CN110227250A - 基于processing的健身娱乐设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于processing的健身娱乐设备，包括：主控制器、OLED显示屏、振动马达、陀螺仪加速度计模块、通信模块和脉搏心电测量模块，所述的振动马达，用于产生多种振动效果，所述的振动马达通过主控制器的数字信号口进行控制，通过PWM控制马达的震动强度及频次产生多种互动效果和进行震动提醒；所述的陀螺仪加速度计模块，用于在设备移动过程中实时地计算包括加速度和三轴运动的角度信息，并将这些信息传送到主控制器，所述的陀螺仪加速度计模块使用标准IIC通信协议。

Description

基于processing的健身娱乐设备
技术领域
本发明属电子通信领域，涉及一种基于processing的与上位机进行交互的健身娱乐设备。
背景技术
Processing是一门及趣味性，交互性于一体的编程语言，通过编程来实现预想的效果，含有超过100个核心库，扩展性极强，此外，它还被应用于艺术、设计领域。processing具有支持2D，3D，PDF或SVG输出的交互式程序示例，包含用于加速2D和3D的OpenGL集成，适用于GNU/Linux，MacOSX，Windows，Android和ARM，同时可以应用于树莓派等嵌入式设备上。同时，它可以用作为游戏和互动娱乐的平台，然而，以往都是将鼠标作为操控工具，通过鼠标的拖动和点击进行相应的操作，这种控制方法适用于办公，但对于健身娱乐来说，却限制了活动的空间，同时也降低了交互体验。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于processing的与上位机进行交互的健身娱乐设备。为了达到上述目的，本发明所采用以下：
一种基于processing的健身娱乐设备，包括：主控制器、OLED显示屏、振动马达、陀螺仪加速度计模块、通信模块和脉搏心电测量模块，其特征在于：
所述的主控制器至少包含1个串口，用于和通信模块通信，并支持IIC/SPI协议，实现与显示单元和陀螺仪加速度计模块的安全通信，同时需要一定的带负载能力，同时具有能实现PWM功能的I/O端口，可直接驱动振动马达完成多种模式的振动工作；
所述的OLED显示屏用于将所述的主控制器发出的或通信模块得到的数据，包含设备信息、运动信息及消息信息实时地显示；
所述的振动马达，用于产生多种振动效果，所述的振动马达通过主控制器的数字信号口进行控制，通过PWM控制马达的震动强度及频次产生多种互动效果和进行震动提醒；
所述的陀螺仪加速度计模块，用于在设备移动过程中实时地计算包括加速度和三轴运动的角度信息，并将这些信息传送到主控制器，所述的陀螺仪加速度计模块使用标准IIC通信协议。
上述设备所采用的控制方法如下：当使用者在进行健身或娱乐的时候，陀螺仪加速度计模块将手臂加速度和手臂的三轴动作数据进行实时采集，并传给主控制器，主控制器根据所提取到的手势和加速度信息，由预先制定的手势规则和力度效果，将信息编码为相关的控制命令；同时，使用者运动过程中的心率脉搏数据，由脉搏心电测量模块采集，并经主控制器将数据处理后经由串口通信模块，传送到运行processing程序的上位机终端，回传数据后，产生不同的视觉效果，包括脉搏的波动加大使得游戏速度加快，运动达到一定强度会有特效和道具奖励；并根据预先设定的运动时间和运动量指标，主控制器在运动达标的时候，向振动马达发出PWM控制信号，振动马达回因PWM波形不同，而产生不同的振动效果。
主控制器将通信模块收到的来自上位机程序的数据或控制信号，编码为PWM波，这种PWM波可作为奖励或惩罚信号，传给振动马达，实现多种交互效果。
本发明的有益效果为：
(1)解决了processing没有专门用于互动娱乐的工具的问题。
(2)从以往的有线控制，变成了无线控制，使用者不必坐着进行操控，可以站着，并且可以做出原地跑、跳等动作，解放了活动空间，扩展了软件的使用范围。
(3)脉搏心电测量模块可以在健身娱乐的同时，进行实时的数据采集及上传，processing可以根据脉搏数据和心率产生指标在游戏中产生各种特效和道具，增强科学性和趣味性。
(4)使用振动马达模块，可以在使用者游戏失败、操作不当时给予互动性的惩罚，同时可以根据使用者的设定，进行适时的提醒。
附图说明
图1***结构图
图2主要模块的工作流程图
具体实施方式
本发明将设备做成护腕样式，在腕部佩戴，其中的脉搏和心率传感器安排在紧贴皮肤一侧。在进行健身或娱乐时，陀螺仪加速度计模块会将手臂加速度和手臂的三轴动作数据进行实时采集，并传给主控制器，主控制器会将手势和加速度信息，由预先制定的手势规则和力度效果，将信息编码为相关的控制命令，这些控制命令，通过蓝牙模块发出，上位机在收到后，会根据控制命令的不同，对应不同的视觉效果；同时，主控制器会根据运动数据和用户的预先设定信息，触发振动马达，实现交互效果；同时，使用者运动过程中的心率脉搏数据，也会直观的传送到上位机端，上位机屏幕合理的视觉效果，比如脉搏的波动而使得游戏速度加快，运动达到一定强度会有特效和道具奖励等，更能激发健身或娱乐体验者的使用热情。
本发明提供了一种基于processing的与上位机进行交互的健身娱乐设备。为了达到上述目的，本发明所采用以下：
主要硬件组成包括：Atmega 2560主控制器、OLED显示屏、振动马达、MPU-6050模块、HC-05蓝牙模块、脉搏心电测量模块、电池模块。
Atmega 2560主控制器。具有足够大的内存空间为我们使用操作***提供硬件支持，多达4个的硬件串口支持我们连接多种数据采集模块，可通过3种方式供电，提高了灵活性和可用性。
OLED显示屏。OLED由于同时具备自发光，不需背光源、能够很好地节省电能，同时对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、使用温度范围广。
振动马达，使用MOS放大驱动，可以直接通过主控制器的数字口进行控制，可通过PWM控制马达的震动强度产生互动效果和进行震动提醒。
陀螺仪加速度计模块采用MPU-6050模块。它集成了三轴陀螺仪加速度计模块和三轴加速度，使用标准IIC通信协议，芯片内置16bitAD转换器,16位数据输出，保证了传感的精度。
通信模块采用HC-05蓝牙模块。主从一体的蓝牙模块，可以通过串口与主控制器连接，与手机电脑等蓝牙设备进行通信，通过AT指令，进行相关的配置操作。
脉搏心电测量模块。可以捕捉微小的心率信号，过滤掉外部干扰。
连接方式：Atmega2560固定于腕带上，腕带的内侧固定脉搏心电模块，脉搏心电模块通过杜邦线连于Atmega2560,小块的面包板固定于Atmega2560的上面，并将Atmega2560的供电端连在面包板上，用于固定和支撑陀螺仪加速度计模块等其他的传感器显示屏和按键，OLED显示屏和按键固定在面包板上，并将通信的接口连在主控制器上，振动马达固定于腕带的外侧，和Atmega2560有PWM功能的端口相连,HC-05与主控制器的串口相连，MPU-6050与主控制器能进行IIC通信的端口相连。
控制方法包括下面的几个方面：
(1)在设备接通电源后，陀螺仪加速度计模块可检测设备是否处于运动状态，同时由脉搏心电测量模块会将信号传回主控制器，综合传感信息判断使用者是否已经佩戴好设备，一旦确认为工作状态，控制器会将设备由休眠低功耗模式切换到工作模式；
(2)在进入工作模式后，可以通过按键来切换健身或娱乐项目和设定提醒，按键的操作信号，会传给主控制器，主控制器会根据健身或娱乐项目的不同，执行不同的数据处理程序，同时，主控制器会将这些控制信息，实时地显示到显示单元，同时，在连接上位机后，按键的控制指令会由主控制器处理，经串口由通信模块发往上位机，进行上位机切换不同娱乐主题的操作；
(3)当使用者在进行健身或娱乐的时候，陀螺仪加速度计模块会将手臂加速度和手臂的三轴动作数据进行实时采集，并传给主控制器，主控制器会将手势和加速度信息，由预先制定的手势规则和力度效果，将信息编码为相关的控制命令，这些控制命令，经串口由通信模块发出，上位机在收到后，会根据控制命令的不同，实现不同的控制目的和表现效果；同时，使用者运动过程中的心率脉搏数据，也会由脉搏心电测量模块采集，并经主控制器将数据处理后(清洗、简化、再编码)经由串口通信模块，传送到运行processing程序的上位机终端，程序的控制信号来自上位机串口接收到的设备单元发来的编码信号，设备传来的这些信号，会在程序预先设定的逻辑下，控制程序或传给程序数据，以产生不同的视觉效果，比如脉搏的波动而使得游戏速度加快，运动达到一定强度会有特效和道具奖励等，更能激发健身或娱乐体验者的使用热情。同时，可以根据预先设定的运动时间和运动量等指标，主控制器会在运动达标的时候，向振动马达发出PWM控制信号，振动马达回因PWM波形不同，而产生不同的振动效果，同时，主控制器也可以将通信模块收到的来自上位机程序的数据或控制信号，编码为一种PWM波，这种PWM波可作为奖励或惩罚信号，传给振动马达，实现多种交互效果。
本发明的实质性特点为：
1.使用陀螺仪加速度计模块和加速度计代替传统用鼠标对processing进行控制的方式，可根据力度和三轴的姿态编码控制指令，其中，手的俯仰对应鼠标的上下滑动，手的滚转对应鼠标的左右滑动，大的力度挥动，依据方向的不同对应点击和撤销指令。
2.在体感控制设备上，加入了脉搏等身体指标，身体指标也作为了体感控制的“命令”。
3.腕式的体感健身娱乐设备。
4.心率数据上传processing,数据的可视化。

Claims (3)

1.一种基于processing的健身娱乐设备，包括：主控制器、OLED显示屏、振动马达、陀螺仪加速度计模块、通信模块和脉搏心电测量模块，其特征在于：
所述的主控制器至少包含1个串口，用于和通信模块通信，并支持IIC/SPI协议，实现与显示单元和陀螺仪加速度计模块的安全通信，同时需要一定的带负载能力，同时具有能实现PWM功能的I/O端口，可直接驱动振动马达完成多种模式的振动工作；
所述的OLED显示屏用于将所述的主控制器发出的或通信模块得到的数据，包含设备信息、运动信息及消息信息实时地显示；
所述的振动马达，用于产生多种振动效果，所述的振动马达通过主控制器的数字信号口进行控制，通过PWM控制马达的震动强度及频次产生多种互动效果和进行震动提醒；
所述的陀螺仪加速度计模块，用于在设备移动过程中实时地计算包括加速度和三轴运动的角度信息，并将这些信息传送到主控制器，所述的陀螺仪加速度计模块使用标准IIC通信协议。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所采用的控制方法如下：当使用者在进行健身或娱乐的时候，陀螺仪加速度计模块将手臂加速度和手臂的三轴动作数据进行实时采集，并传给主控制器，主控制器根据所提取到的手势和加速度信息，由预先制定的手势规则和力度效果，将信息编码为相关的控制命令；同时，使用者运动过程中的心率脉搏数据，由脉搏心电测量模块采集，并经主控制器将数据处理后经由串口通信模块，传送到运行processing程序的上位机终端，回传数据后，产生不同的视觉效果，包括脉搏的波动加大使得游戏速度加快，运动达到一定强度会有特效和道具奖励；并根据预先设定的运动时间和运动量指标，主控制器在运动达标的时候，向振动马达发出PWM控制信号，振动马达回因PWM波形不同，而产生不同的振动效果。
3.根据权利要求2所述的设备，主控制器将通信模块收到的来自上位机程序的数据或控制信号，编码为PWM波，这种PWM波可作为奖励或惩罚信号，传给振动马达，实现多种交互效果。
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