CN105890619A - 基于三轴加速度传感器的计步器设计 - Google Patents

基于三轴加速度传感器的计步器设计 Download PDF

Info

Publication number
CN105890619A
CN105890619A CN201410834563.0A CN201410834563A CN105890619A CN 105890619 A CN105890619 A CN 105890619A CN 201410834563 A CN201410834563 A CN 201410834563A CN 105890619 A CN105890619 A CN 105890619A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pedometer
nrf905
acceleration sensor
axis acceleration
acceleration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN201410834563.0A
Other languages
English (en)
Inventor
陆婷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN201410834563.0A priority Critical patent/CN105890619A/zh
Publication of CN105890619A publication Critical patent/CN105890619A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明是基于一种三轴加速度传感器MMA7455和无线收发模块nRF905来实现计步的，主控制器采用TI公司的MSP430微处理器来实现数据采集、计步、信息传送控制等。该计步器具有记步信息实时传送、记步准确、功耗极低等特点。

Description

基于三轴加速度传感器的计步器设计
技术领域
步行对健康起到重要的作用，计步器就是在你走步的时候帮你计算一共走了多少步，是一个既经济又科学的小工具，一个小巧方便的计步器是不可或缺的。它是一种健康电子产品，计步器可以帮我们完成每天走步计数目标。计步器的开发研制对健康生活极其关键。它不仅仅是一个计数的机器，更是一个督促运动，与健康密切联系的必需品。该发明属于健康训练领域。
背景技术
以肥胖症为代表的各种慢性病，以及由此引发的如高血压、高血脂、高血糖、心脑血管病等并发症的发生率越来越高，而这很大程度归咎于现代都市的静态生活方式。研究发现适量的体育运动对预防此类疾病和保持正常体重起着重要作用。而对患病的人们来说，体育运动作为绿色药方对病人的康复非常关键。另外，老年人由于身体机能的降低也正经历着特别的风险，研究发现增加体育锻炼能够降低心血管病、II型糖尿病、癌症和骨质疏松等疾病的发生率。
为此，进行适量的体育运动是相当必要的。然而，“适量”通常是一个很主观的概念。一个立志减肥但意志力薄弱的人，可能少量的运动就会停止；而一个人遇到自己喜欢的运动时又很难停下来。运动过量会导致肌肉力量、协调性和最大工作能力下降、食欲降低、睡眠质量下降、失眠及抵抗力下降等，对人体健康产生很大损伤。
所以，为保障适量的体育运动，防止运动不足达不到预期效果和运动过量造成损伤，就需要一种便携式设备来量化并监测日常运动。计步器可以满足用户量化运动和自我监测的需求，使用户意识到运动的重要性，激励其运动并促进其制定合理的运动规划，起到锻炼身体增强免疫力的目的。
1.几种短距离通信传输方式的比较
在我们的项目，我们要创建一个可以传递有关的步骤为其他人来监控信息的计步器。有许多种类的短距离无线通信技术供我们选择。他们是红外线(IrDA)技术，蓝牙技术，无线上网(IEEE802.)技术和Zigbee技术。我们最终选择无线模式nRF905。
nRF905无线模块的介绍
nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。nRF905无线模块的特点与优势如下：
1)典型ShockBurst TX模式：
①、当应用MCU有遥控数据节点时，接收节点的地址TX-address和有效数据TX-payload通过SPI接口传送给nRF905应用协议或MCU设置接口速度；
②、MCU设置TRX_CE、TX_EN为高来激活nRF905 ShockBurst传输；
③、nRF905 ShockBurst：
无线***自动上电数据包完成(加前导码和CRC校验码)数据包发送(100kbps，GFSK，曼切斯特编码)；
④、如果AUTO_RETRAN被设置为高nRF905将连续地发送数据包直到TRX_CE被设置为低；
⑤、当TRX_CE被设置为低时，nRF905结束数据传输并自动进入standby模式。
2)典型ShockBurst RX模式
①、通过设置TRX_CE高，TX_EN低来选择ShockBurst模式；
②、650us以后，nRF905监测空中的信息；
③、当nRF905发现和接收频率相同的载波时，载波检测CD被置高；
④、当nRF905接收到有效的地址时，地址匹配AM被置高；
⑤、当nRF905接收到有效的数据包(CRC校验正确)时，nRF905去掉前导码、地址和CRC位，数据准备就绪(DR)被置高；
⑥、MCU设置TRX_CE低，进入standby模式低电流模式；
⑦、MCU可以以合适的速率通过SPI接口读出有效数据；
⑧、当所有的有效数据被读出后，nRF905将AM和DR置低；
⑨、nRF905将准备进入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。
3)成本
该nRF905的无线模型是很便宜。
4)信号覆盖
在200-300米的范围内，NRF905一般都能够覆盖，为实现无线传输提供了一个计步器可能。
发明内容
有关步数检测方法，很多文献做过这方面研究，分析发现检测方法主要分为两大类：一类是动态阈值的判断方法，根据采样数据动态计算阈值，当信号跨过阈值下方时记为有效步伐，这种方法是从正弦波形的下降区间判断步伐；另一类是峰值的判断方法，首先根据斜率查找信号峰值，再根据人体运动的加速度波形特征判断步伐，这种方法是从正弦波形的拐点处判断步伐。
本发明是基于一种三轴加速度传感器MMA7455和无线收发模块nRF905来实现计步的，主控制器采用TI公司的MSP430微处理器来实现数据采集、计步、信息传送控制等。该计步器具有记步信息实时传送、记步准确、功耗极低等特点。
具体实施方式
1.算法设计
当人跑步时，我们可以使用距离，速度和加速度来描述人类的运行的行为。基于加速度的特点，本文采用加速度的参数来模拟人类的运行模式。通过加速度传感器(MMA7455)，我们可以得到的人们加速度的模拟信号，经过信号处理的算法，该***可以计算步数的确切数字。
首先，定义的三个方向的加速度：垂直，前视图，侧视图。
MMA7455是一个三轴(X，Y，Z轴)的加速度传感器，其可以模拟输出的加速度信号，所以它可以被用作三个方向的传感器：垂直，前视图，侧视图。由MMA7455的3轴输出的数据是3个方向的加速度。
这是因为MMA7455的位置被放置可选的，而不是严格水平的，可选的位置的分析是必要的和有效的。限定了包含垂直和X，Y，Z轴之间的角度为A，B，C，则我们可以断定加速度在X的分量，Y，Z轴是：
Axv＝(cosav)Av，
Ayv＝(cosbv)Av，
Azv＝(coscv)Av，
用相同的理论，正面和侧面加速度在X的分量，Y，Z轴是
正面：
AxF＝(cosav)AF
AzS＝(cosav)AS
AyF＝(cosbv)AF，
边界：
Ayv＝(cosbS)Av
Azv＝(coscF)Av
Azv＝(coscS)Av，
因此，当有人正在运行时，在X中的加速度，Y，Z轴是：
AX＝AXV+AXF+AXS
AY＝AyV+AYF+AYS
AZ＝AZV+AZF+AZS，
通过MLB公司生产MMA7455 digital三轴加速度传感器是MMA7455模块的核心。所谓的加速度传感器MMA7455从高电磁兼容性设计的，它具有精度输出，体积小，清楚地标明，良好的扩展性等的MMA7455模块的主要参数包括三个轴的自我检查，工作在低电压的优势：2.4V～3.6V时，注册用户在指定偏移校准来使用，可编程阈值输出，电平移动(冲击，冲击，自由跌落)的区分，脉冲检测，区分单脉冲或双脉冲，64个灵敏度LSB/g的10位模式下，8位模式可以选择其中2G，4G，8G的灵敏度。
2.硬件设计
2.1单片机性能和工作原理
微型计算机具有体积小、价格低、使用方便、可靠性高等一系列优点，所以一问世就显示出强大的生命力，现今微处理器已经渗透到人类生活的各个领域。在应用于智能化仪器仪表、通信设备等领域时，要求的运算、控制功能相对并不是很复杂，但对体积、成本、功耗等的要求却比较苛刻。为适应这方面的需求，产生了一种将中央处理器、存储器、I/O接口电路以及连接它们的总线都集成在一块芯片上的计算机，即所谓的单片微型计算机，简称单片机。
对于便携式电子产品来说，选用微处理器芯片时，除了考虑***时钟频率和内存(RAM)的大小外，还要考虑***低功耗的要求，因为待机能耗是制约便携式产品发展的关键因素。所以本设计选用以超低功耗著称的德州仪器(TI)的MSP430系列单片机，根据设计的选型要求和芯片特点，经综合考虑，***选用MSP430芯片，其具有256kB的flash存储器，18kB的RAM，20MHz的***时钟、I2C通信接口以及16位Timer，此型号在同系列芯片中拥有最大的RAM及很快的处理速度，其特点完全满足本设计的需求。
2.2传感器选择与工作原理
测量人体运动时，使用三轴加速度传感器比其他传感器更能准确的对运动进行检测和评估，对人类健康和移动医疗意义重大。为了准确的反映人的运动特征，本发明亦选用三轴加速度传感器测量人体运动加速度。
本发明的运动检测芯片选用意法半导体((STMicroelectronics)公司推出的MEMS传感器MMA7445，它集成有三轴磁力计和三轴加速度计，直接输出数字信号，所以采样得到的信号就不必再做模数转换。三轴加速度计采用12位ADC，可以达到lmg的测量精度。芯片采用((3X 5X lmm)LGA封装，尺寸比以前的芯片进一步缩减。另外，MMA7445内置应用层FIFO单元和睡眠/唤醒功能，可解决芯片级和***级的能效问题，其工作功耗仅为110uA，是便携式电子产品的理想选择。
3.传感器三轴输出的实际意义
此加速度传感器是16位数据输出，采用高八位和低八位的输出方式，由于加速度的灵敏度采用12位表示，所以为了把输出结果与实际意义相对应，需要舍弃最低的四位数据，所以对输出的原始数据进行组合和右移4位运算，具体操作如下：
AXISes X＝(z16_t)((valuell＜＜8)I valueZ，)；4；
AXlSes Y＝(z16_t)((valuell＜＜8)I valueZ，)；4；
AXISes Z＝(z16_t)((valuell＜＜8)I valueZ，)；4；
由于采用12位表示，除去第一位符号位，输出的十六进制转换为十进制后表示的满量程大小为211＝2048。在选定了量程后，灵敏度也随之确定，即2mg/LSB，则输出数据为1时表示的加速度大小为2mg，并且2048X 2mg/LSB＝2048mg，约为4g，正好符合要求。
那么就可以计算出，当输出数据转化成十进制数是_512时，代表1g的加速度，其他输出值对应的加速度大小可以类似计算。
4.无线收发模块
无线收发模块采用nRF905，该模块采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器—个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。在ShockBurst RX模式中，地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。在ShockBurst TX模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪DR信号通知MCU数据传输已经完成。总之，这意味着降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本，又同时缩短软件开发时间。

Claims (2)

1.本发明的计步器采用三轴加速度传感器MMA7455和无线收发模块nRF905来实现计步。
2.该计步器的主控制器采用TI公司的MSP430低功耗处理器，具有功耗低、处理速度快等特点。
CN201410834563.0A 2014-12-25 2014-12-25 基于三轴加速度传感器的计步器设计 Withdrawn CN105890619A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410834563.0A CN105890619A (zh) 2014-12-25 2014-12-25 基于三轴加速度传感器的计步器设计

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410834563.0A CN105890619A (zh) 2014-12-25 2014-12-25 基于三轴加速度传感器的计步器设计

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105890619A true CN105890619A (zh) 2016-08-24

Family

ID=56701267

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410834563.0A Withdrawn CN105890619A (zh) 2014-12-25 2014-12-25 基于三轴加速度传感器的计步器设计

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105890619A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106679691A (zh) * 2016-12-22 2017-05-17 广东欧珀移动通信有限公司 一种计步器数据的调整方法、装置及移动终端

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102095429A (zh) * 2010-11-05 2011-06-15 吉林大学 基于链码算法的蓝牙计步器
CN102818913A (zh) * 2012-07-31 2012-12-12 宋子健 一种人体运动信息检测装置及其检测方法
CN103134520A (zh) * 2013-03-07 2013-06-05 南京中科盟联信息科技有限公司 一种支持自动微博数据同步的计步器设备及其同步方法
CN103148864A (zh) * 2013-04-03 2013-06-12 哈尔滨工程大学 通用微机电***计步器及计步方法
CN103616034A (zh) * 2013-12-10 2014-03-05 山东省计算中心 一种基于蓝牙的网络计步器及计步方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102095429A (zh) * 2010-11-05 2011-06-15 吉林大学 基于链码算法的蓝牙计步器
CN102818913A (zh) * 2012-07-31 2012-12-12 宋子健 一种人体运动信息检测装置及其检测方法
CN103134520A (zh) * 2013-03-07 2013-06-05 南京中科盟联信息科技有限公司 一种支持自动微博数据同步的计步器设备及其同步方法
CN103148864A (zh) * 2013-04-03 2013-06-12 哈尔滨工程大学 通用微机电***计步器及计步方法
CN103616034A (zh) * 2013-12-10 2014-03-05 山东省计算中心 一种基于蓝牙的网络计步器及计步方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106679691A (zh) * 2016-12-22 2017-05-17 广东欧珀移动通信有限公司 一种计步器数据的调整方法、装置及移动终端

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10213648B2 (en) Method and apparatus for measuring power output of exercise
CN201839875U (zh) 一种运动鞋
CN101692977B (zh) 一种多参数生物信息测试平台及测试方法
CN104856706A (zh) 膝关节力学特征测试仪器
CN103417201A (zh) 一种采集人体姿态的体育运动辅助训练***及其实现方法
CN205612924U (zh) 一种基于无线充电的智能跳绳
CN106725381A (zh) 一种智能健身运动手环
CN103206962A (zh) 基于接近式传感的电子计步器
CN108186024A (zh) 一种运动步态监控仪及多参数传感器数据处理方法
CN107596617A (zh) 一种多功能智能跳绳装置
CN203657814U (zh) 一种基于物联网的全功能计步器
CN103604441A (zh) 一种计量步伐数的***、方法及移动终端
CN105574471B (zh) 用户行为数据的上传方法、用户行为的识别方法及装置
CN102571162B (zh) 基于广播数据包的跳绳过程数据传输方法
Ren et al. Monitoring of human body running training with wireless sensor based wearable devices
CN102510302B (zh) 跳绳过程数据格式集基于蓝牙低功耗技术的传输方法
CN105890619A (zh) 基于三轴加速度传感器的计步器设计
CN205850128U (zh) 一种运动冲刺、转身、跳跃的判别与评估***
CN204192584U (zh) 武警智能化单兵运动监测及生命体征预警救助***
CN203482407U (zh) 一种基于Zigbee的定向越野通信节点及运动监测装置
CN202961753U (zh) 一种基于视频动作识别技术的乒乓球训练辅助用仿真手柄
CN203704944U (zh) 一种计量步伐数的***及移动终端
CN108272443A (zh) 可穿戴式手功能状态监测***及设备
CN203432590U (zh) 一种具有采集和传输数据功能的计步器
CN203424396U (zh) 一种运动指标测量鞋垫

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20160824

WW01 Invention patent application withdrawn after publication