黃元植 黃銳敏

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

基于藍(lán)牙芯片CC2541的計(jì)步器設(shè)計(jì)

黃元植 黃銳敏

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

為了實(shí)現(xiàn)穿戴式計(jì)步器準(zhǔn)確計(jì)算步伐，本論文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙芯片 C C 2541和六軸傳感器 M PU 6050的電子計(jì)步器系統(tǒng)。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，自主設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的電子計(jì)步器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)，加速度數(shù)據(jù)處理和步數(shù)在藍(lán)牙設(shè)備終端顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在走 100步時(shí)，具有較可靠的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。該電子計(jì)步器可設(shè)計(jì)為 15m m× 15m m的小體積儀器，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足較高精度的計(jì)步測(cè)量要求。

六軸傳感器 M PU 6050；計(jì)步器；低通濾波器；合理閾值；高精度

1 引言

肥胖是萬(wàn)病之源，運(yùn)動(dòng)和控制飲食則是科學(xué)、正確的減肥方法，而步行作為科學(xué)、安全、時(shí)尚的運(yùn)動(dòng)方式在國(guó)內(nèi)外受到越來(lái)越多人群的青睞，也成為科學(xué)減肥的有效方法之一[1]。計(jì)步器是一種日常生活鍛煉有效而方便的監(jiān)控器 ，可以計(jì)算人們行走的步數(shù)，估計(jì)行走的距離，實(shí)時(shí)監(jiān)控自己健身強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)水平。

早期的計(jì)步器是利用加重的機(jī)械開(kāi)關(guān)檢測(cè)步伐，人走動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)從而觸發(fā)開(kāi)關(guān)，再由一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器記錄并顯示步數(shù)，這被稱(chēng)作機(jī)械式計(jì)步器。這種計(jì)步器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是準(zhǔn)確度和靈敏度都較低，且只適用于懸掛在腰部，否則會(huì)不準(zhǔn)確，目前已被淘汰。20世紀(jì)90年代，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）研究的突飛猛進(jìn),它是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專(zhuān)用的微機(jī)電加工方法的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來(lái)的高新科技,具有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、響應(yīng)快、可靠性高、頻帶寬、成本低等特點(diǎn)，利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的計(jì)步器克服了機(jī)械式計(jì)步器準(zhǔn)確度和靈敏度低的缺點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)并分析數(shù)據(jù)，從而計(jì)算步伐[2-3]。

本 文采用 藍(lán)牙芯片 CC2541[4]和六軸傳感器 MPU6050[5]設(shè)計(jì)了一種電子式計(jì)步器。CC2541是德州儀器（TEXES INSTRUMENTS）公司設(shè)計(jì)的 2.4-GHz Bluetooth TM 低能耗和私有片載系統(tǒng)。MPU 6050是由美盛（InvenSense）公司設(shè)計(jì)的六軸運(yùn)動(dòng)處理組件，免除了組合陀螺儀與加速度器時(shí)間軸之差的問(wèn)題，減少了大量的封裝空間。本論文中設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙芯片CC2541和六軸傳感器MPU6050的電子計(jì)步器可以有效檢測(cè)人行走時(shí)的步態(tài)加速度信號(hào)[6-8]，具有體積小、功耗低精確度和靈敏度高的特點(diǎn)。該計(jì)步器內(nèi)置于鞋中，準(zhǔn)確地測(cè)量腳加速度的變化，從而得出步數(shù)以及行走的距離。

2 人體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型

六軸傳感器MPU6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速度器的姿態(tài)模塊，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試比較，單單3軸加速度器就可以很好地完成數(shù)據(jù)測(cè)量任務(wù)。本文通過(guò)求取3軸加速度的模值，得出模值的波形，再設(shè)置上下沿的閾值，比較閾值后可較準(zhǔn)確得出步數(shù)。

因測(cè)試條件限制，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們將自制電子計(jì)步器綁在腳踝上來(lái)模擬其應(yīng)用在鞋內(nèi)，因其相差距離小，故二者測(cè)試條件是相像的。為了充分利用傳感器輸出的三軸加速度信號(hào)，故本文將三軸加速度信號(hào)求取平方和(求模)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，原本加速度三軸模值的數(shù)據(jù)應(yīng)該會(huì)是在G (9.8m/s2)附近，但是為了方便顯示，故在程序中將 G(9.8m/s2)直接標(biāo)定為0，通過(guò)MATLAB編寫(xiě)接口程序，行走過(guò)程中加速度(模值)的變化規(guī)律如圖1所示。圖 1顯示加速度的模值是一個(gè)不斷抖動(dòng)的過(guò)程，腳上升下降使得加速度(模值)變化可以整體看作在一個(gè)包絡(luò)范圍內(nèi)，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，人的步伐頻率范圍是在 4steps/s～0.5steps/s，正常情況下是 1steps/s，則可以認(rèn)為原始信號(hào)中 0.5Hz～4Hz 為有效信號(hào)[9]，再通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，去除高頻噪聲，保留部分有用的信息，通過(guò)MATLAB編寫(xiě)接口程序，效果如圖2所示。而且在圖1中可以看到，加速度（模值）的變化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)，這會(huì)對(duì)后面步伐的閾值判斷產(chǎn)生一定的影響，容易造成多計(jì)幾步，經(jīng)過(guò)低通濾波器后，加速度(模值)曲線變化更加平滑，且在曲線末尾，呈現(xiàn)振蕩下降，使得通過(guò)閾值判斷步伐更加準(zhǔn)確，但是由于低通濾波后會(huì)有交流的分量存在，故圖2中出現(xiàn)了加速度（模值）負(fù)的分量，不過(guò)可以通過(guò)條件判斷將這部分去除。

圖1 三軸加速度變化

圖2 濾波后三軸加速度變化

3 硬件設(shè)計(jì)

本電子計(jì)步器系統(tǒng)主要由電源模塊 LM1117[10]、信號(hào)采集模塊MPU6050、信號(hào)處理及傳輸模塊組成，系統(tǒng)硬件原理圖如3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件原理

3.1 電源模塊

LM1117是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（National Semiconductor）公司的一款低壓差電壓調(diào)節(jié)器，輸出電流可達(dá)1A，可調(diào)節(jié)三端可輸出固定 1.5V～5V 的電壓，極低的靜態(tài)電流，且有電流限制和熱保護(hù)功能。在接上紐扣電池后，可以穩(wěn)定輸出3.3V電壓給整個(gè)系統(tǒng)供電。

3.2 信號(hào)采集模塊

本系統(tǒng)采用 MPU6050加速度傳感器來(lái)采集加速度數(shù)據(jù)。MPU6050是美盛（InvenSense）設(shè)計(jì)全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，支持 2.5V～3.3V 的輸入電壓，三軸加速器提供的測(cè)量范圍為±2g、±4g、±8g 與±16g，一個(gè)片上 1024Byte 的FIFO（先入先出）的存儲(chǔ)區(qū)，因此能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的三軸加速度數(shù)據(jù)。

3.3 信號(hào)處理及傳輸模塊

信號(hào)處理及傳輸模塊采用TI公司的CC2541低功耗和私有片載系統(tǒng)，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)和高集成度、易于開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)。

CC2541通過(guò)I2C總線得到MPU6050采集的三軸加速度信號(hào)，然后通過(guò)系統(tǒng)算法算出步數(shù)，最后通過(guò) BLE（Bluetooth Energy）4.0傳輸出去，實(shí)現(xiàn)與帶藍(lán)牙 4.0的設(shè)備進(jìn)行交互信息并顯示步數(shù)。

4 算法設(shè)計(jì)

CC2541得到MPU 6050采集的三軸加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)低通濾波器算法處理后，加速度（模值）信號(hào)變得平滑，信號(hào)變換規(guī)律也比較簡(jiǎn)單，已經(jīng)可以用算法實(shí)現(xiàn)計(jì)步。使用積分包絡(luò)檢測(cè)，會(huì)使得信號(hào)形成一個(gè)包絡(luò)，通過(guò)MATLAB編寫(xiě)接口程序，如圖 4.1,4.2,4.3,4.4,4.5所示，接著就是閾值判斷，計(jì)算步伐。在圖 4.1,4.2,4.3,4.4四幅信號(hào)圖是對(duì)不同人群走路的實(shí)驗(yàn)研究，例如圖 4.1，隨機(jī)選取 20個(gè) 10歲-20歲的小孩，邊走邊在MATLAB記錄下加速度波形，最后將這20個(gè)波形再進(jìn)行平均優(yōu)化，并從中截取一段，得到 4.1的圖形，因此我判斷該波形是 10歲-20歲人的步伐波形 ，以此類(lèi)推，圖 4.2,4.3, 4.4，均是如此。圖 4.5是在腳有抖動(dòng)的情況下，測(cè)出來(lái)加速度數(shù)據(jù)，說(shuō)明腳輕微的抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生加速度變化，為了使系統(tǒng)不會(huì)記上一步，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較將上升閾值設(shè)置為 3000（模值），下降閾值設(shè)為 5（模值），在 5～3000的范圍內(nèi)即可算為一步，同時(shí)為了計(jì)步更加準(zhǔn)確，在程序中還加了腳的落地時(shí)間比較，即人的腳在地上的時(shí)間是有一定時(shí)間間隔的，通過(guò)這個(gè)時(shí)間間隔可以進(jìn)一步剔除那些因抖動(dòng)而不符合要求的步數(shù)，經(jīng)過(guò)不斷觀察和校驗(yàn)，這個(gè)時(shí)間間隔大約在 80ms～100ms。根據(jù)以上分析，可以得出計(jì)步的具體流程如圖5所示。

圖4.1 包絡(luò)加速度數(shù)據(jù)（10歲-20歲）

圖4.2 包絡(luò)加速度數(shù)據(jù)（20歲-40歲）

圖4.3 包絡(luò)加速度數(shù)據(jù)（40歲-55歲）

圖4.4 包絡(luò)加速度數(shù)據(jù)（55歲上）

圖4.5 包絡(luò)加速度數(shù)據(jù) (有抖動(dòng)的情況)

圖5 算法流程圖

為了檢測(cè)此電子計(jì)步器的精度，本論文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在右腳綁上簡(jiǎn)易計(jì)步器，測(cè)試10次，每次100步（單腳），測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電子計(jì)步系統(tǒng)由CC2541和MPU 6050組成，設(shè)計(jì)了一套特殊的組合算法和設(shè)置合理的閾值，即上升閾值3000，下降閾值5，以及落地時(shí)間90ms。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性、通信可靠等優(yōu)勢(shì)。CC2541采用6mm×6mm，MPU6050采用4mm×4mm的小尺寸封裝，此電子計(jì)步器可以最終設(shè)計(jì)為15mm×15mm的小尺寸儀器，嵌入到鞋中綽綽有余，同時(shí)基于MEMS傳感器的硬件系統(tǒng)具有功耗低、質(zhì)量輕、成本低、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在未來(lái)的電子行業(yè)具有較大的潛力。

[1]謝如花．步數(shù)檢測(cè)方法及在手腕式計(jì)步器中的應(yīng)用研究[D]．蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013．

[2] 王慶敏，楊要恩，蘇木標(biāo)，等．M EM S 微電容式傳感器的傳感特性研究[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22（10）：1396．

[3]張承岫，李鐵鷹，王耀力．基于 M PU 6050和互補(bǔ)濾波的四旋翼飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，29（7）：1011-1012．

[4]2． 4-G H z B l u e t o o t h? 低能 耗和私有片 載系 統(tǒng)(R e v． D)[EB/O L]. h t t p：//w w w.t i.c o m.c n/p r o d u c t/c n/C C 2541/t e c h n i c a l d o c u m e n t s，2013-7-30．

[5]M PU-6000a n dM PU-6050Pr o d u c t Sp e c i f i c a t i o nR e v i s i o n3.4[EB/O L]．

h t t p s：//s t o r e． i n v e n s e n s e． c o m/d a t a s h e e t s/i n v e n s e n s e/M PU-6050_D a t a Sh e e t_V3%204．p d f，2013-8-19．

[6]王犇，袁濤，梁燦．基于加速度特征點(diǎn)提取的步態(tài)身份認(rèn)證[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)自然版，2009，49(10)：25．

[7]侯向鋒，劉蓉，周兆豐．加速度傳感器在步態(tài)特征提取 中的應(yīng)用[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(3)：507-511．

[8]曹赟，周宇，許寅林．加速度傳感器在步態(tài)信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．信息化研究，2009，35(9)：51．

[9]韓文正，馮迪，李鵬，等．基于加速度傳感器 LIS3D H 的計(jì)步器設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(11)：98．

[10]LM 1117D a t a s h e e t，PD F ，C i r c u i t D i a g r a m，A p p l i c a t i o nNo t e s[EB/ O L]． h t t p：//w w w． a l l t h e i c． c o m/e l e c t r o n i c s-p a r t s/LM 1117/LM 1117-d a t a s h e e t．h t m l

Design of Pedometer Based on Bluetooth Chip CC2541

Huang YuanzhiHuang Ruiming
(Hua Qiao University,Xiamen 361021,Fujian）

In order to realize accurate step-counting in wearable equipment,an electronic pedometer system is designed,which is mainly composed of a Bluetooth chip CC2541and six-axis sensor MPU6050.A simply electronic pedometer system development kit is designed,which has the functions of motion detection,acceleration data processing and Bluetooth device terminal displaying. Experimental results indicate that the system is stability and accuracy when people take 100steps.This system can be designed as 15mm×15mm,which is small in size,simple in structure and consumes little power.It can satisfy the system requirements of stepcounting in precision.

six-axis sensor MPU6050;pedometer;low-pass filter;reasonable threshold;high precision

TP212.9

A

1008-6609(2017)05-0069-04

黃元植（1992-），男，福建三明人，碩士研究生，研究方向?yàn)閭鞲衅鲾?shù)據(jù)融合方面的應(yīng)用性研究。