袁憲鋒，周風(fēng)余，袁通，周晨磊，晁彥舉

（山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

引 言

步態(tài)作為生物特征之一，在身份識別、運動分析、室內(nèi)定位等方面都有著重要的研究意義［1］。計步器利用人行走時的步態(tài)特征，可以準(zhǔn)確地對人行走的步數(shù)進(jìn)行記錄。目前，計步器主要包括機(jī)械式計步器和電子式計步器［2］。機(jī)械式計步器成本低，但是準(zhǔn)確度和靈敏度差。電子式計步器多采用加速度計，通過測量人行走時的加速度變化來實現(xiàn)計步功能。

MEMS（Micro－Electro－Mechanic system，微機(jī)電系統(tǒng)）是一種新的傳感器制作工藝，基于此技術(shù)設(shè)計的加速度傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高等優(yōu)點［3］。本文利用ST公司基于MEMS技術(shù)的10自由度iNEMO傳感器平臺，采集人行走時的加速度信息，利用STM32單片機(jī)對加速度信息進(jìn)行實時處理，實現(xiàn)高精度的計步功能。同時，為了方便對步態(tài)信息和計步數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和保存，本文還設(shè)計了基于SIM300的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理及整體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)工作原理

為了實現(xiàn)計步功能，本文選用加速度這個參數(shù)來描述人的行走行為。如圖1所示，iNEMO模塊佩戴在人體腰部，定義前進(jìn)方向為X軸，垂直方向為Z軸，側(cè)向為Y軸，建立右手直角坐標(biāo)系。

正常人在行走時，腰部會有明顯的垂直上下運動，因此Z軸加速度變化最大，如果僅對Z軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則計步器在使用時要求Z軸必須嚴(yán)格垂直向上，否則會嚴(yán)重影響計步精度。本文通過對iNEMO模塊加速度計三軸合加速度信息進(jìn)行處理，極大降低了計步器使用時的佩戴要求。人在行走時，腰部加速度呈簡諧波狀變化，如圖2所示。

圖1 人體參考坐標(biāo)系

圖2 人行走時腰部加速度信號

首先對加速度信號進(jìn)行濾波處理，然后利用峰值探測法進(jìn)行計步。為了降低行走過程中身體抖動對峰值探測的干擾，引入時間和幅值雙閾值法保證計步的準(zhǔn)確性。利用SIM300GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)步態(tài)信息和計步數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

1.2 系統(tǒng)整體方案

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，本文選用ST公司ARM Cortex－M3內(nèi)核的微控制器STM32F103C8T6作為主控制器，采用ST公司的iNEMO慣性導(dǎo)航模塊對人行走時腰部加速度信號進(jìn)行采集，采用SIM300GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，采用2.4寸彩色液晶屏對行走步數(shù)、剩余電量等信息進(jìn)行顯示。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 計步器系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 iNEMO模塊簡介

iNEMO慣性導(dǎo)航模塊框圖如圖4所示。利用MEMS傳感器和主控芯片STM32F103RET6提供動靜態(tài)方向和慣性測量功能。集成4種意法半導(dǎo)體傳感器：三軸陀螺儀（L3GD20）、三軸加速度計＋三軸磁力計（LSM303DLHC）以及氣壓傳感器（LPS331AP）。iNEMO傳感器平臺主控制器通過I2C總線與各傳感器通信。iNEMO傳感器平臺可以通過串口向外界提供各傳感器原始數(shù)據(jù)，還可以提供各傳感器經(jīng)AHRS算法融合后的橫滾、偏航及俯仰角度。

圖4 iNEMO慣性導(dǎo)航模塊框圖

2.2 主控制器電路設(shè)計

主控核心模塊電路如圖5所示。包括主控MCU及其時鐘電路、復(fù)位電路、電源濾波電路等。本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為主控制器，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲器（64KB的Flash和20KB的SRAM），含有豐富的I／O口和連接到兩條APB總線的外設(shè)，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需要。STM32系列單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗等特點，并且保持了高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢［4］。

2.3 基于SIM300的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

SIM300是支持 GSM／GPRS 900／1800／1900MHz三頻的低功耗模塊，休眠模式下工作電流典型值為2.5mA，可提供高質(zhì)量語音通信服務(wù)和GPRS Class 10的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。SIM300的功能模塊包括：鍵盤和LCD接口；兩個串口；雙音頻通道。SIM300內(nèi)部集成了TCP／IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了TCP／IP AT指令，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得特別簡單、方便。

圖5 主控制器電路

本設(shè)計采用SIM300進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計，對于不需要用的音頻接口、LCD接口等，對應(yīng)的引腳懸空即可［5］。SIM300的電源電壓范圍為3.4～4.5V，峰值電流要求為2A，采用輸出電壓可調(diào)的單片式開關(guān)型穩(wěn)壓器件LM2576S－ADJ即可滿足要求。SIM300及其供電電路如圖6所示。

圖6 SIM300及其供電電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 計步功能的實現(xiàn)

電子式計步器主要利用人行走時加速度信號的變化特征來實現(xiàn)步頻探測功能。人在行走時，腰部加速度計輸出的波形信號存在較多的“毛刺”，為了使波形變得平滑易于處理，需要對加速度信號進(jìn)行降噪處理。人在行走時步頻一般不超過5Hz，加速度計的采樣頻率設(shè)定為20Hz時能夠較好地反映行走時加速度的變化特征。本文設(shè)計了窗口長度為5的前端滑動窗口均值濾波，可對加速度信號進(jìn)行濾波處理，濾波后的波形如圖2中實線所示。對濾波后的三軸加速度求其矢量和，以合加速度特征來進(jìn)行步頻探測可以降低計步器佩戴時的要求，不必水平或者垂直佩戴。

對合加速度進(jìn)行峰值檢測，采用峰值檢測法實現(xiàn)計步功能。峰值點需要滿足的條件為：tp［i－1］＜tp［i］＜tp［i＋1］。當(dāng)滿足峰值條件時，再對合加速度信號進(jìn)行幅度閾值條件和時間閾值條件的判斷，以避免行走時身體抖動對計步的影響。計步功能實現(xiàn)的流程圖如圖7所示。

圖7 計步功能實現(xiàn)流程圖

3.2 GPRS數(shù)據(jù)包的發(fā)送

SIM300參數(shù)的設(shè)定、TCP／IP連接的建立以及數(shù)據(jù)的傳輸都是通過AT指令來實現(xiàn)的，SIM300的TCP／IP功能支持普通和透傳兩種模式。本文采用的是透傳模式，一旦建立連接模塊就進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，所有從串口接收到的數(shù)據(jù)都被看作是數(shù)據(jù)包發(fā)送出去的，數(shù)據(jù)模式和命令模式之間可以來回切換［6］。

SIM300透傳模式的配置大致分為以下4步：

① 匹配波特率。發(fā)送“AT”指令后，延時一段時間發(fā)送“ATE0”。

② 注冊網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送“AT＋CREG？”，若返回“OK”，則網(wǎng)絡(luò)注冊成功。

③ 設(shè)置透傳模式。發(fā)送“AT＋ CIPMODE＝1”，若返回“OK”，則設(shè)置成功。

④ 連接網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送“AT＋CIPSTART＝"TCP"，"219.236.xxx.xxx"，"7000"”，其中 219.236.xxx.xxx為PC的IP地址，7000為端口號。連接成功則返回“CONNECT OK”。

3.3 系統(tǒng)整體流程圖

如圖8所示，系統(tǒng)上電后，首先對STM32F103C8T6及液晶屏進(jìn)行初始化，然后對SIM300模塊進(jìn)行配置。若SIM300與遠(yuǎn)端PC機(jī)連接成功，則通過液晶屏提示使用者計步器可以正常使用，并接收iNEMO數(shù)據(jù)開始計步，并將步態(tài)信息及計步數(shù)據(jù)上傳；若重復(fù)連接3次不成功，則提示使用者暫時只能提供基本計步功能，無法提供數(shù)據(jù)保存能力，并詢問使用者是否重啟系統(tǒng)。

圖8 系統(tǒng)整體流程圖

4 系統(tǒng)測試

為了保證設(shè)計的計步器計步功能準(zhǔn)確、可靠，對本文所描述的高精度計步器進(jìn)行了大量的測試。圖9為測試人員行走19步時的合加速度波形。由圖可見，靜止時加速度的輸出值約為1g左右，圓圈表示峰值檢測的結(jié)果，峰值為19個說明了計步器計步算法的有效性。

圖9 峰值探測（計步）實驗

圖10 為遠(yuǎn)程PC端接收到的計步器數(shù)據(jù)。其中，AX、AY、AZ分別表示X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度；計步器上傳的步數(shù)為19步，與實驗結(jié)果一致。

圖10 遠(yuǎn)程PC端數(shù)據(jù)接收界面

結(jié) 語

本文討論了基于STM32F103C8T6及iNEMO模塊的高精度計步器的設(shè)計與實現(xiàn)，并對具體的硬件電路和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。經(jīng)過大量的實驗證明，本計步器具有體積小、使用簡單、通信可靠、計步準(zhǔn)確等優(yōu)點。

［1］劉燕，李月香.基于加速度計的步態(tài)數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（5）：43－45.

［2］宋浩然，廖文帥，趙一鳴.基于加速度傳感器ADXL330的高精度計步器設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19（4）：1005－1007.

［3］王勇.MEMS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用優(yōu)劣［J］.飛航導(dǎo)彈，2011（5）：85－87.

［4］蘇鵬，周風(fēng)余，陳磊.基于STM32的嵌入式語音識別模塊設(shè)計［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（2）：42－45.

［5］吳麗華，李礫，趙舒，等.基于SIM300的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2010，15（1）：112－115.

［6］王昆，陳晰志.基于GPRS的地下水動態(tài)水位監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.計算機(jī)測量與控制，2011，19（2）：263－264.