《計(jì)步器設(shè)計(jì)開題報(bào)告》

PAGEPAGE58選題的依據(jù)及意義隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和人們對自身健康的逐漸重視，計(jì)步器作為一種定量監(jiān)測人運(yùn)動(dòng)情況的可穿戴設(shè)備走進(jìn)了我們的日常生活，現(xiàn)在大多數(shù)可穿戴設(shè)備都己經(jīng)集成了計(jì)步功能，像主流的運(yùn)動(dòng)手環(huán)除了具有一般的計(jì)步功能外，還有計(jì)算消耗卡路里、運(yùn)動(dòng)里程，監(jiān)測睡眠質(zhì)量等功能，可穿戴設(shè)備的日益流行也讓計(jì)步器的概念變得越來越模糊不清。把可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵共性技術(shù)分為如下幾類:低功耗芯片技術(shù)、低功耗傳感器技術(shù)、新型交互技術(shù)、新型顯示技術(shù)、電池技術(shù)、通信技術(shù)，MEMS慣性傳感器屬于其中的低功耗傳感器，其工作電流目前可以控制在uA級別，另外還具有精度高，體積小等優(yōu)勢，所以現(xiàn)在主流計(jì)步器多采用MEMS慣性傳感器。智能跑鞋是現(xiàn)在非常流行的可用來計(jì)步的運(yùn)動(dòng)鞋，其通過在運(yùn)動(dòng)鞋底嵌入計(jì)步芯片并通過藍(lán)牙把步數(shù)等信息上傳到手機(jī)APP上，非常方便，但是計(jì)步芯片一般是通過鏗電池或者紐扣電池供電的，廢棄的電池對環(huán)境會(huì)造成巨大的污染，并且現(xiàn)在也沒有解決廢舊電池回收的有效方法。參考文獻(xiàn)中做了壓電鞋的相關(guān)研究，壓電鞋能通過壓電材料的變形將人運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，在不久的將來有望用壓電鞋產(chǎn)生的電能代替鏗電池實(shí)現(xiàn)計(jì)步芯片的自供電，本文認(rèn)為這是一個(gè)很有前景的應(yīng)用，所以開展了計(jì)步器的相關(guān)研究和具體的設(shè)計(jì)工作。本文在計(jì)步器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中力求在滿足計(jì)步精度的要求下，盡可能通過軟硬件優(yōu)化降低系統(tǒng)的功耗，以期降低未來壓電供電的壓力。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）計(jì)步器大多使用MEMS加速度傳感器來獲取人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，MEMS加速度傳感器是用來測量加速度的，得益于MEMS工藝的快速發(fā)展，這種傳感器的功耗可以做到很低的水平，從而極大地降低了系統(tǒng)的功耗。計(jì)步器一般通過藍(lán)牙和手機(jī)APP雙向通信，藍(lán)牙通信協(xié)議具有功耗低，距離短等特點(diǎn)，藍(lán)牙通信協(xié)議有不同的版本，現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的是自2012年推出的藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)，該藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)擁有極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗，使用一粒紐扣電池甚至可使一些傳感器節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作數(shù)年之久。通過選用功耗低的芯片并且優(yōu)化計(jì)步算法，可以大大延長計(jì)步器的續(xù)航時(shí)間。小米手環(huán)1代的鏗電池容量為41mAh，續(xù)航時(shí)間高達(dá)30天，小米手環(huán)1代可以說是在功耗上表現(xiàn)最好的智能手環(huán)。在智能手環(huán)領(lǐng)域，市面上比較流行的手環(huán)大多兼顧了功能性和長續(xù)航，智能手環(huán)的續(xù)航時(shí)間大多在幾天到十幾天不等，國外著名的運(yùn)動(dòng)手環(huán)產(chǎn)品公司Fitbit的Flex智能手環(huán)的續(xù)航時(shí)間為7天，國內(nèi)知名的初創(chuàng)型公司的bong2P智能手環(huán)的續(xù)航時(shí)間為10天左右。智能跑鞋是智能手環(huán)之后的一個(gè)衍生品，計(jì)步是其最為重要的一個(gè)功能。國內(nèi)李寧公司的赤兔智能跑鞋只用了一顆紐扣電池，續(xù)航時(shí)間高達(dá)1年或者更久。小米科技公司生態(tài)鏈企業(yè)潤米科技的90分UltraSmart智能跑鞋續(xù)航時(shí)間為60天，其能夠精確監(jiān)測運(yùn)動(dòng)時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并且可以識(shí)別跑步、步行、騎行和爬樓4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本課題研究內(nèi)容本文設(shè)計(jì)的計(jì)步器功能是在步行、跑步、上樓、下樓四種常見運(yùn)動(dòng)模式下均可以準(zhǔn)確計(jì)步，并通過藍(lán)牙和手機(jī)APP進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)計(jì)步步數(shù)和其它內(nèi)容的顯示。同時(shí)在軟硬件上的設(shè)計(jì)上要盡量采用功耗低的方案，以提高鏗電池的使用壽命。為了達(dá)到上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文需要做的研究內(nèi)容如下:完成硬件電路的設(shè)計(jì)和制作。包括主控制器、加速度傳感器的選型以及其他外圍電路的設(shè)計(jì)，電路板的制作等。采集人體在四種不同運(yùn)動(dòng)模式的加速度數(shù)據(jù)，并分析加速度數(shù)據(jù)規(guī)律從而為算法設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。選擇合適的濾波器對加速度數(shù)據(jù)預(yù)處理，以消除高頻干擾對計(jì)步算法的影響，濾波器的設(shè)計(jì)要同時(shí)兼顧濾波算法的時(shí)間復(fù)雜度和實(shí)際的濾波器效果，在滿足濾波效果的前提下盡量降低算法的時(shí)間復(fù)雜度。設(shè)計(jì)計(jì)步算法，這是本文最為重要的部分。四種運(yùn)動(dòng)模式下的計(jì)步精度初步設(shè)定在95%以上，在滿足此計(jì)步精度的條件下，盡可能選擇簡單而有效的計(jì)步算法。在實(shí)際測試之前，可以通過MATLAB仿真的方法驗(yàn)證算法的可行性。(4)最后實(shí)際測試本文設(shè)計(jì)的計(jì)步器在步行、跑步、上樓、下樓四種運(yùn)動(dòng)模式下的計(jì)步精度，可以選擇主流智能跑鞋的計(jì)步器功能進(jìn)行對照測試，以分析和主流計(jì)步器計(jì)步精度的差距。本課題研究方案計(jì)步器設(shè)計(jì)方案分為硬件和軟件兩部分。硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，硬件電路的設(shè)計(jì)要在滿足功能需求的基礎(chǔ)上盡量選擇功耗低的方案，另外考慮到計(jì)步算法是本文的重點(diǎn)，所以在硬件設(shè)計(jì)上也要考慮到開源性和設(shè)計(jì)資料的豐富性，本文選擇用STM32作為計(jì)步器的主控制器，主要考慮到STM32擁有多種低功耗模式并且性能強(qiáng)悍。加速度傳感器本文選擇了ADXL362，它是目前業(yè)界功耗最低的加速度傳感器，并且性能參數(shù)滿足本文計(jì)步器的設(shè)計(jì)要求。研究目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度第一、二周(3月17日至3月28日) 查閱文獻(xiàn)，確定方案,根據(jù)任務(wù)書撰寫并完成開題報(bào)告。第三、四周（3月31日至4月11日）查找相關(guān)資料，進(jìn)行外文翻譯，按要求進(jìn)行控制器模型的設(shè)計(jì)。第五、六周（4月14日至4月25日）按要求進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測試功能。第七、八周（4月28日至5月9日）對系統(tǒng)進(jìn)行測試證明，優(yōu)化參數(shù)，達(dá)到最好的控制效果。第九、十周（5月12日至5月23日）書寫畢業(yè)論文。第十一、十二周（5月26日至6月6日）論文定稿，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。六、參考文獻(xiàn)[1]徐斌,裴曉芳,李太云,etal.穿戴式智能計(jì)步器設(shè)計(jì)[J].電子科技,2016,29(3):178-182.[2]張勁恒.基于單片機(jī)的智能計(jì)步器電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(15):250-250.[3]施文美.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正技術(shù)的智能計(jì)步器設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù),2016(9):32-35.[4]李月婷,姜成旭.基于nRF51的智能計(jì)步器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2016,35(21):91-93.[5]張童飛.基于BLE4.0的計(jì)步系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].2016.[6]李博戈,許曉飛.智能加速度計(jì)在電子計(jì)步器中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2016(7).[7]于廣艷.基于Android智能手表計(jì)步器的研究與設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2017(19):125-126.[8]尤嘉寧,俞靜,谷文林.利用智能手機(jī)三軸加速計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)步器應(yīng)用軟件及商用價(jià)值[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(06):85-88.[9]KX126:ROHM開發(fā)出內(nèi)置步行檢測及計(jì)步功能的加速度傳感器[J].世界電子元器件,2017(7