CN105910621A - 一种具有测距功能的脚腕式计步装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有测距功能的脚腕式计步装置，属于人体运动信息检测技术领域。包括外壳、电路板、三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线。外壳通过腕带配戴在脚腕处，电路板固定在外壳上，三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线等电子元器件固定在电路板上；三轴微机械加速度计的信号输出端与篮牙模块中的单片机信号输入端相连接，篮牙模块的射频信号输出端与蓝牙天线的信号输入端相连接。本发明的脚腕式计步装置可以精确测量行走时每一步的距离，为精确计算卡路里消耗量和燃烧脂肪量提供准确的基础数据；而且测量灵敏度较高，大幅度提高了加速度输出信号的信噪比，对电梯、交通工具等外界振动干扰不敏感。

Description

一种具有测距功能的脚腕式计步装置

技术领域

本发明涉及一种具有测距功能的脚腕式计步装置，属于人体运动信息检测技术领域。

背景技术

近年来人们的生活方式发生了重大变化，导致人类身体运动的机会越来越少，随之而来的是肥胖、高血脂等生活方式病越来越多。而要解决这一情况，步行被认为是最有效的方式。计步器作为一种便携式健康管理工具，能够量化并监测人们的日常行走锻炼的步数、步行中卡路里消耗量和燃烧脂肪量，让人们可以很精确地对自己的健康进行管理，达到适量运动的目的，因而计步器获得了越来越广泛的应用。

人在行走过程中的卡路里消耗量和燃烧脂肪量与行走的速度和距离密切相关，但现有的计步器在计算卡路里消耗量和燃烧脂肪量时，主要依据用户自己输入的步距、计步器测得的步频和运动时间来计算行走速度和行走距离。由于用户对行走步距的估计数据误差较大，再加上行走过程中步距经常会发生变化，因此现有计步器的卡路里消耗量和燃烧脂肪量计算结果误差就会很大。

发明内容

本发明的目的是提出具有测距功能的脚腕式计步装置，通过三轴加速度计分别检测行走时脚腕处的垂直和前向加速度，利用行走时脚底撞击地面产生的垂直加速度进行计步，利用脚腕处的前向加速度进行距离测量，可精确获得每一步的行走时间和行走距离，从而为精确计算卡路里消耗量和燃烧脂肪量提供准确的基础数据。

本发明提出的具有测距功能的脚腕式计步装置，包括外壳、电路板、三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线；所述的外壳通过腕带戴在脚腕处，所述的电路板固定在外壳上，所述的三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线固定在电路板上；三轴微机械加速度计的信号输出端与篮牙模块的信号输入端相连接，篮牙模块的射频信号输出端与蓝牙天线的信号输入端相连接；

外壳，用于输入脚底间歇性撞击地面产生的振动和脚腕的前向运动，外壳通过腕带固定在脚腕处；

三轴微机械加速度计，用于将脚底间歇性撞击地面和脚腕前向运动产生的加速度物理信号转变成电信号，三轴微机械加速度计的Z轴敏感方向垂直于脚底，X和Y轴敏感方向平行于脚底；Z轴方向的加速度测量值Az就是脚腕处的垂直加速度，X和Y轴的输出信号分别为Ax和Ay，Ax和Ay的合成加速度就是脚腕处的前向加速度；

篮牙模块，内置的单片机首先对Z轴方向的加速度测量值Az(即垂直加速度)的峰值进行检测和计数，得到行走的步数；然后对X轴和Y轴的输出信号Ax和Ay进行合成，得到前向运动加速度，对前向运动加速度再进行二次积分，可实时获得行走时的距离；最后将计步数据和距离数据调制成射频信号输出给蓝牙天线；

电路板，用于固定并连接三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线，并将外壳的垂直振动和前向运动传递给三轴微机械加速度计。

本发明提出的具有测距功能的脚腕式计步装置，其优点是，利用三轴微机械加速度计分别检测行走时脚腕处的垂直和前向加速度，利用行走时脚底撞击地面产生的垂直加速度进行计步，利用脚腕处的前向加速度进行距离测量。与现有的计步装置相比，本发明提出的脚腕式计步装置可以精确测量行走时每一步的距离，为精确计算卡路里消耗量和燃烧脂肪量提供准确的基础数据；此外，由于三轴微机械加速度计接近脚底(振动源)，避免了膝关节、髋关节和脊椎等身体器官对脚底振动的缓冲，因此测量的灵敏度高，大幅度提高了加速度传感器输出信号的信噪比，对电梯、交通工具等外界振动干扰不敏感。

附图说明

图1是本发明提出的具有测距功能的脚腕式计步装置的结构示意图。

图2是本发明提出的脚腕式计步装置的电路原理框图。

图3是本发明提出的脚腕式计步装置的加速度计算原理图。

图4是本发明提出的脚腕式计步装置的测量原理图。

图1中，1是外壳，2是三轴微机械加速度计，3是内置单片机的篮牙模块，4是蓝牙天线，5是计步装置电路板。

具体实施方式

本发明提出的具有测距功能的脚腕式计步装置，其结构示意图图1所示，包括：外壳1、电路板5、三轴微机械加速度计2、内置单片机的篮牙模块3、蓝牙天线4；外壳1通过腕带固定在脚腕上；电路板4通过螺钉固定在外壳上。三轴微机械加速度计2、内置单片机的篮牙模块3和蓝牙天线4等电子元器件固定在电路板4上；三轴微机械加速度计的信号输出端与篮牙模块3内的单片机信号输入端相连接，篮牙模块3的信号输出端与蓝牙天线4的信号输入端相连接，如图2所示。

本装置的各器件的功能为：

外壳1，用于输入脚底撞击地面时产生的垂直振动和脚腕的前向运动。

三轴微机械加速度计2，用于将外壳1产生的垂直和前向加速度物理信号转变成电信号；

篮牙模块3，内置单片机首先根据三轴微机械加速度计2的Z轴输出信号Az，判断垂直加速度电信号的峰值并进行计数；然后将X和Y轴的输出信号Ax和Ay合成为前向加速度，并对前向加速度进行二次积分，实时获得步距数据；最后将计步数据和步距数据调制成2.4GHz的射频信号输出给蓝牙天线4；

蓝牙天线4，用于将篮牙模块3输出的2.4GHz射频信号以无线方式传输到智能手机，由智能手机APP应用软件显示行走的步数和步距，并根据计步数据、距离数据和步频，计算和显示行走过程中的卡路里消耗量和燃烧脂肪量；

电路板5，用于固定并连接三轴微机械加速度计2、篮牙模块3和蓝牙天线4，并将外壳1的垂直振动和前向运动传递给三轴微机械加速度计2。

本发明的脚腕式计步装置的一个实施例中，使用ST公司生产的LIS3DH三轴MEMS微机械加速度计；使用TI公司生产的CC2541篮牙模块，该模块内置有增强型8051MCU、256KB可编程闪存和8KB RAM；使用Johanson公司的2450AT45A100陶瓷贴片天线。

本发明的具有测距功能的脚腕式计步装置，其中的三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线等电子元器件固定在电路板上，电路板固定在外壳内，整个计步装置用腕带佩戴在使用者的脚腕处。

本发明具有测距功能的脚腕式计步装置的工作原理是：

人在行走过程中会不断抬脚落脚，落脚时脚底与地面会发生间歇性的撞击，撞击产生的振动通过脚腕传导到计步装置中的三轴微机械加速度计2上，三轴微机械加速度计2的Z轴敏感方向垂直于脚底，可将振动产生的垂直加速度物理信号转变成为电信号，篮牙模块3中的单片机对垂直加速度电信号进行阈值判断，就能进行计数。如图3所示，X、Y、Z轴分别为三轴加速度计的三个敏感方向，Ax、Ay、Az分别为X、Y、Z三轴方向的加速度测量值。设计时，使Z轴垂直于脚底，Az就是垂直加速度；行走时脚腕只有前向运动，没有侧向运动，因此Ax和Ay的合成加速度就是前向加速度。

行走时脚腕的前向运动会产生前向运动加速度，如图4所示，三轴微机械加速度计2的X和Y轴敏感方向虽然不固定，但由于行走时脚腕只有前向运动，不可能有侧向运动，因此X和Y轴方向的测量加速度输出值Ax和Ay的合成加速度就是前向加速度。

行走过程中，每次脚底全部落地时，脚与地面没有相对运动，即脚的前向运动速度为零。利用行走过程中，脚落地时前向速度为零这一特性，计算每一步的行走距离(步距)时，将初始速度清零，可消除距离测量过程中的积分累计误差。

篮牙模块3最后将计步数据和步距数据调制成2.4GHz的射频信号输出给蓝牙天线4，蓝牙天线4将射频信号以无线方式传输到智能手机，智能手机APP应用软件显示行走的步数和步距，并根据计步数据、步距数据和步频，计算和显示行走过程中的卡路里消耗量和燃烧脂肪量。

本发明提出的具有测距功能的脚腕式计步装置，利用三轴加速度计分别检测行走时脚腕处的垂直和前向加速度，利用行走时脚底撞击地面产生的垂直加速度进行计步，利用脚腕处的前向加速度进行距离测量。与现有的计步装置相比，本发明提出的脚腕式计步装置可以精确测量行走时的每一步距离，为精确计算卡路里消耗量和燃烧脂肪量提供准确的基础数据；此外，由于三轴加速度计接近脚底(振动源)，避免了人体对脚底振动的缓冲，因此测量的灵敏度较高，大幅度提高了加速度输出信号的信噪比，对电梯、交通工具等外界振动干扰不敏感。

Claims (1)

1.一种具有测距功能的脚腕式计步装置，其特征在于，该计步装置包括外壳、电路板、三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线；所述的外壳通过腕带戴在脚腕处，所述的电路板固定在外壳上，所述的三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线固定在电路板上；三轴微机械加速度计的信号输出端与篮牙模块的信号输入端相连接，篮牙模块的射频信号输出端与蓝牙天线的信号输入端相连接；

外壳，用于输入脚底间歇性撞击地面产生的振动和脚腕的前向运动，外壳通过腕带固定在脚腕处；

三轴微机械加速度计，用于将脚底间歇性撞击地面和脚腕前向运动产生的加速度物理信号转变成电信号，三轴微机械加速度计的Z轴敏感方向垂直于脚底，X和Y轴敏感方向平行于脚底；Z轴方向的加速度测量值Az就是脚腕处的垂直加速度，X和Y轴的输出信号分别为Ax和Ay，Ax和Ay的合成加速度就是脚腕处的前向加速度；

篮牙模块，内置的单片机首先对Z轴方向的加速度测量值Az的峰值进行检测和计数，得到行走的步数；然后对X轴和Y轴的输出信号Ax和Ay进行合成，得到前向运动加速度，对前向运动加速度再进行二次积分，可实时获得行走时的距离；最后将计步数据和距离数据调制成射频信号输出给蓝牙天线；

电路板，用于固定并连接三轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线，并将外壳的垂直振动和前向运动传递给三轴微机械加速度计。