一种基于物联网的计步器设计

图 3 协调器、路由器和计步器的硬件设计框图
趪趯 现代计算机 2012.03
开发案例
络。
间差的聚类算法来判断人体的运动分段， 最终达到确
定运动类型和计步的功能， 并通过统计各运动类型的
持续时间来估算人体运动消耗的能量。




2,
现代计算机 2012.03 趪趰
开发案例
划分法。 利用各聚类中对象的时间差来获得聚类相似 度，即引力中心，当时间差最接近某个引力中心时，就 聚到该类中。
设 任 意 连 续 七 个 有 效 步 伐 的 时 间 分 别 为 ：ti，ti+1， ti+2，ti+3，ti+4，ti+5，ti+6；则 各段时间差分别设为 ：Δti=ti+1-ti（i∈ ［1，6］）。 则时间差的差|Δti+1-Δti|反应了两段运动的时间 变化率。 设 η 为一个很小的阈值，取值为该段平均时间 差 的 十 分 之 一 ， 如 果 |Δti+1-Δti|<η， 则 表 示 这 三 个 步 伐 的 运动间隔很均匀，是同一种运动类型，应该合为一个集 合。 若出现下列情况：｜Δt2-Δt1｜<η，｜Δt3-Δt2｜<η，｜Δt4-Δt3｜< η，｜Δt5-Δt4｜<η，｜Δt6-Δt5｜<η；则 ti+4 可能是一个采样噪点 ， 也可能是下一段运动的开始。 如果下一段运动和上一 段运动的类型相同，则 ，若 Δt4<ε，即 时 间 间 隔 非 常 小 ， 设定为小于之前相同运动类型的一个时间间隔， 视为 采样出现了误差， 并忽略该误差， 作为一个集合来处 理；若 Δt4>ε，视为同类型的两段运动，作为两个集合分 别计时。 如果下一段运动和上一段运动的类型不同，则 视为两段不同的运动，作为两个集合分别处理即可。
本文提出的基于物联网的计步器通过物联网平台 将所有使用的计步器信息整合起来， 不仅可以计算出 人体运动的步数， 更重要的是该计步器提供的数据可 以作为人体运动的量化指标， 可以根据不同运动模式 及持续时间来估算人体在运动中消耗的总能量， 而且 通过物联网和互联网，方便查询、管理和实时的调控运 动量， 从而使本文的计步器可以广泛应用于身体健康 训练、体育训练等多个领域。
消息传递的数据包的格式设计如下： [SOP BASEID TIME SEQNUM DATA]
其中，SOP 是包头，1 个 BYTE，固定为 0xAA； BASEID 是 路 由 器 编 号 ，1 个 BYTE，TIME 表 示 采 样 时 间 ，1 个 BYTE，SEQNUM 表 示 包 序 列 号 ，2 个 BYTE，DATA 是数据域，3 个 BYTE 分别为 X、Y、Z 三个 方向的加速度信息。 计步器开始工作时， 它会自动以广播的方式来搜 索网络，检测到与自己预留 PAN 信标相符的网络后就 主动向协调器申请加入网络。 加入网络成功后开始按 周期发送加速度信息；加入网络失败就进入休眠期，当 有协调器的广播信息来唤醒时再次以广播方式搜索网
端节点之间可以直接通信，在本文中，利用终端节点可 以起到自动接力传递的作用，这样，通过终端节点可以 扩展该无线传感网络的覆盖范围， 而且在多个计步器 同时使用时有路由器的存储转发也不会造成拥塞。 所 以，本文采用网状拓扑结构。
2.3 无线传感网络各节点设计 协调器节点的射频模块采用 CC2530 芯片， 通过
ZigBee 技术是一种新兴的短距离、 短时延、 低功 耗、低数据传输速率、低成本和低复杂度、网络容量大、 安全可靠的无线网络技术[1]。 ZigBee 协议的物理层和 MAC 层由 IEEE 802.15.4 定义，网络层、应用层和安全 服务由 ZigBee 联盟定义。 传递的数据信息可以进入到 计算机用于存储和分析[2]。 2.2 ZigBee 组网分析
在分段集合完成后， 就按照各自的时间差均值被 最近的引力中心聚到一类，最后记录各类的步伐数、运 动类型和持续时间。
3.2 运动耗能的估算 MET 是评价代谢水平的重要指标，按照美国疾控
中 心（CDC）[3]制定的标准，小于 3METs 是低强度运动 ， 3~6 是中等强度运动，大于 6METs 是高强度运动。 本文 同样将人体运动分为低强度运动、 中等强度运动和高 强度运动，为了提高估算的准确度 ，根 据 戴 剑 松[4]的 研 究， 将中等强度运动和高强度运动又各分为一级和二 级。
关键词： 物联网； ZigBee； 无线传感网络； 计步器； SMB380
0 引言
目前，计步器有机械式和电子式两种。 机械式的计 步器利用人体行走时的振动引起计步器内部簧片或者 弹力小球的振动来产生电子脉冲， 通过内部处理器判 断电子脉冲的方法来实现计步的功能。 这种机械式方 式的成本比较低但准确性和灵敏度也很低。 而电子式 计步器可以克服机械式的准确性和灵敏度低的缺点。 这些传统的普通计步器，在使用时都是孤立的节点，并 没有一个平台能将它们整合起来，难以实现集中的、实 时的监控和管理， 所以不能满足各种体育训练管理部 门和健康训练机构需要集中管理和在线实时监控使用 者运动量等信息的要求， 而计步器本身的推广使用和 发展也因此受到严重的制约。
ZigBee 无线通信网络有三种拓扑形式： 星型网络 拓扑、网型网络拓扑和树状网络拓扑（簇状网络拓扑）。
收稿日期：2012-03-09 修稿日期：2012-03-13 作 者 简 介 ：陈 泓 竹 （1985-），男 ，四 川 简 阳 人 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 数 据 融 合 、物 联 网 研 发
开发案例
一种基于物联网的计步器设计
陈泓竹
（四川大学计算机学院， 成都 610065)
摘 要： 提出一种新的计步器的工 作模 式 ，利 用物 联 网 平台 将 计 步器 终 端 和 PC 联 系 起 来。 计 步 器 只作为一个终端，利用加速度传感器采集人体运动的加速度信息。 通过基于 ZigBee 技术的 无 线 传 感 网 络 加 速 度 信 息 被 上 传 至 PC，最 终 由 PC 来 完 成 计 步 、用 户 管 理 、能 量 消 耗 估 算 和提供网络服务等功能。 物联网平台的使用使得信息采集和处理分开进行可以容易实现， 从而让计步器的设计和使用 都 更 加简 单 ，而 且利 用 到 了 PC 的 硬 件 优势 来 进 行高 效 率 的运 算。 物联网和互联网相联系，使得基于物联网的计步器具有更多、更实用的功能。
1 总体结构
图 1 给出了基于物联网的计步器总体结构图，主 要分为无线传感网络部分和计算机相关部分。 无线传 感网络部分主要由计步器、路由器和协调器组成，而计 算机相关部分主要由计算机和周围设备以及计算机网 络组成。
2 基于 ZigBee 的物联网
本 文 使 用 的 物 联 网 采 用 基 于 ZigBee 通 信 协 议 的 网状拓扑结构的无线传感网络。 计步器是终端节点，产 生的信息经由无线路由器传到唯一的协调器。 2.1 ZigBee 技术简介
终端节点计步器的核心部件是加速度传感器和无 线 传 感 芯 片 。 本 文 采 用 CC2530 芯 片 和 博 世 公 司 的 SMB380 三轴加速度传感器。 加速度传感器通过 I2C 总 线与无线传感芯片连接， 无线传感芯片与 SMB380 同 步通过串行接口读取后发送。 电源同样由 3V 干电池供 电。
现代计算机 2012.03 趪趮
开发案例
图 1 基于物联网的计步器总体结构
图 2 ZigBee 的网络拓扑类型 星型拓扑是最简单的一种拓扑形式， 包含一个网 络协调器节点和一系列终端节点， 每个终端节点只能 和网络协调器节点进行通信。 当在短时间内有多个计 步器同时使用时协调器有可能成为整个网络的瓶颈， 而且其覆盖的范围不是很广。 树状拓扑包括一个网络协调器节点以及一系列路 由节点和终端节点。 路由节点也可以连接一系列的路 由节点和终端节点作为子节点。 这样可以重复多个层 级。 网状拓扑结构与树型拓扑结构相比， 区别在于终
在估算时， 按性别对照步频栏， 从小到大逐个比 较， 将运动强度归于表中第一个不大于该运动强度步 频指标的等级。 五级强度分别相当于缓慢行走、慢走、 快走、慢跑和中速跑。 由 Schutz[5]的研究，人们日常活动 中的步行速度很少低于 2mph (约为 93steps/min)，在有 意义的能量估算中不会造成明显的影响。 人在运动时 快跑也不会持续很长时间， 所以在有意义的能量估算 中 也 不 会 造 成 明 显 的 影 响 。 男 性 步 频 大 于 187 steps/ min，单位热量消耗按 0.186 kcal/(kg*min)计算；女性步 频 大 于 186 steps/min， 单 位 热 量 消 耗 按 0.164 kcal/ (kg*min)计算。
/ !

3456

!
"#


$!%
&’
*+,-. /01
()
图 4 ZigBee 新节点加入流程图
3 上位机程序设计
上位机程序对从协调器收到的人体运动加速度信 息进行处理，得到运Байду номын сангаас步数信息，判断出运动类型，根 据各种运动类型的累计时间计算出计步器使用者的能 量消耗，并提供查询功能。
由于 Z 轴加速度信息依然有少量的噪音存在，不 能简单地用极大值或极小值来确定步伐。 本文采用时 间差值和加速度差值的比较来去除噪音， 并用基于时
图 5 人体行走时 SMB380 三轴输出数据曲线图
（1）有效步伐的确定 一对连续的波峰和波谷代表了人体运动的一个步 伐，本文采用统计波峰的方法来达到统计步伐的目的。 由于人体运动一般不会超过 5 步/秒， 即在 1 秒内理论 上不会出现多余 5 个波峰， 连续的两个波峰之间的时 间差也不会小于 0.2s。 设定采样频率为 50 次/秒，记录 采样时间 t 和 Z 轴的加速度 信 息 Acc。 如 果 一 个 点 的 Acc 值比前后各两次采样值都大， 则视为一个极大 值 并 将 该 信 息 和 与 前 一 个 极 值 的 时 间 差 Δt 及 Acc 值 存 入一个二维链表。 时间差 Δt 代表的就是两个假定步伐 之间的时间差，如果 Δt 小于 0.2 秒，就将两个极大值中 Acc 较小者视为采样噪点从二维链表中去掉 ， 并 将剩 下者重新与链表中的前一记录重复上述比较；大于 0.2 秒的，如果 Acc 值比前后的 Acc 值都小 20%或者更多， 也视为噪点去掉。 剩下的一个极大值就确定为一个有 效步伐。 在计算时间差时，如果 SEQNUM 值更大的数据包 中 TIME 值更小，则是 TIME 值发生了溢出，在该 TIME 值首位前添一后再计算。 （2）基于时间差的聚类算法 在自然科学和社会科学中， 存在着大量的分类问 题。 聚类分析又称群分析，它是研究分类问题的一种统 计分析方法。 本 文 采 用 类 似 K-means 算 法 的 一 种 分 段 聚 类 的
3.1 去噪和分类型计时的算法设计
描述人体行走的可以用距离、速度等很多参数，本 文主要采用加速度来模拟人体行走。
由技术手册可知，SMB380 可以测量静态和动态的 加速度， 三个相互垂直的轴在地心引力范围内保持绝 对的方向。 传回的加速度信息是数字信号，正好可以作 为垂直、前向和侧向三个方向的传感器。 如图 3 所示， SMB380 传感器三轴的数据输出就代 表 了 人 体 行 走 三 个方向的加速度。 从图中可以看到，三个方向中垂直方 向 （Z 轴 ）是 有 很 明 显 的 周 期 性 的 ，而 水 平 分 量 有 大 量 的噪音存在， 所以我们只要提取出三个方向轴的信息 中垂直分量进行分析。
I2C 总线与 CP2102 相连，并通过 PC 的 USB 接口与 PC 相 连 ，实 现 数 据 的 传 输 ，并 且 ，由 PC 通 过 USB 接 口 向 协调器节点提供电源。
路由器节点是简化的协调器节点，不需要和 PC 连 接，所以主要器件由 CC2530 芯片和电源组成。 电源采 用 3V 干电池供电， 由于 ZigBee 有自动休眠的节能功 能，一对 1.5V 干电池的使用寿命可以达到一年以上。