本應(yīng)用筆記介紹了367軸數(shù)字加速度計(jì)ADXL3的計(jì)步器算法實(shí)現(xiàn)。該算法基于對(duì)預(yù)定義時(shí)間窗口內(nèi)步進(jìn)產(chǎn)生的加速度的峰值檢測(cè)分析。腕戴式用例的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同情況下，平均準(zhǔn)確率約為 97%。

使用慣性傳感器計(jì)步

計(jì)步是任何健身可穿戴設(shè)備中最常見(jiàn)的功能之一，通常利用數(shù)字慣性傳感器（如加速度計(jì)和陀螺儀）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算步數(shù)的兩種主要方法在分析手臂的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)部分和測(cè)量步數(shù)沖擊加速度部分中進(jìn)行了討論。

分析手臂的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)

一只手臂自然會(huì)隨著對(duì)方腿的動(dòng)作擺動(dòng)，關(guān)系是每?jī)刹綌[動(dòng)一只手臂。一般來(lái)說(shuō)，陀螺儀更適合分析手臂的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

測(cè)量臺(tái)階沖擊加速度

步行或跑步時(shí)，臺(tái)階會(huì)產(chǎn)生向前和垂直的加速度，其幅度和頻率因人而異。垂直加速度的幅度往往高于前向加速度，它發(fā)生在步行循環(huán)的階段，前腳的腳跟與地面接觸，如圖1所示。該特性通常用于使用加速度計(jì)進(jìn)行步進(jìn)計(jì)數(shù)，這也是本應(yīng)用筆記的重點(diǎn)。

圖1.步行階段和加速模式（趙，2010）

加速度計(jì)消耗最小的功率和較小的占地面積非常重要，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，健身追蹤器是電池供電的緊湊型設(shè)備。此外，這些設(shè)備通常戴在手腕上，這給步進(jìn)沖擊加速度檢測(cè)帶來(lái)了兩個(gè)挑戰(zhàn)，如下所示：

與身體的其他位置（如臀部或腳踝）相比，加速度信號(hào)可能會(huì)有些減弱。

還有其他動(dòng)作，例如手臂擺動(dòng)，在跑步時(shí)跳過(guò)障礙物時(shí)，或向朋友揮手問(wèn)好，通常在步進(jìn)信號(hào)帶寬內(nèi)具有頻率分量。這樣的動(dòng)作很難從一步中區(qū)分出來(lái)。

第一個(gè)挑戰(zhàn)可以通過(guò)選擇低噪聲加速度計(jì)來(lái)克服，這樣即使衰減也可以拾取加速度信號(hào)。加速度計(jì)還需要體積小，功耗低，以適合可穿戴設(shè)備。ADXL367滿足所有這些要求。

ADXL367是一款超低功耗、3軸數(shù)字加速度計(jì)，測(cè)量模式下的典型功耗僅為0.89 μA，喚醒模式下的典型功耗低至180 nA。它具有 ±2 g 至 ±8 g 的可配置測(cè)量范圍和高達(dá) 14 Hz 輸出數(shù)據(jù)速率 （ODR） 的 400 位分辨率。它還包括深度多模輸出先進(jìn)先出 （FIFO）、內(nèi)置溫度傳感器以及單擊或雙擊檢測(cè)。該器件采用 1.1 V 至 3.6 V 電源供電，采用 2.2 mm × 2.3 mm × 0.87 mm 封裝。所有這些特性使ADXL367非常適合功耗和尺寸受限的應(yīng)用。

解決第二個(gè)挑戰(zhàn)與計(jì)步算法如何處理加速度信號(hào)有關(guān)。三種最常見(jiàn)的計(jì)步算法方法是（Xiaomin Kang，2018），如下所示：

時(shí)域分析

頻域分析

機(jī)器學(xué)習(xí)

在本應(yīng)用筆記中，之所以使用時(shí)域分析方法，是因?yàn)樗绕渌麅煞N方法需要更少的計(jì)算能力，同時(shí)在使用窗口峰值檢測(cè)方法時(shí)，計(jì)數(shù)步驟的準(zhǔn)確度也超過(guò)97%（Agata Brajdic，2013）。

計(jì)步算法

開(kāi)發(fā)的算法檢測(cè)給定時(shí)間窗口內(nèi)的加速度峰值，并通過(guò)分析相對(duì)于動(dòng)態(tài)閾值的峰值以及這些峰值的重復(fù)或重復(fù)來(lái)確定這些是否被視為步驟。該算法采用三個(gè)輸入：x、y 和 z 軸加速度數(shù)據(jù)，采樣率為 50 Hz（作為 14 位整數(shù)），并返回到目前為止計(jì)數(shù)的總步數(shù)。接下來(lái)將介紹算法實(shí)現(xiàn)。有關(guān)計(jì)步器算法流程圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖 4。

首先，計(jì)算三個(gè)軸上加速度絕對(duì)值的總和。步行或跑步時(shí)，無(wú)論傳感器的方向如何，至少有一個(gè)軸具有相對(duì)較大的周期性加速度變化（請(qǐng)參閱《模擬對(duì)話》文章“使用 3 軸數(shù)字加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)的全功能計(jì)步器設(shè)計(jì)”（第 44 卷，2010 年 <> 月））。因此，絕對(duì)值的總和仍必須反映步行循環(huán)曲線。

接下來(lái)是低通濾波級(jí)。絕對(duì)值的總和與四樣本循環(huán)緩沖區(qū)中的前三個(gè)值取平均值。然后使用平均信號(hào)來(lái)檢測(cè)一步產(chǎn)生的最大和最小加速度峰值。該算法最初在時(shí)間窗口內(nèi)查找最大峰值，當(dāng)檢測(cè)到最大峰值時(shí)，它開(kāi)始查找最小峰值。

要使樣品被視為峰值，它還必須位于窗口的中心，并且是該窗口內(nèi)的最高樣品（尋找最大值時(shí)）或最低樣品（查找最小值時(shí)）。窗口大小必須允許算法準(zhǔn)確捕獲峰值。如果窗口太窄，由于噪音或其他運(yùn)動(dòng)引起的波動(dòng)可能會(huì)被錯(cuò)誤地解釋為臺(tái)階。如果窗口太寬，則會(huì)在窗口中捕獲兩個(gè)或多個(gè)步驟，從而導(dǎo)致缺少步驟，因?yàn)樗惴ㄔ谠摯翱谥袃H檢測(cè)到一個(gè)最大值或最小值。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)人可以跑到每秒五步，每 2 秒走一步。這意味著窗口必須至少寬 0.2 秒才能捕獲最快的步長(zhǎng)，并且窄于 0.4 秒，以便窗口中包含的最快步長(zhǎng)不超過(guò)一個(gè)。檢測(cè)到最大峰值后，該算法將搜索最小值長(zhǎng)達(dá) 1 秒。如果沒(méi)有找到最小值，算法認(rèn)為沒(méi)有步驟，它丟棄最大值，并開(kāi)始尋找新的步驟。

接下來(lái)，確定是否可以將一對(duì)最大和最小峰值視為可能的步驟。為此，引入了動(dòng)態(tài)閾值和靈敏度的概念。

動(dòng)態(tài)閾值是一個(gè)四樣本循環(huán)緩沖器，其工作方式與低通濾波級(jí)相同，但在這種情況下，輸入數(shù)據(jù)是最大值和最小值的平均值。每當(dāng)最大值和最小值之間的差異大于靈敏度時(shí)，動(dòng)態(tài)閾值都會(huì)更新。

靈敏度定義了動(dòng)態(tài)閾值幅度附近的區(qū)域，有助于消除最有可能由不希望的運(yùn)動(dòng)引起的波動(dòng)。要將一對(duì)最大和最小峰值視為可能的步驟，需要滿足以下條件：

最大峰值>（動(dòng)態(tài)閾值 + 靈敏度/2）

最小峰值<（動(dòng)態(tài)閾值 – 靈敏度/2）

最后，如果至少出現(xiàn)八個(gè)連續(xù)的可能步驟，該算法會(huì)認(rèn)為一個(gè)人正在走路或跑步，這是算法的額外措施，以避免由于孤立事件（例如揮手打招呼或喝酒）而導(dǎo)致誤報(bào)。在下一次迭代中，軟件將驗(yàn)證之前所有八個(gè)可能的步驟是否有效，并進(jìn)入調(diào)節(jié)模式。在此模式下，每個(gè)連續(xù)步驟都計(jì)為有效。

圖 2 顯示了一個(gè)人行走時(shí)的加速度曲線示例，而圖 3 以圖形方式顯示了計(jì)步算法如何解釋和分析加速度數(shù)據(jù)。在圖 3 中，顯示首先采取一個(gè)步驟，然后將人放在原地。在檢測(cè)到的第一個(gè)最小值之后，可能的步驟計(jì)數(shù)增加到 1，但由于第二個(gè)最大值不滿足被視為可能步驟的算法條件，因此可能的步驟計(jì)數(shù)將重置為零。此人 大約 4.6 秒后再次開(kāi)始行走。在大約 5.<> 秒時(shí)，可能的步數(shù)達(dá)到 <>，軟件進(jìn)入調(diào)節(jié)模式。

圖2.將傳感器放在手腕上行走的人的加速度曲線

圖3.算法加速信號(hào)處理

圖4.計(jì)步器算法流程圖

驗(yàn)證結(jié)果

原型電路的原理圖如圖5所示。

圖5.原型原理圖和硬件

EVAL-ADXL367Z 板與 Arduino Nano 33 低功耗藍(lán)牙 （BLE） 一起用于設(shè)置測(cè)試平臺(tái)。ADXL367配置為單電源供電。電源由 3.3 V Arduino 穩(wěn)壓器提供。Arduino使用兩個(gè)串聯(lián)的3 V紐扣電池供電。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱圖 7 和將原型與 Arduino IDE 配合使用部分。?

計(jì)步器算法針對(duì) 50 Hz 采樣率進(jìn)行了優(yōu)化。因此，ADXL367 ODR需要相應(yīng)地配置。加速度范圍設(shè)置為 ±2 g，F(xiàn)IFO 設(shè)置為流模式，INT1 中斷引腳配置為在發(fā)生 FIFO 水印事件時(shí)觸發(fā)。當(dāng)FIFO中存儲(chǔ)的樣本數(shù)量等于或超過(guò)FIFO_SAMPLES寄存器中指定的數(shù)量時(shí)，將設(shè)置FIFO水印。FIFO_SAMPLES寄存器設(shè)置為 24，相當(dāng)于八組 x、y 和 z 軸數(shù)據(jù)。

用戶必須根據(jù)特定用例調(diào)整算法參數(shù)以獲得最佳性能。跑步時(shí)佩戴腕部可能需要與行走時(shí)髖部佩戴不同的參數(shù)值。這些參數(shù)如下：

窗口大?。憾x觀察窗口的緩沖區(qū)大小。

靈敏度：確定觸發(fā)動(dòng)態(tài)閾值更新的最小加速度。

篩選順序：定義平均循環(huán)緩沖區(qū)的大小。

閾值順序：定義動(dòng)態(tài)閾值循環(huán)緩沖區(qū)的大小。

表1總結(jié)了發(fā)現(xiàn)的參數(shù)值，對(duì)于腕戴式應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的折衷方案。

在圖 6 的示例中，一個(gè)人朝一個(gè)方向走 10 步，停止走路，轉(zhuǎn)身，然后向后走 10 步。ADXL367測(cè)量的加速度以藍(lán)色、紅色和綠色顯示，算法計(jì)算的總步數(shù)以黑色顯示。

圖6.一個(gè)人向一個(gè)方向行走10步，然后轉(zhuǎn)身再走10步的加速度曲線;算法步數(shù)以黑線顯示

使用表1參數(shù)的驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。原型PCB用鉤環(huán)帶纏繞在測(cè)試人員的手腕上。這個(gè)人穿著普通的跑鞋。

對(duì)于測(cè)試 1（步行），該人以每秒 1.6 步的平均速度行走。對(duì)于測(cè)試 2（走路，忙碌的手），測(cè)試人員一邊走路，一邊用雙手拿著手機(jī)。測(cè)試5（上下樓梯）在硬木地板樓梯上進(jìn)行，有12個(gè)臺(tái)階。在這個(gè)測(cè)試中，這個(gè)人上下樓梯四次。除測(cè)試5（上下樓梯）外，所有測(cè)試均在混凝土地板上進(jìn)行。從所有這些測(cè)試中獲得的平均步數(shù)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率為 97.4%。測(cè)試3（步行，每10步停止，改變方向）顯示94.3%的準(zhǔn)確率，這是性能最低的測(cè)試。

為了估計(jì)算法的平均處理時(shí)間，在表 2 中執(zhí)行的每個(gè)測(cè)試期間監(jiān)控其執(zhí)行時(shí)間。獲得的平均時(shí)間為24 μs。

圖7.Arduino 代碼流程圖

將原型與ARDUINO IDE一起使用

用于驗(yàn)證測(cè)試的計(jì)步器算法源代碼可從ADXL367產(chǎn)品頁(yè)面的工具和仿真部分下載。

要將原型PCB與Arduino IDE一起使用，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：

從 Arduino 網(wǎng)站安裝 Arduino 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （IDE） 應(yīng)用軟件。

打開(kāi) Arduino IDE，然后轉(zhuǎn)到“工具》管理庫(kù)”。

圖8.Arduino IDE 管理庫(kù)

在“庫(kù)管理器”窗口中，從“類型”列表中選擇“Arduino”，從“主題”列表中選擇“通信”，然后鍵入“ArduinoBLE”。單擊安裝。

圖9.安裝 ArduinoBLE 庫(kù)

將通用串行總線 （USB） 電纜連接到 Arduino 和 PC。

打開(kāi) ADXL367 計(jì)步器算法項(xiàng)目，方法是轉(zhuǎn)到“打開(kāi)文件”》然后選擇 ADXL367_pedometer.ino 文件。

轉(zhuǎn)到工具》板：Arduino Nano 33 BLE 》 Arduino Mbed OS Nano Boards，然后選擇 Arduino Nano 33 BLE。

圖 10.Arduino IDE 板選擇

轉(zhuǎn)到“工具》端口”，然后選擇相應(yīng)的端口。

圖 11.Arduino IDE COM 端口選擇

點(diǎn)擊 上傳 按鈕將程序上傳到 Arduino。

圖 12.上傳軟件

完成的上傳顯示為 Done，如圖 13 所示。

圖 13.完成上傳消息

轉(zhuǎn)到“工具”，然后選擇“串行監(jiān)視器”。

圖 14.打開(kāi) Arduino IDE 串行監(jiān)視器

在打開(kāi)的窗口中，從波特率列表中選擇 115200 波特。圖 15 顯示了當(dāng)前步驟計(jì)數(shù)。

圖 15.計(jì)步監(jiān)控

審核編輯：郭婷