一种基于蓝牙的网络计步器及计步方法
【专利摘要】本发明的基于蓝牙的网络计步器，包括微控制器，特征在于：微控制器的输入端连接有三轴加速度传感器，微控制器连接有蓝牙发送模块，网络计步器通过蓝牙发送模块将计步数据发送至智能终端。本发明计步方法包括：a)采集加速度值；b)选择计算基准轴；c)实时数字滤波；d)加速度数值的存储；e)求取实时动态阈值；f)判断加速度变化是否大于预定义精度；g)判断加速度是否大于动态阈值；h)判断加速度曲线斜率是否为正。本发明的计步器和计步方法，选取具有最大平均值的轴作为计算基准轴，保证了迈步判断的准确性。通过预定义精度、动态阈值和加速度曲线斜率是否为正的判断，保证了步伐判断的准确性。
【专利说明】一种基于蓝牙的网络计步器及计步方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于蓝牙的网络计步器及计步方法，更具体的说，尤其涉及一种可有效、精准地判断出使用者迈出的有效步伐的基于蓝牙的网络计步器及计步方法。
【背景技术】
[0002]近年来计步器日益受到人们的欢迎，它不仅可以激励人们挑战自己，而且可以帮助人们增强体质和瘦身。蓝牙技术(Bluetooth)作为一种短距离无线通信技术，成功地简化笔记本
电脑、PAD和移动手机等移动通信终端设备与Internet之间的通信，使得通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，而蓝牙4.0更是提供了一种低成本、低功耗、短距离的无线通信技术，极大的促进了蓝牙技术广泛应用。
[0003]现有的计步器一般采用重力加速度传感器采集用户的运动信号，经采样、滤波处理后，通过峰值检测方法判别运动步数。例如专利号为CN201310072404.7的发明专利文件，其公开了一种支持自动微博数据同步的计步器设备及其同步方法，其采用峰值检测方法来识别用户是否漫出有效步伐，但这种检测方法易出现误判，对有效步伐不能准确无误的识别。专利号为CN201310116006.0的发明专利文件，公开了一种通用微机电系统计步器及计步方法，其将MEMS三轴加速度传感器获得的三个方向中相对于垂直方向夹角最小的方向确定为有效轴，此为有效轴的确定方法。判断步伐是否有效的过程为:根据实时加速度数据流和阈值进行大小比较确定，所述实时加速度数据流由最新的5个加速度数值组成，当该实时加速度数据流中的第一个加速度数值大于阈值而最后一个加速度数值小于阈值时，确定步伐有效。这种有效步伐的识别方法也存在误判、漏判的弊端。
[0004]再者，如果将计步器和蓝牙技术有效结合来设计计步器，通过蓝牙技术可以有效地把计步器所记录下来的相关数据发送到手机等现代终端设备上，通过终端与云服务器链接，这样可以不仅增加了人们对计步器的兴趣，也可以将相关数据进行长时间实时的保留下来，方便了人们对运动量的跟踪及健康管理。
【发明内容】
[0005]本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可有效、精准地判断出使用者迈出的有效步伐的基于蓝牙的网络计步器及计步方法。
[0006]本发明的基于蓝牙的网络计步器，包括具有采集、运算和控制作用的微控制器，其特别之处在于:所述微控制器的输入端连接有可采集运动人体三个相互垂直方向上加速度的三轴加速度传感器，微控制器连接有蓝牙发送模块，网络计步器通过蓝牙发送模块将计步数据发送至智能终端。
[0007]微控制器具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，三轴加速度传感器用于测量运动人体三个相互垂直方向上的加速度，微控制器根据采集的加速度数值，判断出运动人体迈出的有效步伐数，微控制器通过蓝牙发送模块将有效步伐数上传至智能终端。[0008]本发明的基于蓝牙的网络计步器，包括与智能终端通过无线网络相通讯的云服务器，智能终端通过无线网络将接收的计步数据传送至云服务器，云服务器对接收的计步数据存储和分析。智能终端不仅能显示出使用者迈出的有效步伐数，而且还可将数据上传至云服务器，服务器对数据进行存储和分析，方便了人们对运动量的跟踪及健康管理。
[0009]本发明的基于蓝牙的网络计步器，所述三轴加速度传感器采用MMA845XQ芯片，微处理器采用nRF51822芯片。
[0010]本发明的基于蓝牙的网络计步器的计步方法，其特征在于，包括以下步骤:a).采集加速度值，使用者佩戴上网络计步器进行跑步运动时，三轴加速度传感器会输出三个相互垂直方向上的加速度，设其分别为X轴加速度、Y轴加速度和Z轴加速度；采集相同数量的X轴、Y轴和Z轴加速度数据，设采集的数据数量均为巧个；b).选择计算基准轴，对采集的X轴、Y轴、Z轴上的的个加速度数值，分别计算其加速度的平均值，选取具有最大平均值的轴作为计算基准轴；c).实时数字滤波，对于三轴加速度传感器的计算基准轴输出的连续W2个加速度数值，将其求平均值后作为滤波后的加
速度数值进行输出；d).加速度数值的存储，将步骤c)输出的有效加速度数值存储至M3个寄存器中，如果M3个寄存器已满，则将最早存储的加速度数值删除，以存储最新的加速度数值；e).求取实时动态阈值，首先查找出W3个寄存器中所存储的加速度的最大值max和最小值_ ,利用公式dynJtesh old = (mas + min)/2求出实时动态阈值dyn_thresh old.f).判断加速度变化是否大于预定义精度，将最新采集的滤波后加速度数值与上一次采集的加速度数值做差处理，判断差值的绝对值是否大于预定义精度PreciSion , precision > 0，
如果大于预定义精度，则执行步骤g);如果小于或等于预定义精度，则表明依据本次输出的加速度数值不足以判断使用者有效迈出了一步，执行步骤c) ；g).判断加速度是否大于动态阈值，判断最新采集的滤波后加速度数值是否大于实时动态阈值M，如果大于实时动态阈值，执行步骤h);如果小于或等于实时动态阈值，则将其舍去，执行步骤
c)；h).判断加速度曲线的斜率是否为正，判断最新采集的滤波后加速度数值大于上一次采集的加速度数值是否成立，如果成立，则表明此时加速度曲线的斜率为正，可以判定使用者有效地迈出了一步；如果不成立，则表明此时加速度曲线的斜率为负，不可判定使用者有效地迈出了 一步。
[0011]步骤b)中，由于选择X轴、Y轴、Z轴上加速度平均值最大值所对应的轴为基准轴，因此在步骤a)中无论使用者如何佩戴网络计步器，均可实现有效步伐的检测。人体在运动过程中传感器采集到的信号都会存在波动，跳变较大，虽然传感器的精度较为灵敏，但是在实际中还是会存在一定的偏差，通过步骤c)可有效降低波动干扰。步骤e)中，由于选择最
新的W3个加速度数值中的最大值和最小值，因此求出的是实时动态阈值。步骤f)中，只有
加速度数值的变化大于预定义精度Precision，才可将本次的加速度数值用来判断使用者是否有效迈出一步。三轴加速度传感器输出的加速度类似于正弦曲线，步骤g)中，保留大于实时动态阈值的加速度值，就相当于取加速度曲线上半部分的数值来判断；步骤h)中，最新采集的滤波后加速度数值大于上一次采集的加速度数值，就相当于取加速度曲线的上升段来判断，这样使用者迈一步虽然产生一个周期的正弦加速度曲线，但计步器只给出一次迈步判断。
[0012]本发明的基于蓝牙的网络计步器的计步方法，所述妁的数值为100?150，所述N2、M3 的设置分别为 5、30 ;所述precision =0.01。
[0013]本发明的有益效果是:本发明的基于蓝牙的网络计步器，通过设置微控制器以及与其相连的三轴加速度传感器和蓝牙发送模块，不仅可有效地检测出运动人体三个方向上的加速度，并通过加速度判断出有效步伐数，而且还可将有效步伐数上传至智能设备上。通过智能设备与云服务器的通信，可将运动人员的迈步数据上传至云服务器上，便于在云服务器上存储和分析，方便了人们对运动量的跟踪及健康管理。
[0014]本发明的基于蓝牙的网络计步器的计步方法，首先采集一定数量的X轴、Y轴和Z轴的加速度，通过选取具有最大平均值的轴作为计算基准轴，既保证了对有效迈步判断的准确性，又使得网络计步器可随意性佩戴。通过数字滤波步骤，可有效滤除干扰信号。通过是否大于预定义精度、大于动态阈值以及加速度曲线斜率是否为正的判断，使用者迈步输出正弦加速度信号的过程中，一个周期内只进行一次有效步伐的判断，保证了步伐判断的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的基于蓝牙的网络计步器的电路原理图；
图2为本发明的基于蓝牙的网络计步器的工作原理图；
图3为本发明中三轴加速度传感器部分的电路图；
图4为本发明中微控制器部分的电路图；
图5为人体佩戴三轴加速度传感器的示意图；
图6为三轴加速度传感器所输出的X轴、Y轴和Z轴加速度曲线的示意图；
图7为本发明的基于蓝牙的网络计步器的计步方法流程图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0017]如图1所示，给出了本发明的基于蓝牙的网络计步器的电路原理图和工作原理图，所示的网络计步器由三轴加速度传感器、微控制器和蓝牙发送模块组成，三轴加速度传感器和蓝牙发送模块均与微控制器相连接。使用者佩戴上三轴加速度传感器之后，可测量使用者三个相互垂直方向上的加速度，如图5所示，设其输出的加速度分别为X轴加速度、Y轴加速度和Z轴加速度。微控制器对输入的加速度数据进行采集并运算，以判断使用者是否有效迈出步伐；微控制器通过蓝牙发送模块可将计算的步伐数上传至智能终端，智能终端可采用智能手机等。
[0018]智能终端可将接收的数据通过无线网络上传至云服务器上，云服务器不仅可存储上传的步伐数据，以便使用者后续查询，而且还可对数据进行管理和分析，方便了人们对运动量的跟踪及健康管理。如图3所示，给出了本发明中三轴加速度传感器的电路图，其采用MMA845XQ芯片；图4给出了本发明中微控制器的电路图，其采用nRF51822芯片，MMA845XQ芯片与nRF51822芯片之间采用!2C通讯，MMA845XQ芯片的ACC_SCL和ACC_SDA为I2C的总线。
[0019]如图7所示，给出了本发明的基于蓝牙的网络计步器的计步方法流程图，其通过以下步骤来实现:
a).采集加速度值，使用者佩戴上网络计步器进行跑步运动时，三轴加速度传感器会输出三个相互垂直方向上的加速度，设其分别为X轴加速度、Y轴加速度和Z轴加速度；采集相同数量的X轴、Y轴和Z轴加速度数据，设采集的数据数量均为N1个；
三轴加速度传感器输出的数据包括三个方向上的加速度值，分别是前后分量、左右分量和上下分量，在算法中把这三个方向定义为X轴、Y轴和Z轴，如图1所示。
[0020]b).选择计算基准轴，对采集的X轴、Y轴、Z轴上的N1个加速度数值，分别计算其
加速度的平均值，选取具有最大平均值的轴作为计算基准轴；
由于运动个体的差异和所携带计步器的位置方式有所不同，X轴、Y轴和Z轴加速度的变化情况也是有差异的，但总会有一个方向的变化突出，这就是选择的计算基准轴，实际中跑步个体实例的XYZ轴加速度变化曲线如图6所示。选取具有最大平均值的轴作为计算基准轴，有利于保证有效步伐判断的准确性。
[0021]c).实时数字滤波，对于三轴加速度传感器的计算基准轴输出的连续个加速度
数值，将其求平均值后作为滤波后的加速度数值进行输出；
人体在运动过程中传感器采集到的信号都会存在波动，跳变较大，虽然传感器的精度较为灵敏，但是在实际中还是会存在一定的偏差。针对这个缺陷，设计出实时数字滤波器来进行平滑数据曲线的处理。可使用五个寄存器和一个求平均值单元。实际上所用的寄存器越多所得到的数据曲线越平稳精确，但是使用过多的寄存器势必会影响响应速度，经过测试，五个寄存器可以很好的兼顾数据平稳度和响应速度。
[0022]d).加速度数值的存储，将步骤c)输出的有效加速度数值存储至-V3个寄存器中，如果-V3个寄存器已满，则将最早存储的加速度数值删除，以存储最新的加速度数值；
e).求取实时动态阈值，首先查找出M3个寄存器中所存储的加速度的最大值maz和最小值min，利用公式dynJhresh old = (max + ram)/2求出实时动态阈值dynJhresh old.f)?判断加速度变化是否大于预定义精度，将最新采集的滤波后加速度数值与上一次采集的加速度数值做差处理，判断差值的绝对值是否大于预定义精度Precision，precision>0，如果大于预定义精度，则执行步骤g);如果小于或等于预定义精度，则表明依据本次输出的加速度数值不足以判断使用者有效迈出了一步，执行步骤c)；
只有加速度数值的变化大于预定义精度Precision，才可将本次的加速度数值用来判断使用者是否有效迈出一步；
g).判断加速度是否大于动态阈值，判断最新采集的滤波后加速度数值是否大于实时动态阈值4沖Jhresh old ,如果大于实时动态阈值，执行步骤h);如果小于或等于实时动态阈值，则将其舍去，执行步骤c)；
三轴加速度传感器输出的加速度类似于正弦曲线，步骤g)中，保留大于实时动态阈值的加速度值，就相当于取加速度曲线上半部分的数值来判断；
h).判断加速度曲线的斜率是否为正，判断最新采集的滤波后加速度数值大于上一次采集的加速度数值是否成立，如果成立，则表明此时加速度曲线的斜率为正，可以判定使用者有效地迈出了一步；如果不成立，则表明此时加速度曲线的斜率为负，不可判定使用者有效地迈出了 一步。
[0023]步骤h)中，最新采集的滤波后加速度数值大于上一次采集的加速度数值，就相当于取加速度曲线的上升段来判断，这样使用者迈一步虽然产生一个周期的正弦加速度曲线，但计步器只给出一次迈步判断。
[0024]本发明的基于蓝牙的网络计步器的计步方法，通过是否大于预定义精度、大于动态阈值以及加速度曲线斜率是否为正的判断，使用者迈步输出正弦加速度信号的过程中，一个周期内只进行一次有效步伐的判断，保证了步伐判断的准确性。
【权利要求】
1.一种基于蓝牙的网络计步器，包括具有采集、运算和控制作用的微控制器，其特征在于:所述微控制器的输入端连接有可采集运动人体三个相互垂直方向上加速度的三轴加速度传感器，微控制器连接有蓝牙发送模块，网络计步器通过蓝牙发送模块将计步数据发送至智能终端。
2.根据权利要求1所述的基于蓝牙的网络计步器，其特征在于:包括与智能终端通过无线网络相通讯的云服务器，智能终端通过无线网络将接收的计步数据传送至云服务器，云服务器对接收的计步数据存储和分析。
3.根据权利要求1或2所述的基于蓝牙的网络计步器，其特征在于:所述三轴加速度传感器采用MMA845XQ芯片，微处理器采用nRF51822芯片。
4.一种基于权利要求1所述的基于蓝牙的网络计步器的计步方法，其特征在于，包括以下步骤: a).采集加速度值，使用者佩戴上网络计步器进行跑步运动时，三轴加速度传感器会输出三个相互垂直方向上的加速度，设其分别为X轴加速度、Y轴加速度和Z轴加速度；采集相同数量的X轴、Y轴和Z轴加速度数据，设采集的数据数量均为1、h 个; b).选择计算基准轴，对采集的X轴、Y轴、Z轴上的Ni个加速度数值，分别计算其加速度的平均值，选取具有最大平均值的轴作为计算基准轴； c).实时数字滤波，对于三轴加速度传感器的计算基准轴输出的连续个加速度数值，将其求平均值后作为滤波后的加速度数值进行输出； d).加速度数值的存储，将步骤c)输出的有效加速度数值存储至At3个寄存器中，如果 个寄存器已满，则将最早存储的加速度数值删除，以存储最新的加速度数值； e).求取实时动态阈值，首先查找出巧个寄存器中所存储的加速度的最大值max和最小值_，利用公式dyn_thresh old= (max+min)/2求出实时动态阈值dynJhresh old.f)?判断加速度变化是否大于预定义精度，将最新采集的滤波后加速度数值与上一次采集的加速度数值做差处理，判断差值的绝对值是否大于预定义精度prcasioti，precision>0，如果大于预定义精度，则执行步骤g);如果小于或等于预定义精度，则表明依据本次输出的加速度数值不足以判断使用者有效迈出了一步，执行步骤c)； g)?判断加速度是否大于动态阈值，判断最新采集的滤波后加速度数值是否大于实时动态阈值dyn_threshdd ,如果大于实时动态阈值，执行步骤h);如果小于或等于实时动态阈值，则将其舍去，执行步骤c)； h).判断加速度曲线的斜率是否为正，判断最新采集的滤波后加速度数值大于上一次采集的加速度数值是否成立，如果成立，则表明此时加速度曲线的斜率为正，可以判定使用者有效地迈出了一步；如果不成立，则表明此时加速度曲线的斜率为负，不可判定使用者有效地迈出了一步。
5.根据权利要求4所述的基于蓝牙的网络计步器的计步方法，其特征在于:所述的的数值为100~150,所述F2、Ar3的设置分别为5、30 ;所述precision =0.01。
【文档编号】H04B5/00GK103616034SQ201310663945
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】唐梅玉, 舒明雷, 孔祥龙, 杨明, 陈长芳, 刘瑞霞, 魏诺, 许继勇 申请人:山东省计算中心