基于三轴加速度计的计步器设计

论文总字数：22123字

目 录

1.引言 4

1.1 研究的背景,目的与意义 4

1.2 国内外相关问题的研究现状 5

1.3 本文的研究内容 7

2.计步器系统总体设计 7

2.1 功能分析 7

2.2 需求分析 7

2.3 计步器总体设计 8

3.硬件设计 9

3.1 硬件介绍 9

3.1.1 MSP430F149 9

3.1.2 MPU6050 三轴加速度计 9

3.1.3 GPS模块 10

3.1.4 ATK-HC05 蓝牙模块 10

3.2 电路设计 11

3.2.1 MSP430F149最小系统设计 11

3.2.2 MPU6050 14

3.2.3 HC-05 15

3.2.4 NEO-6M 16

4.软件设计 17

4.1 数据采集 17

4.1.1 调试平台CCS 17

4.1.2 开发操作 18

4.1.3 采集数据 19

4.2 数据处理 19

4.3 滤波处理 19

4.3.1 噪声干扰 19

4.3.2 数字滤波 19

4.4 算法设计 20

4.4.1 运动参数 20

4.4.2 设计算法 21

4.5 实验确定参数阈值 23

4.5.1 时间窗口的设定 23

4.5.2 动态最值之差 23

5.模块调试 24

5.1 GPS模块分析 24

5.1.1模块与单片机连接 24

5.1.2 u-center 软件使用简介 24

5.2 蓝牙调试 25

6.实验及结果分析 28

6.1 计步精确度测试 28

6.2 结论 30

参考文献： 31

致 谢 33

1 引言

1.1研究的背景,目的与意义

最新发布的《全球营养不良状况报告》显示，中国的肥胖人数已经超过了3.5亿，儿童就占到了6%，肥胖是我们目前面临的最棘手问题之一。肥胖不仅会导致身体臃肿，行动不便，影响工作效率，而且可能会极大地影响身心健康。脂肪过多地堆积在肝脏里，会造成脂肪肝；容易诱发动脉硬化，引发心脏病等危险疾病；也会降低人的免疫力，可能会造成焦虑，抑郁等心理疾病，严重地影响了生活质量。

造成肥胖人群剧增的根本原因：饮食习惯的不合理和生活方式不合理。通常有效的减肥方法有四个：节食，运动，药物，吸脂，其中既健康有效又简单方便的就是合理运动。因此，进行适度的运动是大好选择，可是关键在于怎么把握好这个度。运动有益于健康是肯定的，但适合自己的运动量才能使运动的达到最好的效果。如果运动不足，也许只起到安慰的作用；但如果运动过度，会造成肌肉受损，身体疲累，机体免疫功能可能会受损，影响身体健康。

因此，我们需要一款既便携又操作简单的设备，能随时监控及时反馈出日常的运动量，来达到运动的最佳效果。计步器就很好的发挥了作用：保障适度的运动量。不仅量化了运动，起到监测反馈运动量的作用，而且能鼓励用户制定制定合理化的运动方案，达到坚持锻炼增强体质的作用。

随着，生活水平的日益改善，人们对自身健康的重视意识也不断提高，计步器也逐渐被认可，被广泛地使用。计步器，顾名思义就是计算步数，不管在什么运动状态，都能有很好的反馈。同时，计步器通过步数、时间、距离这些数据，可以将运动消耗的热量推算出来。随着技术的突破，更多的功能可以搭载到计步器，指南针，心率计，气压计等等，计步器在运动锻炼中更加的专业，重要，不可缺少。

1.2国内外相关问题的研究现状

计步器有两种类型：机械式，电子式。机械式计步器的原理：内部平衡锤的摆动带动上面的磁铁摆动，磁铁会产生相应的电脉冲，步数就会通过计数电路得出。机械式的优点就是结构简单，成本低，但缺点也很明显，它的准确性很低，灵敏度也差。不同于机械式计步器，电子式使用的震感电子元件极其灵敏，可以随身携带，随意部位。优点是体积小，比较便携，计步结果更为准确。

谢如花（谢如花，2012）她的步数检测方法设计地很成功，并把它运用在手腕式计步器上。她的研究大致思路：首先，根据人体运动状态建立动态模型，分析运动时手腕加速度的周期性变化，并根据输出的波形，设计出合理的步数检测方法。判断动态阀值和峰值检测是常用的检测步数的方法。动态阀值检测在跑步状态检测到的步数比较准确，但在步行状态就不可靠了，漏掉了很多步伐，对于手腕上的应用，动态阀值的方法不能准确的检测步数。不采用两点作为数据做差进行判断峰值，本文采用的是区域查找，并把查找到的峰值与附近的峰值进行比较，得出真的峰值。然后，利用加速度传感器采集三轴数据，设计出精简的硬件方案，最后，并把步数检测方法应用于手腕式计步器。考虑了各种情况的波形，并将它们一一列出，每种情况都做详细的分析，并做数字滤波，确保了手腕式计步器方便佩戴的同时，也保证了高精度的特点。

高旭东（高旭东，2014）他设计的计步器系统可以精准地判断奶牛牛发情，不仅提高了准确率，也极大地降低了人力成本，奶牛养殖的经济效益得到了快速提升。奶牛发情检测器（计步器）在国外使用普遍，基于发情的母牛一天行走量是正常母牛的2倍左右，使用计步器判断奶牛发情的准确率在90%以上。三维加速度传感器的计步功能日益完善，利用这一技术的成熟，可以准确地计算出奶牛的运动量，根据运动量来判断出发情状况，并将这些有效信息全部上传至软件，实现对奶牛的全天候监测，一方面节省了人力资源，另一方面实时掌握奶牛的运动情况。张雨来（张雨来，2011）通过测量人体走路时产生的加速度信号，设计了为病人检测自己状况的便携式的计步器。

严志航（严志航，2014）提出的了将一种新的计步器算法：将信号处理技术和模式算法相联系，规范合理地使用这种算法，最终结果的精准度会较高。为了排除温度等因素给加速度传感器信号带来干扰，，设计了解决方法：使用跨步长的滑动滤波器，分离出基线信号和细节信号。然后，使用哈尔小波对周期性明显的竖直方向的信号进行分级滤波处理，采用阀值的方法将信号中有步伐触底的细节信号进行检测。花蓓蓓（花蓓蓓，2008）设计一种基于计步器和加速度传感器的定位系统：能够对煤矿井下人员进行同步、连续、精确定位，定位信息能实时反馈，使管理者能够实时掌握井下人员情况，也能实时查询他们的各种信息。在现有的定位技术基础上，改进了对井下人员准确定位的方式。研究了系统实现的关键技术，主要包括BP步长预测模型和WebGIS图形控件的设计，详细阐述了BP步长预测模型的建立过程和预测结果。

Brusseau （Brusseau等，2008）一个巨大的多样化的样本调查学生的PA模式在各细分活动。每天每日步骤四年级和五年级儿童模式变量，可以作为基线测量的医生和研究人员在学校使用基于PA干预措施。 bridgette elizabeth（bridgette elizabeth等，2012）找到一种方法,准确、客观地衡量青少年的身体活动模式，digi-walker计步器的已被证明是准确的,具有成本效益的、谨慎的方式来衡量儿童以及成年人的身体活动。

综上，对于计步器的研究与设计，他们不光在算法上做了优化，对于滤波的处理更加准确，进而计步器的结果也更加精准。而且，对于计步器的功能上也有突破，并服务于社会生活中，让我们人类受益。国内计步器设计的相对于在产品作用有改进，不断增发新功能，他们的设计更多地考虑了实用性，运用嵌入式增添了其他的许多功能，或者与其他的运用起来，简洁灵活，方便我们的日常生活。国外的计步器设计多偏向于群体调查，用来测量这个群体的某个指数，通过大范围和大批量的数据，来分析并得出他们的调查结论。他们是把计步器作为一个载体，收集数据，测量别的指标，分析数据，得出结论。

他们在计步器的设计上有一定的改进，但在实际费用上没有做到很好的控制，而且在显示端做得有些欠缺，显示的内容不够丰富，看显示屏幕不太方便。如今的智能手机迅速普及，而且都是随身携带，我们可以将计步器与手机APP连接起来，通过蓝牙串口模块传输，将时间，位置，步数等情况实时反馈，可以随时根据反馈调节运动。相比用显示模块，这样不仅经济，而且在手机APP端看信息既方便又舒适。

现在的计步器都是往便携式方向发展，佩戴在手上很方便，但手臂运动是做出来的有规律性振动和无规律振动都有，在滤波的时候就很复杂。如果人在原地踏步或者原地摆臂，手臂振动的效果那就跟走路很类似，这个情况处理有较高难度。如果放在小腿部，小腿紧跟着身体振动，振动的频率一致，振动幅度也较大，产生的无效扰动很少。佩戴在小腿部位，输出的信号更为强烈，得到的波形更为完整，而且波形的干扰也较少，有利于分析判断步数，得出计步结果也更为准确。确保了计步器准确度的同时，也简化了数据采集，滤波处理等操作，降低了难度和复杂度。

1.3本文的研究内容

针对上述计步器设计生产成本高，显示信息不丰富等问题，本文的主要内容通过MSP430F149采集MPU6050三轴加速度计数据，对加速度计进行拟合运算，根据加速度计计步器实现方法，实现计步器功能，并且在手机APP上可以实时显示步数，位置，时间等信息。

计步器要能够适用各种运动状态，步行，跑步，上下楼梯，每种状态身体都会做出有规律的振动，但他们振动的规律并不一样。我们通过三轴加速度传感器来采集身体加速度变化的数据，输出的数据用波形显示，通过对波形的处理来识别步数。

运动的时候，人体的重心会发生这三个方向的变化：前向、纵向和侧向，所以，我们在测量加速度变化的时候就需要用三轴加速度计采集这三个方向的数据。通过测量加速度变化来计算步数的计步器，在实际测试中准确度可到95%以上。这种还是比较靠谱的，再加上它的便携性，在现实生活中已经普遍使用。

利用三轴加速度器同时收集三个方向的加速度数据，得到三轴加速度周期性变化的波形。首先需要对波形进行滤波处理，除去那些对实验造成干扰的杂波，使我们得到的数据更加准确。然后加速度取模，然后加一个低通滤波器,滤波窗口大小一般为300ms - 500ms，因为人的步频大概就是这个量级。步数的判断方法：检测峰值，并判断是否超过阈值，如果超过就是一步，没有就超过就不算，参数阀值的大小需要根据具体的实验确定。

根据实际输出的波形，设计出合理的算法，得出计算步数的方法，参数阀值还需要实验来进一步地确定。得出算法后，通过对比试验，查看计步器的准确度。本文就是通过三轴加速度器采集数据来实现计步的功能。首先是基本硬件的分析，介绍单片机芯片MSP430F149和三轴加速度传感器MPU6050，他们的电路原理图，特点，引脚，连接方式，搭载出本文的硬件框架。然后获取加速度传感器采集的信号，对三轴进行仔细分析，采用合理的计算方式，并对杂波进行有效的滤波处理，使得分析结果更精确。设计出有效的步数计算方法，参数阀值通过实验确定并反复校验。最后，再通过实验检验计步器的准确度。

2.计步器系统总体设计

2.1 功能分析

针对传统计步器的佩戴不方便，精度不够高，性能不稳定，生产成本高，显示信息不丰富等问题，本设计利用MSP430F149采集加速度感应器MPU6050 的三轴数据，对数据进行处理，设计出合理的算法，得出计算步数的方法，实现计步的功能，并在手机APP上可以实时显示步数等有效信息。

2.2 需求分析

1. 便携性

传统的计步器设备多数体积较大，佩戴不方便，占据大量空间，使得佩戴的人运动的时候不太舒服，为克服佩戴不方便的缺点，硬件部分应尽可能的压缩体积，控制重量，提升佩戴的舒适度。

1. 稳定性

在实际的运动过程中，整个系统是在振动的状态，系统要在这种状态下能够准确的记录数据，达到高精度的要求，需要有较强的抗干扰能力。周围的环境多多少少存在着电磁辐射干扰，可能会对系统的蓝牙串口模块造成影响，所以系统必须能稳定的工作。

3.低成本

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