基於鏈碼算法的藍牙計步器的製作方法

2023-05-16 11:35:36 1

專利名稱：基於鏈碼算法的藍牙計步器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於鏈碼計步算法及計步管理系統，尤其是改進的弗裡曼鏈碼計 步算法的藍牙計步器。
背景技術：
國內外研究表明運動與人類的健康息息相關。而記錄人體運動強度的最簡單、 最方便的小型儀器就是計步器。目前，計步器設計所圍繞的創新點主要有以下幾個方面 1)計步的準確性可通過使用不同的傳感器，提高計步的準確性；CN1690661公開了一種 具有行走探測裝置的計步器，提高了計步精度，但要求使用者將此計步器佩戴在手臂上。 CN1012061M公開了一種具有自動步伐校正裝置的計步器，可以存儲個人的一些特徵，及判 定運動者是走路、跳躍或是跑步等姿態。在保證計步準確性的前提下，CN101086450公開了 一種基於磁傳感器的計步器。2)多功能的開發不僅具有計步功能，還增加了計算卡路裡、 裡程、運動速度等功能；CN1472508公開了一種組合式的計步器，將計步器與收音機電路板 組合在一起。CN1815145公開了一種手機中智能計步器的實現方法，將計步模塊與手機的 主體組合在一起，並藉助手機的顯示、存儲等實現計步功能。CN1670483公開了一種具有節 電功能的電子計步器。CN1779731公開了一種無線計步器，但是，它由佩戴於手腕上的發射 器與佩戴在腰間的接收器兩部分組成，設計複雜，儀器相對攜帶不便。CN101350208公開了 一種帶計步器的多媒體裝置，主要目的是讓使用者能隨著音樂節奏增加或降低步率，享受 健康運動。3)體積縮小體積，攜帶方便。CN101221050公開了一種使用振動傳感器放置於 手錶後殼中的計步器，體積小巧，但是計步準確性較差。CN1419127公開了利用一個能夠檢 測出多個方向的加速度傳感器，並利用這種傳感器構造的計步器，縮小了計步器的體積。實 質上，使用計步器就是為了讓使用者了解自身運動的情況，從而通過調整運動量，而達到改 善身體狀況的最終目的。這一目的的實現不能僅僅依靠使用者每一天、每一周、每一月的數 據，而是一個長期的數據積累過程。CN1779731A公布了一種可全方位接收無線計步信號的 無線計步器，具有3個接收天線，實現較為繁瑣；CN101592497A公布了一種具有數據傳輸功 能的計步器，但是需要使用USB連接線。Freeman (弗裡曼)鏈碼是由Herbert Freeman提出的一種可以高效並且準確地表 示高度不規則封閉線條結構圖形的編碼方法。但是，Freeman鏈碼適用於高度不規則的圖 像，因為在這些圖像中信息的分布相對比較均勻，或者說在任何方向都可能出現信息，從概 率上來講，是一種信息的均勻分布。所以，Freeman編碼中將區域分成了 8個部分，對於高 度不規則的圖形，每個部分中信息出現的概率大致是相等的。因此這種編碼方式是高效並 且準確的，既不會出現過多的冗餘，又不至於忽略掉大量的信息。然而，採自腰間的加速度 信號並非高度不規則分布，相反，在某些區域集中了大量信息，而另外一些區域中的信息相 對比較少，如果我們繼續採用Freeman鏈碼，在信息較多的地方會不能充分的表示，而在信 息較少的地方，會出現很多相似的編碼。

發明內容
本發明的目的就是針對上述現有技術的不足提供一種基於鏈碼算法的藍牙計步器。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明是由無線計步器1和具有藍牙功能的電腦或智慧型手機9兩部分構成。—無線計步器1是由數字3D加速度傳感器3經SPI接口與MCU主控模塊4連 接，MCU主控模塊4經串口與藍牙模塊5連接，電源模塊6分別與數字3D加速度傳感器3、 MCU主控模塊4、藍牙模塊5連接，MCU主控模塊4分別與鍵盤模塊7、顯示模塊8連接構成；——具有藍牙的智慧型手機或電腦9裝有計步管理系統2，藍牙模塊5與具有藍牙的 智慧型手機或電腦9無線通訊。計步管理系統2包括如下步驟A、計步算法開始一獲取數據並進行改進的弗裡曼編碼；B、編碼開始一提取第一個與第十個特徵點值一求兩個相鄰點斜率一通過相近原 則編碼一數據滿足條件一編碼結束，不滿足條件返回到提取第一個與第十個特徵點值進行
重新編碼；C、改進的弗裡曼編碼一提取波形特徵值一檢測步數一計步算法結束。改進的弗裡曼編碼是將弗裡曼鏈碼中均勻分布的8個方向改變為集中在右側的8 個方向，波形信號用一組數據[-4-3-2-101234]來表示。改進的弗裡曼編碼為在編碼中使用[-1-2-3-4]四個負數進行編碼，根據人體波 形的參數特點，選取單位距離長度為10來進行編碼。從保持各個角度內分布的信息量大致
相同這個原則出發，均分右半平面，每個角度相差i。有益效果本發明是基於鏈碼算法的計步器，具有藍牙無線數據發送功能，並能分 析及管理數據。優點在從圖像識別的角度，提出了一種基於改進的Freeman鏈碼的計步算 法，即能夠利用較少的計算實現類似模板匹配的算法。其主要功能是模仿人眼的功能，首先 實現波形的描述，然後根據波形的特徵進行計步。編碼方式高效且準確，實時性好，既不會 出現過多的冗餘，又不至於忽略掉大量的信息。較好地表示加速度信號波形。基於改進弗 裡曼鏈碼算法的藍牙計步器，既提高了計步的準確度，又利用藍牙技術實現了數據的傳送， 有利於數據的長期存儲及分析。


圖1是基於鏈碼算法的藍牙計步器結構框2是基於鏈碼算法的藍牙計步器的計步算法流程圖。圖3是附圖IMCU主控模塊4工作流程圖。圖4是改進的Freeman編碼結構圖。1無線計步器，2計步管理系統，3數字3D加速度傳感器，4MCU主控模塊，5藍牙模 塊，6電源模塊，7鍵盤模塊，8顯示模塊，9具有藍牙的智慧型手機或電腦。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例作進一步的詳細說明
如圖1所示，無線智能計步器主要由無線計步器1與計步管理系統2兩部分組成。 無線計步器1是由數字3D加速度傳感器3經SPI接口與MCU主控模塊4連接，MCU主控模 塊4經串口與藍牙模塊5連接，電源模塊6分別與數字3D加速度傳感器3、MCU主控模塊4、 藍牙模塊5連接，MCU主控模塊4分別與鍵盤模塊7、顯示模塊8連接構成。具有藍牙的智慧型手機或電腦9裝有計步管理系統2，藍牙模塊5與具有藍牙的智能 手機或電腦9無線通訊。計步管理系統2包括如下步驟A、計步算法開始一獲取數據並進行改進的弗裡曼編碼；B、編碼開始一提取第一個與第十個特徵點值一求兩個相鄰點斜率一通過相近原 則編碼一數據滿足條件一編碼結束，不滿足條件返回到提取第一個與第十個特徵點值進行
重新編碼；C、改進的弗裡曼編碼一提取波形特徵值一檢測步數一計步算法結束。改進的弗裡曼編碼是將弗裡曼鏈碼中均勻分布的8個方向改變為集中在右側的8 個方向，波形信號用一組數據[-4-3-2-101234]來表示。改進的弗裡曼編碼在編碼中使用[-1-2-3-4]四個負數進行編碼，根據人體波形 的參數特點，選取單位距離長度為10來進行編碼。從保持各個角度內分布的信息量大致相
同這個原則出發，均分右半平面，每個角度相差i。數字加速度傳感器3輸出模數轉換後得到的數位訊號，並且通過SPI接口和單片 機4連接。單片機4是計步器的主要控制模塊，它通過SPI 口從加速度傳感器3採集數據， 然後利用基於鏈碼的計步算法得到步數，算法如圖2所示。利用其他數據處理算法分別得 到卡路裡，裡程，和速度，並且每間隔一個小時存貯計步值。另外單片機4通過與液晶顯示 模塊8的接口程序顯示上述數據，通過與控制按鍵模塊7的接口程序得到人對它的命令。同 時單片機4在得到人的命令後，可以利用藍牙驅動程序通過無線傳輸模塊5向外發送數據。 計步管理系統2的主要功能是通過藍牙接收由無線傳輸模塊5發送的數據，然後對數據進 行進一步的處理，如繪製曲線圖，給出合理步行建議等。無線計步器工作流程如圖3所示。開始一MCU環境配置一按鍵掃描一傳感器讀取一鏈碼計步程序一數據處理及定 時存儲程序一顯示一掃描按鍵。軟體完成的功能主要包括單片機與傳感器、藍牙、控制按鍵/顯示模塊的接口程 序、計步程序，及其他數據處理程序組成。下面分別介紹1、接口程序接口程序包括單片機4與數字加速度傳感器3的接口(SPI 口)，單片機與無線傳 輸模塊5的接口程序(異步串行通信)，單片機4與按鍵控制模塊7的接口程序(普通I/O 口)，單片機4與液晶顯示模塊8的接口程序(異步串行通信)。2.計步程序圖像處理算法的優點在於可以處理視覺上直觀的圖形，尤其是當噪聲未知而難以 確定濾波算法的時候，利用圖像處理的算法精度要高於利用數值處理的算法。從圖像識別 的角度，提出了一種基於改進的Freeman鏈碼的計步算法，即能夠利用較少的計算實現類 似模板匹配的算法。其主要功能是模仿人眼的功能，首先實現波形的描述，然後根據波形的 特徵進行計步。同時考慮到數據的傳送與長期存儲，還增加了無線傳輸功能。
弗裡曼(Freeman)鏈碼是由Herbert Freeman提出的一種可以高效並且準確地表 示高度不規則封閉線條結構圖形的編碼方法。但是，Freeman鏈碼適用於高度不規則的圖 像，因為在這些圖像中信息的分布相對比較均勻，或者說在任何方向都可能出現信息，從概 率上來講，是一種信息的均勻分布。所以，Freeman編碼中將區域分成了 8個部分，對於高 度不規則的圖形，每個部分中信息出現的概率大致是相等的。這種編碼方式是高效並且準 確的，既不會出現過多的冗餘，又不至於忽略掉大量的信息。如圖4所示。然而，對於計步器來說，採自腰間的加速度信號並非高度不規則分布，相反，在某 些區域集中了大量信息，而另外一些區域中的信息相對比較少，如果我們繼續採用Freeman 鏈碼，在信息較多的地方會不能充分的表示，而在信息較少的地方，會出現很多相似的編 碼。所以將編碼進行以下的改進，以便它能更好地描述人體運動波形。使用Μ( θ )來表示一幅圖形中角度θ方向的信息量。那麼有^ M (θ) θ = \ (1)公式(1)表示在一幅二維圖像上，各個方向信息量的積分總數為1，也就是所有的 信息量。在Freeman鏈碼中，8個方向的信息量分別用一個數字來表示，S卩W1234567]。假設使用θ^θ^θ^θ^θ^θ^θ^ θ 7來表示各個鏈碼中各個角度，那麼有f/ = 0,1,2,3,4,5,6,7,^! =^7 C 2)
j9M 8在計步應用中，加速度信號波形曲線不是封閉的，而是一條分布在右側的單向曲 線，所以，要求新的編碼既能保持Freeman鏈碼的高效性，又能較好地表示加速度信號波 形。於是將編碼改進為如圖4所示的編碼，根據採集的加速度信號的特點，將Freeman鏈碼 中均勻分布的8個方向改變為集中在右側的8個方向，在編碼中使用了 [-1-2-3-4]四個負 數進行編碼，這樣不僅保持了信號中的大多信息，並在視覺上與原波形較相近，具體的編碼 過程如下首先確定波形的開始點為起點，然後經過單位距離N後判斷下一個點在編碼器 的哪個方向並且確定編碼，持續這個過程直到數據結束，然後即可將波形信號用一組數據 [-4-3-2-101234]來表示，編碼後的數據在視覺上依然和原始波形有相似之處。在這個過程中，有幾個參數需要設定。首先，單位距離長度N。當N較大時，能夠 較好的表示時間軸上大範圍的數據變化，當N較小時，能夠較好地表達時間軸上小範圍內 的細節變化。實際應用中可以選擇固定不變的N值，也可以通過自適應算法來不停的調整 N的值，使波形的各種特徵都能被較好的表示出來。根據人體波形的參數特徵與反覆實驗， 選取N為10來進行編碼。另外幾個重要參數就是角度的選擇。假設用角兩邊的編碼來代表這個角度。那 麼這些角度參數有如下特性。θ 選擇較小的值時，能夠更好的表達幅度上較小的細節變 化，而選擇較大的值時，能夠更好的消除紋波。θ^* θ u用於表現波形的主要輪廓信 息，如果沒必要區分，可以使用一個角度來代替。9+3和θ 3,4主要用於去除多餘的大脈衝 的信息。從保持各個角度內分布的信息量大致相同這個原則出發，均分右半平面，每個角 度相差f。具體算法如下
每隔十個點提取一個點作為編碼點，求兩個相鄰編碼點的斜率，然後根據圖4中 的方向，利用最近似的一個來表示。反覆進行這個過程直到掃描完所有數據為止。根據人體波形的參數，選擇固定N值為10來進行編碼。同時各個角度選為均分右 半平面。程序每隔十個點提取一個點作為編碼點，求兩個相鄰點的斜率，然後根據圖4中的 方向，利用最近似的一個來表示。反覆進行這個過程直到掃描完所有數據為止。程序的流 程圖如圖3所示。採用改進的鏈碼算法對原始加速度信號進行編碼後波形比較簡單。根據 人體運動波形特點，每個波群將對應一步。每個波群的特徵包括寬度和高度兩個參數，計步 主要利用這兩個參數來判斷是否有步數。因此，採用改進的Freeman鏈碼來處理腰部加速 度信號，為準確計步奠定基礎。利用計步的計步結果，然後利用經驗獲得每步的距離和消耗 的卡路裡，相乘以後即可得到裡程，速度，卡路裡。3、計步管理系統2計步管理系統完成數據的接收、存儲、查詢及統計分析功能。數據的接收分為自動 接收部分與手動接收部分，自動接收計步器發送的步數信息，使用者也可手動輸入自身的 體重、血糖等參數，方便統計分析。查詢提供按時間及步行量查詢。統計分析可繪製每日、 每周、每月及每年的步行數據曲線圖，並根據使用者輸入的一些人體參數，如體重、血糖等， 給出合理的步行量參考與指引。在單片機上，採用改進的鏈碼算法對原始加速度信號進行編碼後，不僅波形被簡 化了，噪聲也大多被抑制了。此時，再根據人體運動波形特點每個波群對應一步，提取出波 群的特徵值高度和數目這兩個參數，然後再利用這兩個參數來進行計步，將在很大程度上 提高計步的準確度。數字加速度傳感器3選用小尺寸，低價格和低功耗的三軸加速度計，它包括一個 3D-MEMS傳感元件和1個ASIC信號調理電路，最大量程為8g，最高精度為18mg，並利用SPI 與單片機4進行通信。MCU控制模塊4選用MSP430F449，它是一款優秀而又通用的單片機， 接口及模塊眾多，它是無線計步器1的核心控制元件，實現的主要功能包括與傳感器的接 口程序；數據處理程序；與藍牙模塊的接口程序；與按鍵及液晶的接口程序。無線傳輸模塊 5選用凌峰科技的LV-BC-2. 0型集成藍牙晶片，它與單片機4隻需利用異步串口發送數據即 可。由於所有使用的晶片可以在一個共同的工作電壓下工作，電源6使用可充電電池。人 機接口主要有兩個模塊，控制按鍵模塊7使用簡單的幾個按鍵即可，液晶顯示模塊8選用 JRM802C，這款液晶的體積及顯示都和我們的計步器搭配。計步管理系統2被安裝到智能手 機或微計算機系統上，可自動接收計步器發送來的數據，分析及管理數據。並通過長期的數 據跟蹤，為挖掘出運動與肥胖及一些慢性病，如糖尿病之間的關係奠定基礎。
權利要求
1.一種基於鏈碼算法的藍牙計步器，其特徵在於，是由無線計步器(1)和具有藍牙的 智慧型手機或電腦(9)構成；——無線計步器(1)是由數字3D加速度傳感器C3)經SPI接口與MCU主控模塊(4) 連接，MCU主控模塊(4)經串口與藍牙模塊( 連接，電源模塊(6)分別與數字3D加速度 傳感器(3)、MCU主控模塊0)、藍牙模塊( 連接，MCU主控模塊(4)分別與鍵盤模塊(7)、 顯示模塊(8)連接構成；一一具有藍牙的智慧型手機或電腦(9)裝有計步管理系統O)，藍牙模塊(5)與具有藍牙 的智慧型手機或電腦(9)無線通訊。
2.按照權利要求1所述的基於鏈碼算法的藍牙計步器，其特徵在於，計步管理系統(2) 包括以下順序和步驟A、計步算法開始一獲取數據並進行改進的弗裡曼編碼；B、編碼開始一提取第一個與第十個特徵點值一求兩個相鄰點斜率一通過相近原則編 碼一數據滿足條件一編碼結束，不滿足條件返回到提取第一個與第十個特徵點值進行重新 編碼；C、改進的弗裡曼編碼一提取波形特徵值一檢測步數一計步算法結束。
3.按照權利要求2所述的基於鏈碼算法的藍牙計步器，其特徵在於，改進的弗裡曼編 碼是將弗裡曼鏈碼中均勻分布的8個方向改變為集中在右側的8個方向，波形信號用一組 數據[-4-3-2-101234]來表示。
4.按照權利要求3所述的基於鏈碼算法的藍牙計步器，其特徵在於，改進的弗裡曼編 碼為在編碼中使用[-1-2-3-4]四個負數進行編碼，選取單位距離長度為10來進行編碼。從保持各個角度內分布的信息量大致相同這個原則出發，均分右半平面，每個角度相差f
全文摘要
本發明涉及一種基於鏈碼算法的藍牙計步器。是由無線計步器和具有藍牙功能的電腦或智慧型手機兩部分構成，兩者之間無線通訊。從圖像識別的角度，提出了一種基於改進的弗裡曼鏈碼的計步算法，利用較少的計算實現類似模板匹配的算法。其功能是模仿人眼的功能，首先實現波形的描述，然後根據波形的特徵進行計步。編碼方式高效且準確，實時性好，既不會出現過多的冗餘，又不至於忽略掉大量的信息，較好地表示加速度信號波形。基於改進弗裡曼鏈碼算法的藍牙計步器，既提高了計步的準確度，又利用藍牙技術實現了數據的傳送，有利於數據的長期存儲及分析。
文檔編號G01C22/00GK102095429SQ201010532969
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者劉光達, 尹炳琪, 李坤, 李肅義, 李飛, 楊美玲, 林君 申請人:吉林大學