基于阈值辨别技术的普通行人用计步器设计研究

吴晨杰，徐 云，瞿耀辉

(浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

随着人民生活水平的不断提高，人们对自身的健康状况格外关注[1-3]。跑步作为一种较为普遍的运动方式，可以实现锻炼身体、增强人体免疫力的目的，因此，受到广大人民群众的喜爱。计步器作为科技发展的产物，逐渐得到广大跑步运动者的喜爱。目前，计步器的应用越来越广泛[4-6]，如奶牛养殖用计步器、医疗保健计步器等。凭借体积小、寿命长、精度高的优势，计步器正朝着功能多元化的方向发展[7]，使得计步器的娱乐性更强，但价格逐渐上升。

近几年，市场上的三轴加速度传感器以其集成度高、精度高、功耗低、体积小以及成本低的优势[8-9]，广泛应用于运动物体姿态的检测[10-12]。本文采用ADI公司生产的ADXL345三轴加速度计，设计了一款普通行人用计步器。采用基于阈值辨识的办法，实现了行人运动中步数的测量。

1 计步器的硬件设计

本文设计的基于阈值辨识方法的计步器主要由ADXL345三轴加速度计、单片机、LCD显示模和供电模块组成。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

ADXL345三轴加速度计用于感应人体运动时三个轴向的加速度。单片机发送相关指令实现与ADXL345三轴加速度计进行通信，进行人体运动时三个轴向加速度数据的采集。通过阈值判断法则，进行计步，并将计得的步数显示于LCD显示模块。

①ADXL345模块。

ADXL345是美国ADI公司推出的一款低成本三轴加速度传感器。分辨率高达13位，可选择的测量量程有±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，具备SPI、I2C数据通信接口。传感器内部可实现信号处理、低通滤波等功能，具备体积小、成本低、功耗低的优点。本次设计采用I2C通信协议，实现ADXL345与单片机的通信。单片机与ADXL345的通信连接如图2所示。

图2 单片机与ADXL345的通信连接图

②LCD显示模块。

本设计采用的显示模块为LCD1602液晶显示屏，通过单片机进行指令控制，实现计步所得步数的显示。LCD1602液晶显示屏与单片机的电气连接如图3所示。

图3 单片机与LCD1602的电气连接图

③单片机模块。

单片机外围电路如图4所示。

图4 单片机外围电路

本次设计选用了STC89C52单片机。该芯片具有功耗低、分辨率高、处理能力强的优势。通过单片机控制ADXL345，进行数据采集、对加速度数据分析处理、辨识运动步数以及在LCD1602液晶显示屏上进行步数显示。STC89C52的外围电路包括电源电路、复位电路、晶振电路和开关按键电路。

2 计步器软件设计

以腰部为中心，建立如图5所示的载体坐标系，采集三个方向的加速度。

图5 载体坐标系示意图

①阈值辨别设计。

一般而言，人体行走时因运动状态的不同，在不同部位产生的加速度也不一样。图6给出了普通行人行走时腰部加速度的变化曲线。

图6 腰部加速度变化曲线

从图6可以看出，普通行人行走时腰部三个方向的加速度均有变化。其中，纵向加速度变化幅值较大且呈规律性。若以纵向加速度为特征量进行阈值辨别，即可实现计步的功能。本文设计的基于阈值辨别的计步算法以z轴加速度作为特征量，通过多次试验进行阈值提取。计步时，将该阈值作为比较量进行行走步数的测量。

②系统软件设计。

基于阈值辨别技术的计步器系统的软件流程如图7所示。

图7 计步器系统的软件流程图

计步器系统开机时先进行系统初始化，包括ADXL345初始化、LCD液晶显示屏初始化以及单片机系统初始化。在一个采样周期内，单片机控制并采集传感器测量获得的行人行走时三个轴向的加速度值；然后，单片机对采集到的加速度值进行阈值判定，从而辨识出实际行走的步数；最后，单片机将行走步数的判定结果发送至LCD液晶显示屏进行步数显示。

3 试验测试

根据上述硬件电路，设计并制作了普通行人用计步器原理样机。样机主要由电源模块、ADXL345以及LCD液晶显示模块构成。试验测试时，行人将计步器原理样机附着于腰部。

①阈值测试。

多名测试者佩戴设计的计步器原理样机进行测试，获得的阈值如表1所示。

表1 阈值测试结果

根据表1测试的阈值结果，取阈值的均值作为阈值判定的参考量，并将其灌入原理样机中进行计步试验测试。计步器试验测试结果如表2所示。

表2 计步器试验测试统计结果

表2给出了不同测试者佩戴设计的计步器原理样机进行计步试验测试的统计结果。整体上而言，本文设计的计步器原理样机实现了普通行人行走时计步的功能。但是，对不同的测试者而言，其测试结果与实际步数存在测量误差。经多次试验发现，该误差主要源于阈值的设定。对于不同测试者而言，其步长、身高、行走速度存在差异，若使用固定的阈值进行步数辨别必然存在测量误差。为提高计步精度，今后将开展自适应阈值辨别计步的研究。

4 结束语

本文基于阈值辨别技术设计了一款普通行人用计步器原理样机。原理样机主要由三轴加速度计ADXL345模块、LCD液晶显示模块以及单片机模块组成。单片机控制并采集ADXL345输出的三个轴向加速度信息，通过阈值辨别技术实现行人行走计步的功能。试验测试首先针对行人行走时的阈值加速度进行测试，并在此基础上进行了行走计步的试验。测试结果表明，设计的基于阈值辨别技术的原理样机能够实现行人行走时的计步功能，但存在计步误差。分析指出，该误差源于行走计步时阈值的设定误差。为提高基于阈值辨别技术的计步器原理样机的计步精度，今后将开展自适应阈值辨别技术的计步算法研究。