基于蓝牙芯片CC2541的计步器设计

黄元植 黄锐敏

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门 361021）

基于蓝牙芯片CC2541的计步器设计

黄元植 黄锐敏

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门 361021）

为了实现穿戴式计步器准确计算步伐，本论文设计了一种基于蓝牙芯片 C C 2541和六轴传感器 M PU 6050的电子计步器系统。在开发过程中，自主设计了一个简易的电子计步器系统开发板，实现了运动姿态的检测，加速度数据处理和步数在蓝牙设备终端显示。实验结果表明：在走 100步时，具有较可靠的稳定性及准确性。该电子计步器可设计为 15m m× 15m m的小体积仪器，且结构简单、功耗低、抗振动冲击能力强，能够满足较高精度的计步测量要求。

六轴传感器 M PU 6050；计步器；低通滤波器；合理阈值；高精度

1 引言

肥胖是万病之源，运动和控制饮食则是科学、正确的减肥方法，而步行作为科学、安全、时尚的运动方式在国内外受到越来越多人群的青睐，也成为科学减肥的有效方法之一[1]。计步器是一种日常生活锻炼有效而方便的监控器 ，可以计算人们行走的步数，估计行走的距离，实时监控自己健身强度和运动水平。

早期的计步器是利用加重的机械开关检测步伐，人走动时会产生振动从而触发开关，再由一个简单的计数器记录并显示步数，这被称作机械式计步器。这种计步器结构简单，价格便宜，但是准确度和灵敏度都较低，且只适用于悬挂在腰部，否则会不准确，目前已被淘汰。20世纪90年代，微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）研究的突飞猛进,它是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技,具有体积小、质量轻、性能稳定、响应快、可靠性高、频带宽、成本低等特点，利用MEMS技术设计的计步器克服了机械式计步器准确度和灵敏度低的缺点，可以准确地进行运动姿态的检测并分析数据，从而计算步伐[2-3]。

本 文采用 蓝牙芯片 CC2541[4]和六轴传感器 MPU6050[5]设计了一种电子式计步器。CC2541是德州仪器（TEXES INSTRUMENTS）公司设计的 2.4-GHz Bluetooth TM 低能耗和私有片载系统。MPU 6050是由美盛（InvenSense）公司设计的六轴运动处理组件，免除了组合陀螺仪与加速度器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。本论文中设计的基于蓝牙芯片CC2541和六轴传感器MPU6050的电子计步器可以有效检测人行走时的步态加速度信号[6-8]，具有体积小、功耗低精确度和灵敏度高的特点。该计步器内置于鞋中，准确地测量脚加速度的变化，从而得出步数以及行走的距离。

2 人体的运动姿态模型

六轴传感器MPU6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速度器的姿态模块，经过实验的测试比较，单单3轴加速度器就可以很好地完成数据测量任务。本文通过求取3轴加速度的模值，得出模值的波形，再设置上下沿的阈值，比较阈值后可较准确得出步数。

因测试条件限制，在实验过程中我们将自制电子计步器绑在脚踝上来模拟其应用在鞋内，因其相差距离小，故二者测试条件是相像的。为了充分利用传感器输出的三轴加速度信号，故本文将三轴加速度信号求取平方和(求模)后再进行数据处理，原本加速度三轴模值的数据应该会是在G (9.8m/s2)附近，但是为了方便显示，故在程序中将 G(9.8m/s2)直接标定为0，通过MATLAB编写接口程序，行走过程中加速度(模值)的变化规律如图1所示。图 1显示加速度的模值是一个不断抖动的过程，脚上升下降使得加速度(模值)变化可以整体看作在一个包络范围内，因为通常情况下，人的步伐频率范围是在 4steps/s～0.5steps/s，正常情况下是 1steps/s，则可以认为原始信号中 0.5Hz～4Hz 为有效信号[9]，再通过设计一个低通滤波器，去除高频噪声，保留部分有用的信息，通过MATLAB编写接口程序，效果如图2所示。而且在图1中可以看到，加速度（模值）的变化过程中会出现不连续，这会对后面步伐的阈值判断产生一定的影响，容易造成多计几步，经过低通滤波器后，加速度(模值)曲线变化更加平滑，且在曲线末尾，呈现振荡下降，使得通过阈值判断步伐更加准确，但是由于低通滤波后会有交流的分量存在，故图2中出现了加速度（模值）负的分量，不过可以通过条件判断将这部分去除。

图1 三轴加速度变化

图2 滤波后三轴加速度变化

3 硬件设计

本电子计步器系统主要由电源模块 LM1117[10]、信号采集模块MPU6050、信号处理及传输模块组成，系统硬件原理图如3所示。

图3 系统硬件原理

3.1 电源模块

LM1117是美国国家半导体（National Semiconductor）公司的一款低压差电压调节器，输出电流可达1A，可调节三端可输出固定 1.5V～5V 的电压，极低的静态电流，且有电流限制和热保护功能。在接上纽扣电池后，可以稳定输出3.3V电压给整个系统供电。

3.2 信号采集模块

本系统采用 MPU6050加速度传感器来采集加速度数据。MPU6050是美盛（InvenSense）设计全球首例整合性6轴运动处理组件，支持 2.5V～3.3V 的输入电压，三轴加速器提供的测量范围为±2g、±4g、±8g 与±16g，一个片上 1024Byte 的FIFO（先入先出）的存储区，因此能为系统提供稳定准确的三轴加速度数据。

3.3 信号处理及传输模块

信号处理及传输模块采用TI公司的CC2541低功耗和私有片载系统，具有高性能、低成本、低功耗等特点和高集成度、易于开发的优势。

CC2541通过I2C总线得到MPU6050采集的三轴加速度信号，然后通过系统算法算出步数，最后通过 BLE（Bluetooth Energy）4.0传输出去，实现与带蓝牙 4.0的设备进行交互信息并显示步数。

4 算法设计

CC2541得到MPU 6050采集的三轴加速度数据，经过低通滤波器算法处理后，加速度（模值）信号变得平滑，信号变换规律也比较简单，已经可以用算法实现计步。使用积分包络检测，会使得信号形成一个包络，通过MATLAB编写接口程序，如图 4.1,4.2,4.3,4.4,4.5所示，接着就是阈值判断，计算步伐。在图 4.1,4.2,4.3,4.4四幅信号图是对不同人群走路的实验研究，例如图 4.1，随机选取 20个 10岁-20岁的小孩，边走边在MATLAB记录下加速度波形，最后将这20个波形再进行平均优化，并从中截取一段，得到 4.1的图形，因此我判断该波形是 10岁-20岁人的步伐波形 ，以此类推，图 4.2,4.3, 4.4，均是如此。图 4.5是在脚有抖动的情况下，测出来加速度数据，说明脚轻微的抖动会产生加速度变化，为了使系统不会记上一步，经过反复比较将上升阈值设置为 3000（模值），下降阈值设为 5（模值），在 5～3000的范围内即可算为一步，同时为了计步更加准确，在程序中还加了脚的落地时间比较，即人的脚在地上的时间是有一定时间间隔的，通过这个时间间隔可以进一步剔除那些因抖动而不符合要求的步数，经过不断观察和校验，这个时间间隔大约在 80ms～100ms。根据以上分析，可以得出计步的具体流程如图5所示。

图4.1 包络加速度数据（10岁-20岁）

图4.2 包络加速度数据（20岁-40岁）

图4.3 包络加速度数据（40岁-55岁）

图4.4 包络加速度数据（55岁上）

图4.5 包络加速度数据 (有抖动的情况)

图5 算法流程图

为了检测此电子计步器的精度，本论文进行了实验，在右脚绑上简易计步器，测试10次，每次100步（单脚），测试结果如表1所示。

表1 测试结果

5 结论

本文设计的电子计步系统由CC2541和MPU 6050组成，设计了一套特殊的组合算法和设置合理的阈值，即上升阈值3000，下降阈值5，以及落地时间90ms。实验数据表明，该系统具有较高的精度和稳定性、通信可靠等优势。CC2541采用6mm×6mm，MPU6050采用4mm×4mm的小尺寸封装，此电子计步器可以最终设计为15mm×15mm的小尺寸仪器，嵌入到鞋中绰绰有余，同时基于MEMS传感器的硬件系统具有功耗低、质量轻、成本低、抗振动冲击能力强等优点，使其在未来的电子行业具有较大的潜力。

[1]谢如花．步数检测方法及在手腕式计步器中的应用研究[D]．兰州：兰州交通大学，2013．

[2] 王庆敏，杨要恩，苏木标，等．M EM S 微电容式传感器的传感特性研究[J]．传感技术学报，2009，22（10）：1396．

[3]张承岫，李铁鹰，王耀力．基于 M PU 6050和互补滤波的四旋翼飞控系统设计[J]．传感技术学报，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 载系 统(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，袁涛，梁灿．基于加速度特征点提取的步态身份认证[J]．清华大学学报自然版，2009，49(10)：25．

[7]侯向锋，刘蓉，周兆丰．加速度传感器在步态特征提取 中的应用[J]．传感技术学报，2007，20(3)：507-511．

[8]曹赟，周宇，许寅林．加速度传感器在步态信息采集系统中的应用[J]．信息化研究，2009，35(9)：51．

[9]韩文正，冯迪，李鹏，等．基于加速度传感器 LIS3D H 的计步器设计[J]．传感器与微系统，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

黄元植（1992-），男，福建三明人，硕士研究生，研究方向为传感器数据融合方面的应用性研究。