基于藍牙芯片CC2541的計步器設計

黃元植 黃銳敏

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021）

基于藍牙芯片CC2541的計步器設計

黃元植 黃銳敏

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021）

為了實現穿戴式計步器準確計算步伐，本論文設計了一種基于藍牙芯片 C C 2541和六軸傳感器 M PU 6050的電子計步器系統。在開發過程中，自主設計了一個簡易的電子計步器系統開發板，實現了運動姿態的檢測，加速度數據處理和步數在藍牙設備終端顯示。實驗結果表明：在走 100步時，具有較可靠的穩定性及準確性。該電子計步器可設計為 15m m× 15m m的小體積儀器，且結構簡單、功耗低、抗振動沖擊能力強，能夠滿足較高精度的計步測量要求。

六軸傳感器 M PU 6050；計步器；低通濾波器；合理閾值；高精度

1 引言

肥胖是萬病之源，運動和控制飲食則是科學、正確的減肥方法，而步行作為科學、安全、時尚的運動方式在國內外受到越來越多人群的青睞，也成為科學減肥的有效方法之一[1]。計步器是一種日常生活鍛煉有效而方便的監控器 ，可以計算人們行走的步數，估計行走的距離，實時監控自己健身強度和運動水平。

早期的計步器是利用加重的機械開關檢測步伐，人走動時會產生振動從而觸發開關，再由一個簡單的計數器記錄并顯示步數，這被稱作機械式計步器。這種計步器結構簡單，價格便宜，但是準確度和靈敏度都較低，且只適用于懸掛在腰部，否則會不準確，目前已被淘汰。20世紀90年代，微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）研究的突飛猛進,它是在集成電路生產技術和專用的微機電加工方法的基礎上蓬勃發展起來的高新科技,具有體積小、質量輕、性能穩定、響應快、可靠性高、頻帶寬、成本低等特點，利用MEMS技術設計的計步器克服了機械式計步器準確度和靈敏度低的缺點，可以準確地進行運動姿態的檢測并分析數據，從而計算步伐[2-3]。

本 文采用 藍牙芯片 CC2541[4]和六軸傳感器 MPU6050[5]設計了一種電子式計步器。CC2541是德州儀器（TEXES INSTRUMENTS）公司設計的 2.4-GHz Bluetooth TM 低能耗和私有片載系統。MPU 6050是由美盛（InvenSense）公司設計的六軸運動處理組件，免除了組合陀螺儀與加速度器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。本論文中設計的基于藍牙芯片CC2541和六軸傳感器MPU6050的電子計步器可以有效檢測人行走時的步態加速度信號[6-8]，具有體積小、功耗低精確度和靈敏度高的特點。該計步器內置于鞋中，準確地測量腳加速度的變化，從而得出步數以及行走的距離。

2 人體的運動姿態模型

六軸傳感器MPU6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速度器的姿態模塊，經過實驗的測試比較，單單3軸加速度器就可以很好地完成數據測量任務。本文通過求取3軸加速度的模值，得出模值的波形，再設置上下沿的閾值，比較閾值后可較準確得出步數。

因測試條件限制，在實驗過程中我們將自制電子計步器綁在腳踝上來模擬其應用在鞋內，因其相差距離小，故二者測試條件是相像的。為了充分利用傳感器輸出的三軸加速度信號，故本文將三軸加速度信號求取平方和(求模)后再進行數據處理，原本加速度三軸模值的數據應該會是在G (9.8m/s2)附近，但是為了方便顯示，故在程序中將 G(9.8m/s2)直接標定為0，通過MATLAB編寫接口程序，行走過程中加速度(模值)的變化規律如圖1所示。圖 1顯示加速度的模值是一個不斷抖動的過程，腳上升下降使得加速度(模值)變化可以整體看作在一個包絡范圍內，因為通常情況下，人的步伐頻率范圍是在 4steps/s～0.5steps/s，正常情況下是 1steps/s，則可以認為原始信號中 0.5Hz～4Hz 為有效信號[9]，再通過設計一個低通濾波器，去除高頻噪聲，保留部分有用的信息，通過MATLAB編寫接口程序，效果如圖2所示。而且在圖1中可以看到，加速度（模值）的變化過程中會出現不連續，這會對后面步伐的閾值判斷產生一定的影響，容易造成多計幾步，經過低通濾波器后，加速度(模值)曲線變化更加平滑，且在曲線末尾，呈現振蕩下降，使得通過閾值判斷步伐更加準確，但是由于低通濾波后會有交流的分量存在，故圖2中出現了加速度（模值）負的分量，不過可以通過條件判斷將這部分去除。

圖1 三軸加速度變化

圖2 濾波后三軸加速度變化

3 硬件設計

本電子計步器系統主要由電源模塊 LM1117[10]、信號采集模塊MPU6050、信號處理及傳輸模塊組成，系統硬件原理圖如3所示。

圖3 系統硬件原理

3.1 電源模塊

LM1117是美國國家半導體（National Semiconductor）公司的一款低壓差電壓調節器，輸出電流可達1A，可調節三端可輸出固定 1.5V～5V 的電壓，極低的靜態電流，且有電流限制和熱保護功能。在接上紐扣電池后，可以穩定輸出3.3V電壓給整個系統供電。

3.2 信號采集模塊

本系統采用 MPU6050加速度傳感器來采集加速度數據。MPU6050是美盛（InvenSense）設計全球首例整合性6軸運動處理組件，支持 2.5V～3.3V 的輸入電壓，三軸加速器提供的測量范圍為±2g、±4g、±8g 與±16g，一個片上 1024Byte 的FIFO（先入先出）的存儲區，因此能為系統提供穩定準確的三軸加速度數據。

3.3 信號處理及傳輸模塊

信號處理及傳輸模塊采用TI公司的CC2541低功耗和私有片載系統，具有高性能、低成本、低功耗等特點和高集成度、易于開發的優勢。

CC2541通過I2C總線得到MPU6050采集的三軸加速度信號，然后通過系統算法算出步數，最后通過 BLE（Bluetooth Energy）4.0傳輸出去，實現與帶藍牙 4.0的設備進行交互信息并顯示步數。

4 算法設計

CC2541得到MPU 6050采集的三軸加速度數據，經過低通濾波器算法處理后，加速度（模值）信號變得平滑，信號變換規律也比較簡單，已經可以用算法實現計步。使用積分包絡檢測，會使得信號形成一個包絡，通過MATLAB編寫接口程序，如圖 4.1,4.2,4.3,4.4,4.5所示，接著就是閾值判斷，計算步伐。在圖 4.1,4.2,4.3,4.4四幅信號圖是對不同人群走路的實驗研究，例如圖 4.1，隨機選取 20個 10歲-20歲的小孩，邊走邊在MATLAB記錄下加速度波形，最后將這20個波形再進行平均優化，并從中截取一段，得到 4.1的圖形，因此我判斷該波形是 10歲-20歲人的步伐波形 ，以此類推，圖 4.2,4.3, 4.4，均是如此。圖 4.5是在腳有抖動的情況下，測出來加速度數據，說明腳輕微的抖動會產生加速度變化，為了使系統不會記上一步，經過反復比較將上升閾值設置為 3000（模值），下降閾值設為 5（模值），在 5～3000的范圍內即可算為一步，同時為了計步更加準確，在程序中還加了腳的落地時間比較，即人的腳在地上的時間是有一定時間間隔的，通過這個時間間隔可以進一步剔除那些因抖動而不符合要求的步數，經過不斷觀察和校驗，這個時間間隔大約在 80ms～100ms。根據以上分析，可以得出計步的具體流程如圖5所示。

圖4.1 包絡加速度數據（10歲-20歲）

圖4.2 包絡加速度數據（20歲-40歲）

圖4.3 包絡加速度數據（40歲-55歲）

圖4.4 包絡加速度數據（55歲上）

圖4.5 包絡加速度數據 (有抖動的情況)

圖5 算法流程圖

為了檢測此電子計步器的精度，本論文進行了實驗，在右腳綁上簡易計步器，測試10次，每次100步（單腳），測試結果如表1所示。

表1 測試結果

5 結論

本文設計的電子計步系統由CC2541和MPU 6050組成，設計了一套特殊的組合算法和設置合理的閾值，即上升閾值3000，下降閾值5，以及落地時間90ms。實驗數據表明，該系統具有較高的精度和穩定性、通信可靠等優勢。CC2541采用6mm×6mm，MPU6050采用4mm×4mm的小尺寸封裝，此電子計步器可以最終設計為15mm×15mm的小尺寸儀器，嵌入到鞋中綽綽有余，同時基于MEMS傳感器的硬件系統具有功耗低、質量輕、成本低、抗振動沖擊能力強等優點，使其在未來的電子行業具有較大的潛力。

[1]謝如花．步數檢測方法及在手腕式計步器中的應用研究[D]．蘭州：蘭州交通大學，2013．

[2] 王慶敏，楊要恩，蘇木標，等．M EM S 微電容式傳感器的傳感特性研究[J]．傳感技術學報，2009，22（10）：1396．

[3]張承岫，李鐵鷹，王耀力．基于 M PU 6050和互補濾波的四旋翼飛控系統設計[J]．傳感技術學報，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 載系 統(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，袁濤，梁燦．基于加速度特征點提取的步態身份認證[J]．清華大學學報自然版，2009，49(10)：25．

[7]侯向鋒，劉蓉，周兆豐．加速度傳感器在步態特征提取 中的應用[J]．傳感技術學報，2007，20(3)：507-511．

[8]曹赟，周宇，許寅林．加速度傳感器在步態信息采集系統中的應用[J]．信息化研究，2009，35(9)：51．

[9]韓文正，馮迪，李鵬，等．基于加速度傳感器 LIS3D H 的計步器設計[J]．傳感器與微系統，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

黃元植（1992-），男，福建三明人，碩士研究生，研究方向為傳感器數據融合方面的應用性研究。