騎行運(yùn)動(dòng)智能輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 聰， 張莉萍

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 210600)

0 引 言

自行車作為傳統(tǒng)工業(yè)時(shí)代的產(chǎn)物，在信息化與智能化的今天，應(yīng)該使其具備更多人性化的功能。設(shè)計(jì)騎行運(yùn)動(dòng)智能輔助系統(tǒng)配備于普通自行車，可使普通自行車更加的智能化。在提升騎行體驗(yàn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自行車與人的互動(dòng)，帶來安全、智能的新感受。本文設(shè)計(jì)的自行車智能輔助系統(tǒng)除了具備普通碼表的顯示速度里程時(shí)間等基本功能外，還具有顯示卡路里消耗、環(huán)境溫度、心率監(jiān)測的功能,當(dāng)環(huán)境不適合騎行或超負(fù)荷騎行時(shí)系統(tǒng)發(fā)出提示信號(hào),并可通過藍(lán)牙將自行車騎行數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)端。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括STM32單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理模塊、液晶顯示模塊(liquid crystal display,LCD)、多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊、以及藍(lán)牙傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集傳感器有霍爾傳感器、DHT11溫濕度傳感器、可吸入微粒濃度傳感器和設(shè)計(jì)的心率傳感器。由STM32F103單片機(jī)處理各傳感器采集到的數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)自行車速度里程、環(huán)境參數(shù)、騎行者心率，以及騎行消耗的卡路里的顯示。當(dāng)環(huán)境不適合騎行或超負(fù)荷騎行時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出提示,并可通過藍(lán)牙將自行車騎行數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)端。設(shè)計(jì)可輸入騎行者的性別、年齡和體重，騎行卡路里消耗的計(jì)算將根據(jù)騎行者性別、年齡和體重的差異采用不同的算法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 速度采集模塊

對于自行車速度的測量，由安裝于自行車前叉上的傳感器捕捉前車輪輻條上的感應(yīng)磁鐵帶來的脈沖信息實(shí)現(xiàn)?？紤]到實(shí)際可操作性以及設(shè)計(jì)要求方面，本設(shè)計(jì)選用的傳感器為AH3144E霍爾電壓型傳感器[1]。自行車行駛時(shí)，車輪輻條上的感應(yīng)磁鐵隨前輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)感應(yīng)磁鐵轉(zhuǎn)到霍爾傳感器處時(shí)，磁場的變化使霍爾傳感器輸出電壓脈沖，霍爾傳感器輸出的1個(gè)脈沖周期就是車輪轉(zhuǎn)動(dòng)1圈的時(shí)間?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)為模擬信號(hào)，為提高信號(hào)抗干擾能力以及方便對脈沖周期的測量，使用74HC14芯片對霍爾傳感器輸出波形進(jìn)行變換[2,3]。速度測量模塊電路如圖2所示，速度測量模塊輸出的波形為矩形脈沖。

圖2 速度測量模塊電路

2.2 溫濕度采集模塊

設(shè)計(jì)使用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，DHT11集溫濕度采集和模/數(shù)(analog to digital,A/D)轉(zhuǎn)換于一體，輸出數(shù)字信號(hào),具有體積小、功耗低以及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。DHT11 支持“單線總線”接口，通過一個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻器將數(shù)據(jù)輸出端 DQ和 單片機(jī)I/O口相連，單片機(jī)通過該總線初始化傳感器，完成溫濕度采集。傳感器的GND接地，VDD可以用數(shù)據(jù)線供電，也可以外部供電，為提高傳感器的抗干擾能力，設(shè)計(jì)采用外部電源供電。

2.3 心率信號(hào)采集模塊

采用光電容積法采集心率信號(hào)，光電容積法是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來進(jìn)行心率測量[5,6]。心率傳感器由光發(fā)射器和光電變化器兩部分組成，可固定在被測者的手指或手腕上。光發(fā)射器采用波長為500～700 nm的發(fā)光二極管，當(dāng)光束透過人體外圍血管，動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化引起光束透光率的變化[7]。由光/電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并將其放大、輸出。光發(fā)射器采用了峰值波長為515 nm型號(hào)為AM2520的綠光發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)，而光接收器采用了APDS—9008[8]。由于脈搏信號(hào)的頻帶一般在0.05～200 Hz之間，信號(hào)幅度均很小，抗干擾能力差,在傳感器后面使用了低通濾波器和由運(yùn)放MCP6001構(gòu)成的放大器，將信號(hào)放大了330倍，同時(shí)采用分壓電阻器設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的1/2，使放大后的信號(hào)可以很好地被單片機(jī)采集到[9],如圖3所示。

圖3 心率測量模塊電路

2.4 可吸入微粒濃度采集模塊

通過檢測空氣中塵埃的反射光來實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中可吸入微粒濃度信號(hào)采集。檢測裝置由紅外發(fā)光二極管(infrared light emitting diode,IRED)和一個(gè)光電二極管(photodiode,PD)組成，兩者呈對角排列[10]。由紅外LED光源發(fā)射光束，由光電二極管接收經(jīng)灰塵反射后的光束，光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路處理后輸出。對于不同的可吸入微粒濃度，檢測裝置輸出不同的脈沖信號(hào)，可調(diào)電阻器Rs調(diào)節(jié)檢測裝置的靈敏度。[11]可吸入微粒濃度檢測原理如圖4所示。

圖4 可吸入微粒濃度檢測原理

當(dāng)可吸入微粒濃度為0 mg/m3時(shí)，檢測裝置的輸出電壓為0.6 V。隨著可吸入微粒濃度的增加，檢測裝置的輸出電壓線性增加，當(dāng)可吸入微粒濃度大于0.5 mg/m3時(shí)，檢測裝置的輸出電壓趨于恒定為3.6 V[12]。裝置輸出電壓隨可吸入微粒濃度的變化如圖5所示。

圖5 輸出電壓隨可吸入微粒濃度的變化

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)、按鍵輸入檢測程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)以及LCD液晶顯示程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的初始化包括STM32單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，定時(shí)器的初始化，以及各傳感器模塊的初始化。按鍵輸入檢測程序主要對用戶的設(shè)置進(jìn)行錄入，如用戶的性別和體重等。數(shù)據(jù)處理程序包括對霍爾傳感器輸入脈沖信號(hào)的處理，DHT11傳感器等輸入環(huán)境參數(shù)的處理，以及心率傳感器輸入心率信號(hào)的處理。傳感器輸入的信號(hào)經(jīng)過處理和計(jì)算后，形成速度、里程、溫度、心率、卡路里消耗等信息，最后通過LCD液晶屏顯示出來。程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程

3.1 騎行速度計(jì)算方法

本文設(shè)計(jì)中使用STM32單片機(jī)中通用定時(shí)器的輸入脈沖捕獲功能對霍爾傳感器輸入的脈沖頻率進(jìn)行測量，根據(jù)脈沖頻率即可計(jì)算出騎行速度。當(dāng)通用定時(shí)器設(shè)置為輸入功能時(shí)，可以用來檢測輸入到單片機(jī)GPIO口的信號(hào)，通用定時(shí)器中的捕獲/比較寄存器TIMx_CCR用作捕獲功能。

將要測量的脈沖信號(hào)通過GPIO引腳輸入到定時(shí)器的脈沖檢測通道，將脈沖計(jì)數(shù)器TIMx_CNT配置為向上計(jì)數(shù)模式。當(dāng)捕獲通道上出現(xiàn)上升沿時(shí)，第一次觸發(fā)IC1和IC2輸入捕獲中斷，這時(shí)將脈沖計(jì)數(shù)器TIMx_CNT復(fù)位為0，脈沖計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)。直到捕獲通道上出現(xiàn)下降沿時(shí)，觸發(fā)IC2捕獲事件，并把脈沖計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值N1保存到捕獲寄存器TIMx_CCR2中。脈沖計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到捕獲通道上出現(xiàn)第二個(gè)上升沿時(shí)，觸發(fā)IC1捕獲事件，并將脈沖計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值N2保存到捕獲寄存器TIMx_CCR1中。脈沖信號(hào)輸入捕獲過程如圖7所示。

圖7 脈沖信號(hào)輸入捕獲時(shí)序

定時(shí)器時(shí)鐘頻率為f(Hz)，輸入的脈沖信號(hào)周期為T，占空比為d，則

(1)

自行車的車輪半徑為R(m)，則騎行的速度V(km/h)為V=(7.2πR)/T。

3.2 卡路里消耗計(jì)算方法

采用基于用戶心率的卡路里消耗計(jì)算方法[13，14]。根據(jù)用戶輸入系統(tǒng)的個(gè)人信息，包括體重、年齡、性別計(jì)算用戶騎行過程中的卡路里消耗，男性(Cm)和女性(Cf)分別為[15]

(2)

(3)

式中HR為心率，次/min;W為體重,kg;A為年齡;t為鍛煉持續(xù)的時(shí)間,min。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)開機(jī)以后，需要輸入騎行者的體重、性別、年齡等相關(guān)數(shù)據(jù)。在騎行過程中，系統(tǒng)主機(jī)的顯示屏上顯示出相關(guān)騎行數(shù)據(jù)，包括速度、行駛里程、卡路里消耗、心率、空氣質(zhì)量等。系統(tǒng)主機(jī)界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主機(jī)界面

每0.5 h對騎行的數(shù)據(jù)進(jìn)行1次記錄，如表1所示。

表1 騎行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)除了具備普通碼表的顯示速度里程時(shí)間等基本功能外，還具有顯示卡路里消耗；環(huán)境參數(shù)以及心率監(jiān)測的功能。設(shè)計(jì)的騎行運(yùn)動(dòng)智能輔助系統(tǒng)配備于普通自行車，使普通自行車變得智能化。提升人們騎行體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)自行車與人的互動(dòng)。未來將著手對所設(shè)計(jì)的騎行運(yùn)動(dòng)智能輔助系統(tǒng)功耗進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)更加符合實(shí)際使用要求。相信隨著自行車運(yùn)動(dòng)越來越受到大家歡迎，騎行運(yùn)動(dòng)智能輔助系統(tǒng)將具有更廣闊的市場前景。