立项申请书

1/11大学生创新训练计划申请书项目编号项目名称基于MEMS加速度传感器的计步器设计申报级别□国家级（含省级）校级项目负责人付莎莎联系电话[phone]所在学院电子信息工程学院学号201421111060专业班级电信1403指导教师黄丽联系电话[phone]申请日期2015年12月28日起止年月2016年1月至2017年1月中南民族大学2/11一、基本情况项目名称基于MEMS加速度传感器的计步器设计所属学科电子与通信技术申请金额2500元起止年月2016年1月2017年1月负责人姓名付莎莎性别女民族汉身份证号429004199608253544学号201421111060联系方式手机:[phone]QQ:813140773指导教师黄丽个人信息职称：讲师学历：博士E-mail:[e-mail]负责人曾经参与科研的情况（1）2015年简易智能车比赛三等奖（2）对加速度传感器进行了调研,了解系统需求。（3）熟悉掌握嵌入式系统软硬件开发，如C51/STM32F103单片机系统软硬件开发。指导教师承担科研课题情况（1）深圳市中兴通讯股份有限公司监控开发部工作近五年，从事过配网自动化、环境监控、视频监控系统等产品的研发设计工作。（2）UTstarcom公司深圳研发中心工作近五年，从事过媒体网关、IPTV、3GRNC和基站、GEPON光传输等项目的研发设计工作。（3）申请专利三项。（4）曾从事通信系统和宽带无线通信技术等领域的前沿研究，熟悉无线通信网络和监控安防系统设计。指导教师对本项目的支持情况（1）按时间节点参与本项目的指导与阶段性成果检查。（2）负责联系外校或相关企业专家参与项目评审及技术指导。项目组主要成员姓名学号手机号所在学院项目中的分工付莎莎20142111106015927072505电子信息工程学院软件调试，项目规划袁洪平20142111104613437129513电子信息工程学院软件调试，硬件测试兰剑龙20142111104915997426361电子信息工程学院软件调试，硬件测试3/11二、立项依据（一）项目简介当今社会人们越来越注重锻炼身体，为此本项目拟设计一种基于MEMS加速度传感器的计步器，检测人体步行或跑步等运动情况，实现准确计步并记录人体的运动状况。设计中拟利用MEMS三轴加速度传感器芯片检测加速度，该传感器利用微型机械结构和电子电路集成技术，实现三轴加速度测量,研究设计相关算法计算人体运动的步数和运动状态。（二）国内外研究现状和发展动态2.1国内外计步器的发展现状早期的计步器通常利用摆锤原理做为计步技术,目前计步器的构成有机械式和电子式两种。机械式的计步器利用人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，内部处理器通过判断电子脉冲的方法来实现计步功能。这种机械方式的成本比较低，但是它的准确性和灵敏度很低。后来发展到用电子感应和加速计技术，常用的是基于加速度传感器的电子式的计步器。这两种技术和之前的摆锤技术相比更准确，更为重要的是，不必像之前那样计步器需要佩带需要和垂直于地面而一般只能带于皮带上，因靠感应身体的震动而计步，可以更多方向的佩带，特别是加速计，更是可以360度任何方向的运作。所以可放在口袋或是挂在脖子上，如果计步器体积够簿小，更是可以放在钱包里面。2.2MEMS加速度传感器的发展现状20世纪80年代以来，美、德、法、俄等国家的一些公司相继开展微硅陀螺、微硅加速度计等微型惯性仪表的研究，并进行微型惯性测量组合的研究。美国在MEMS加速度传感器以及微型导航系统技术方面处于世界领先地位。随着MEMS技术的发展，微机械惯性器件的研究取得了很大的进展。目前已有微型加速度计和微型硅陀螺仪的商品生产，体积和重量均很小，但尚需提高精度。美国模拟器件公司(ADI公司)的集成加速度计是微机械与微电子集成的标志性产品，主要用于汽车防撞气囊的弹出控制，年产值超过2亿美元。ADI公司基于MEMS技术的惯性传感器供货量已达到2亿只。NJM公司正在研制使用MEMS技术的战术级IMU，与现有装置相比，成本大幅降低，体积大为减小，功耗也更小。MEMS加速度感器正在向精度更高和集成度更高的方向发展，其中MEMS陀螺的发展尤为明显。MEMS加速度计是所有MEMS传感器中商业市场化最为成功的，它在精度方面已能满足战略导弹的应用要求。微机械加速度计在工程上达到的精度为4/111×10-4g，潜在精度还可以提高一个数量级。MEMS陀螺的性能也接近或达到战术级导航的水平。微机械陀螺的分辨率达到(1°～100°)/h，在工程上可以实现10°/h的精度。石英微机械陀螺已批量生产，有的硅微陀螺已实用化。尽管也开发出来一些高精度的微机械加速度计，但其价格昂贵，从整体上来说精度水平还不很高。MEMS加速度传感器件在结构设计、制造技术、电路构成、集成、封装及试验系统等方面仍然存在一定问题，有待进一步解决。高精度、抗恶劣环境和多传感器一体化集成是MEMS传感器的研究热点和发展方向，器件的设计和生成工具也是研究的一个重要方面。我国从20世纪80年代末开始了MEMS技术的研究，包括硅微型压力传感器、微型电机和微型泵。10多年来研究队伍逐步扩大，本世纪初已形成40多个单位的50多个研究小组，在MEMS传感器方面开展了大量的研究工作，取得了长足的进步。MEMS研究方向包括：微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和制动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。国内公开发表文献表明，我国研制的振动轮式机械陀螺零偏稳定性达到70°/h，随机游走噪声达到30°/。但由于基础研究的薄弱，技术人员的缺乏，技术和资金投入的不足，我国在各个技术方面与国外发达国家相比还有一定的差距，主要体现在批量生产时性能的稳定性和器件的完好率都有待于提高。2.3发展趋势基于加速度传感器的电子式的计步器可以精确测得人行走时的步态加速度信号。通过微控制器相关算法可以获得人行走时的步数，这种电子计步器具有功耗低，精确度和灵敏度高等优点。计步器最基本的功能就是计步，在散步甚至跑步的时候能帮助计算共走了几步。除计步功能外,卡路里、距离、收音机和时间也是计步器通常带有的功能，这些功能都非常普遍。随着发展的深入，温度计，高度计、心率计、秒表和气压计等很多针对户外活动的功能也越来越多的应用于计步器。总之计步器的发展趋势就是更加便携、精确、功能多样化。（三）研究目的本课题研究的基于加速度传感器计步器，通过分析人体行走或跑步过程中多处部位运动时产生的加速度特性，根据加速度与时间的曲线关系（会在某一点形成峰值），通过特定算法计算出人体运动的步数，并估算出距离。另外，除完成一定精度的计步器设计外，还可以在此基础上对人体跌倒进行检测和运动能耗测量。（四）研究内容本项目以快速准确的智能计步检测为主要着力点，进行以下几点研究：5/11（1）三轴加速度传感器检测模块MEMS(Micro-Electro-Mechanicsystem，微机电系统)是一种新的传感器制作工艺，基于此设计的加速度传感器具有体积更小、功耗低、灵敏度高等优点。为实现计步功能，我们将用加速度参数来描述人的行走行为。通过步态加速度信号提取人步行的特征参数是一种简便、可行的步态分析方法。行走运动包括3个分量，分别是前向、侧向以及垂直向，如图1所示。ADXL345是一种三轴(X，Y，Z轴)的数字输出加速度器，可以与运动的3方向相对应。图1人体行走模型行走运动分量在一个步伐，即一个迈步周期中加速度变化规律如图2所示，脚蹬地离开地面是一步的开始。此时,由于地面的反作用力垂直加速度开始增大，身体重心上移，当脚达到最高位置时，垂直加速度达到最大，然后脚向下运动，垂直加速度开始减小，直至脚着地，加速度减至最小值，接着下一次迈步发生。前向加速度由脚与地面的摩擦力产生的，因此双脚触地时增大，一脚离地时减小。图2人体行走模型分析正常人行走时，会有明显的垂直上下运动，因此Z轴加速度变化最大，除此之外人在其前进方向和侧向方向也有一定的加速度，考虑到检测加速的精确性我们选用ADXL345。ADXL345具有活动检测、敲击检测、自由落体检测功能，该传感器尺寸小，功耗低，分辨率高达13位，测量范围可达+16g，其灵敏度读之高完全达到了要求。并且它提供了SPI和I2C两种数字访问接口，编程简单方便，非常适合用于移动设备上。6/11（2）计步算法模块人在行走时会有非常明显的竖直方向的加速度，当我们定义垂直方向为Z轴，前进方向为X轴，侧向为Y轴，建立右手直角坐标系(如图1所示)，则在Z轴上具有明显的加速度，且加速度变化最为明显，然而如果仅仅对Z轴加速度数据进行分析处理，则计步器在使用时要求Z轴必须严格垂直向上，否则会严重影响计步精度。为此我们将利用ADXL345检测和加速度，再利用STM32对和加速度进行处理，这样会降低计步器佩戴的要求。热在行走时，腰部加速度呈现简谐波状变化，如图3所示：图3人体行走时腰部加速度信号然后利用峰值探测法进行计步，检测到一次峰值说明人已经走了一步，为了降低行走过程中身体颤抖对峰值探测的干扰，引入时间和幅值双阈值发保证计步的准确性。（五）创新点与项目特色本项目创新点分别是高准确度计步算法、LCD图形化显示数据曲线、网络通信功能、低功耗设计几方面。5.1高精度计步算法智能计步器对人体运动状态进行检测后转换为实际步数,并根据平均的步长累积运动里程,进一步估算出消耗的热量(卡路里)。5.2LCD图形化显示数据曲线智能计步器对人体运动状态进行检测后在LCD上显示实际步数,并对其进行数学统计分析，同时显示出运动里程和消耗的热量(卡路里)。以曲线的形式显示数据，更直观具体显出出人体的运动状态。7/115.3网络通信功能在智能计步器中加入无线通信模块，可将测量数据传递到手机或电脑等设备，便于对历史数据进行存储和分析,实时跟踪运动状态。5.4低功耗设计功能模块可采用电池或USB充电宝供电,软件算法上考虑低功耗设计。为降低功耗,当处理器不工作时进入休眠模式,减少CPU和LCD显示器模块的功耗。（六）技术路线、拟解决的问题及预期成果6.1技术路线计步器总体上来说由控制器模块、输入模块、输出模块和电源模块组成。对仿真器进行编程，使单片机作为主控制设备对采集到的传感器信号进行处理，最后通过LCD显示输出。图4智能计步器硬件框图1)控制器模块采用STM32f103处理器，执行传感器检测和软件算法模块。图5为一次步行实验中，ADXL345检测到的X，Y，Z轴的加速度变化情况。可以看出:Z轴加速度数据(人行走的竖直方向)具有明显的周期性，加速度值最小处对应的是脚离开地面(一步的开始或结束)，最大值对应脚抬到最高点。图5加速度传感器的三轴输出在具体使用时，手持设备的放置情况是随意的，加速度计的3个轴有可能不与人体模型定义的3个轴向重合，利用加速度的峰—峰值来判断加速输出最大的一轴作为有效轴。但这种方法易丢失计数点，使计数不够准确。为了充分利用加主控芯片传感器模块无线通信模块显示模块按键设置8/11速度传感器输出的三轴信号，课题拟将加速度信号进行取模求和后用来计步。2)输入模块采用基于MEMS原理的ADXL345加速度传感器，检测出加速度变化后交给CPU处理运算。输入模块的关键在于加速度传感器的精度与是否有现成的模块，而不是需要传感器感触装置本身，因为在电路制作中，存在模块的传感器将大大方便PCB板的制作，只需要搞清它的封装及引脚图就可以正确地使用。3)人机接口模块采用LCD液晶触摸屏显示，为方便使用,采用简单的人机接口,在计步器触摸屏上设计少量的按键(开始键，停止键，重新计数键等)。在测试过程中，我们选择用单片机的进行调试，后续用到实际模块。4)电源模块可采用电池或USB充电宝供电,软件算法上考虑低功耗设计。6.2拟解决的问题计步器的关键技术是如何将传感器测量数据转化为实际步数,提高测量的精度和准确度,为此课题的研究重点是控制器的算法模块。在软件算法方面，我们需要大量