輸.在未來工作中繼續(xù)優(yōu)化該系統(tǒng)通信模塊，使系統(tǒng)應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜真實(shí)環(huán)境.