基于链码算法的蓝牙计步器

1.一种基于链码算法的蓝牙计步器，是由无线计步器(1)和具有蓝牙的智能手机或电脑(9)组成，其特征在于，所述的无线计步器(1)是由数字3D加速度传感器(3)经SPI接口与MCU主控模块(4)连接，MCU主控模块(4)经串口与蓝牙模块(5)连接，电源模块(6)分别与数字3D加速度传感器(3)、MCU主控模块(4)、蓝牙模块(5)连接，MCU主控模块(4)分别与键盘模块(7)、显示模块(8)连接构成；
所述的具有蓝牙的智能手机或电脑(9)装有计步管理系统(2)，蓝牙模块(5)与具有蓝牙的智能手机或电脑(9)无线通讯；
所述的计步管理系统(2)中包含有改进的弗里曼编码，改进的弗里曼编码是将弗里曼链码中均匀分布的8个方向改变为集中在右侧的8个方向，波形信号用一组数据[-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4]来表示；
所述的改进的弗里曼编码为：在编码中使用[-1 -2 -3 -4]四个负数进行编码，选取单位距离长度为10来进行编码，从保持各个角度内分布的信息量大致相同这个原则出发，均分右半平面，每个角度相差
2.按照权利要求1所述的基于链码算法的蓝牙计步器，其特征在于，计步管理系统(2)中的计步算法包括以下步骤：
A、计步算法开始，获取数据并进行改进的弗里曼编码；
B、编码开始，提取第一个与第十个特征点值；
C、求两个相邻点斜率，通过相近原则编码，数据满足条件，编码结束，不满足条件返回到提取第一个与第十个特征点值进行重新编码；
D、从改进的弗里曼编码中提取波形特征值，进行步数检测，计步算法结束。

基于链码算法的蓝牙计步器\n技术领域：\n[0001] 本发明涉及一种基于链码计步算法及计步管理系统，尤其是改进的弗里曼链码计步算法的蓝牙计步器。\n背景技术：\n[0002] 国内外研究表明：运动与人类的健康息息相关。而记录人体运动强度的最简单、最方便的小型仪器就是计步器。目前，计步器设计所围绕的创新点主要有以下几个方面：\n1)计步的准确性：可通过使用不同的传感器，提高计步的准确性；CN1690661公开了一种具有行走探测装置的计步器，提高了计步精度，但要求使用者将此计步器佩戴在手臂上。\nCN101206124公开了一种具有自动步伐校正装置的计步器，可以存储个人的一些特征，及判定运动者是走路、跳跃或是跑步等姿态。在保证计步准确性的前提下，CN101086450公开了一种基于磁传感器的计步器。2)多功能的开发：不仅具有计步功能，还增加了计算卡路里、里程、运动速度等功能；CN1472508公开了一种组合式的计步器，将计步器与收音机电路板组合在一起。CN1815145公开了一种手机中智能计步器的实现方法，将计步模块与手机的主体组合在一起，并借助手机的显示、存储等实现计步功能。CN1670483公开了一种具有节电功能的电子计步器。CN1779731公开了一种无线计步器，但是，它由佩戴于手腕上的发射器与佩戴在腰间的接收器两部分组成，设计复杂，仪器相对携带不便。CN101350208公开了一种带计步器的多媒体装置，主要目的是让使用者能随着音乐节奏增加或降低步率，享受健康运动。3)体积：缩小体积，携带方便。CN101221050公开了一种使用振动传感器放置于手表后壳中的计步器，体积小巧，但是计步准确性较差。CN1419127公开了利用一个能够检测出多个方向的加速度传感器，并利用这种传感器构造的计步器，缩小了计步器的体积。实质上，使用计步器就是为了让使用者了解自身运动的情况，从而通过调整运动量，而达到改善身体状况的最终目的。这一目的的实现不能仅仅依靠使用者每一天、每一周、每一月的数据，而是一个长期的数据积累过程。CN1779731A公布了一种可全方位接收无线计步信号的无线计步器，具有3个接收天线，实现较为繁琐；CN101592497A公布了一种具有数据传输功能的计步器，但是需要使用USB连接线。\n[0003] Freeman(弗里曼)链码是由Herbert Freeman提出的一种可以高效并且准确地表示高度不规则封闭线条结构图形的编码方法。但是，Freeman链码适用于高度不规则的图像，因为在这些图像中信息的分布相对比较均匀，或者说在任何方向都可能出现信息，从概率上来讲，是一种信息的均匀分布。所以，Freeman编码中将区域分成了8个部分，对于高度不规则的图形，每个部分中信息出现的概率大致是相等的。因此这种编码方式是高效并且准确的，既不会出现过多的冗余，又不至于忽略掉大量的信息。然而，采自腰间的加速度信号并非高度不规则分布，相反，在某些区域集中了大量信息，而另外一些区域中的信息相对比较少，如果我们继续采用Freeman链码，在信息较多的地方会不能充分的表示，而在信息较少的地方，会出现很多相似的编码。\n发明内容：\n[0004] 本发明的目的就是针对上述现有技术的不足提供一种基于链码算法的蓝牙计步器。\n[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：\n[0006] 本发明是由无线计步器1和具有蓝牙功能的电脑或智能手机9两部分构成。\n[0007] ——无线计步器1是由数字3D加速度传感器3经SPI接口与MCU主控模块4连接，MCU主控模块4经串口与蓝牙模块5连接，电源模块6分别与数字3D加速度传感器3、MCU主控模块4、蓝牙模块5连接，MCU主控模块4分别与键盘模块7、显示模块8连接构成；\n[0008] ——具有蓝牙的智能手机或电脑9装有计步管理系统2，蓝牙模块5与具有蓝牙的智能手机或电脑9无线通讯。\n[0009] 计步管理系统2包括如下步骤：\n[0010] A、计步算法开始→获取数据并进行改进的弗里曼编码；\n[0011] B、编码开始→提取第一个与第十个特征点值→求两个相邻点斜率→通过相近原则编码→数据满足条件→编码结束，不满足条件返回到提取第一个与第十个特征点值进行重新编码；\n[0012] C、改进的弗里曼编码→提取波形特征值→检测步数→计步算法结束。\n[0013] 改进的弗里曼编码是将弗里曼链码中均匀分布的8个方向改变为集中在右侧的8个方向，波形信号用一组数据[-4-3-2-101234]来表示。\n[0014] 改进的弗里曼编码为：在编码中使用[-1-2-3-4]四个负数进行编码，根据人体波形的参数特点，选取单位距离长度为10来进行编码。从保持各个角度内分布的信息量大致相同这个原则出发，均分右半平面，每个角度相差\n[0015] 有益效果：本发明是基于链码算法的计步器，具有蓝牙无线数据发送功能，并能分析及管理数据。优点在从图像识别的角度，提出了一种基于改进的Freeman链码的计步算法，即能够利用较少的计算实现类似模板匹配的算法。其主要功能是模仿人眼的功能，首先实现波形的描述，然后根据波形的特征进行计步。编码方式高效且准确，实时性好，既不会出现过多的冗余，又不至于忽略掉大量的信息。较好地表示加速度信号波形。基于改进弗里曼链码算法的蓝牙计步器，既提高了计步的准确度，又利用蓝牙技术实现了数据的传送，有利于数据的长期存储及分析。\n附图说明\n[0016] 图1是基于链码算法的蓝牙计步器结构框图\n[0017] 图2是基于链码算法的蓝牙计步器的计步算法流程图。\n[0018] 图3是附图1MCU主控模块4工作流程图。\n[0019] 图4是改进的Freeman编码结构图。\n[0020] 1无线计步器，2计步管理系统，3数字3D加速度传感器，4MCU主控模块，5蓝牙模块，6电源模块，7键盘模块，8显示模块，9具有蓝牙的智能手机或电脑。\n具体实施方式：\n[0021] 下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：\n[0022] 如图1所示，无线智能计步器主要由无线计步器1与计步管理系统2两部分组成。\n无线计步器1是由数字3D加速度传感器3经SPI接口与MCU主控模块4连接，MCU主控模块4经串口与蓝牙模块5连接，电源模块6分别与数字3D加速度传感器3、MCU主控模块4、蓝牙模块5连接，MCU主控模块4分别与键盘模块7、显示模块8连接构成。\n[0023] 具有蓝牙的智能手机或电脑9装有计步管理系统2，蓝牙模块5与具有蓝牙的智能手机或电脑9无线通讯。\n[0024] 计步管理系统2包括如下步骤：\n[0025] A、计步算法开始→获取数据并进行改进的弗里曼编码；\n[0026] B、编码开始→提取第一个与第十个特征点值→求两个相邻点斜率→通过相近原则编码→数据满足条件→编码结束，不满足条件返回到提取第一个与第十个特征点值进行重新编码；\n[0027] C、改进的弗里曼编码→提取波形特征值→检测步数→计步算法结束。\n[0028] 改进的弗里曼编码是将弗里曼链码中均匀分布的8个方向改变为集中在右侧的8个方向，波形信号用一组数据[-4-3-2-101234]来表示。\n[0029] 改进的弗里曼编码在编码中使用[-1-2-3-4]四个负数进行编码，根据人体波形的参数特点，选取单位距离长度为10来进行编码。从保持各个角度内分布的信息量大致相同这个原则出发，均分右半平面，每个角度相差\n[0030] 数字加速度传感器3输出模数转换后得到的数字信号，并且通过SPI接口和单片机4连接。单片机4是计步器的主要控制模块，它通过SPI口从加速度传感器3采集数据，然后利用基于链码的计步算法得到步数，算法如图2所示。利用其他数据处理算法分别得到卡路里，里程，和速度，并且每间隔一个小时存贮计步值。另外单片机4通过与液晶显示模块8的接口程序显示上述数据，通过与控制按键模块7的接口程序得到人对它的命令。同时单片机4在得到人的命令后，可以利用蓝牙驱动程序通过无线传输模块5向外发送数据。\n计步管理系统2的主要功能是通过蓝牙接收由无线传输模块5发送的数据，然后对数据进行进一步的处理，如绘制曲线图，给出合理步行建议等。无线计步器工作流程如图3所示。\n[0031] 开始→MCU环境配置→按键扫描→传感器读取→链码计步程序→数据处理及定时存储程序→显示→扫描按键。\n[0032] 软件完成的功能主要包括：单片机与传感器、蓝牙、控制按键/显示模块的接口程序、计步程序，及其他数据处理程序组成。下面分别介绍：\n[0033] 1、接口程序\n[0034] 接口程序包括单片机4与数字加速度传感器3的接口(SPI口)，单片机与无线传输模块5的接口程序(异步串行通信)，单片机4与按键控制模块7的接口程序(普通I/O口)，单片机4与液晶显示模块8的接口程序(异步串行通信)。\n[0035] 2.计步程序\n[0036] 图像处理算法的优点在于可以处理视觉上直观的图形，尤其是当噪声未知而难以确定滤波算法的时候，利用图像处理的算法精度要高于利用数值处理的算法。从图像识别的角度，提出了一种基于改进的Freeman链码的计步算法，即能够利用较少的计算实现类似模板匹配的算法。其主要功能是模仿人眼的功能，首先实现波形的描述，然后根据波形的特征进行计步。同时考虑到数据的传送与长期存储，还增加了无线传输功能。\n[0037] 弗里曼(Freeman)链码是由Herbert Freeman提出的一种可以高效并且准确地表示高度不规则封闭线条结构图形的编码方法。但是，Freeman链码适用于高度不规则的图像，因为在这些图像中信息的分布相对比较均匀，或者说在任何方向都可能出现信息，从概率上来讲，是一种信息的均匀分布。所以，Freeman编码中将区域分成了8个部分，对于高度不规则的图形，每个部分中信息出现的概率大致是相等的。这种编码方式是高效并且准确的，既不会出现过多的冗余，又不至于忽略掉大量的信息。如图4所示。\n[0038] 然而，对于计步器来说，采自腰间的加速度信号并非高度不规则分布，相反，在某些区域集中了大量信息，而另外一些区域中的信息相对比较少，如果我们继续采用Freeman链码，在信息较多的地方会不能充分的表示，而在信息较少的地方，会出现很多相似的编码。所以将编码进行以下的改进，以便它能更好地描述人体运动波形。\n[0039] 使用M(θ)来表示一幅图形中角度θ方向的信息量。那么有：\n[0040] \n[0041] 公式(1)表示在一幅二维图像上，各个方向信息量的积分总数为1，也就是所有的信息量。在Freeman链码中，8个方向的信息量分别用一个数字来表示，即[01234567]。\n[0042] 假设使用θ0，θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6，θ7来表示各个链码中各个角度，那么有：\n[0043] \n[0044] 在计步应用中，加速度信号波形曲线不是封闭的，而是一条分布在右侧的单向曲线，所以，要求新的编码既能保持Freeman链码的高效性，又能较好地表示加速度信号波形。于是将编码改进为如图4所示的编码，根据采集的加速度信号的特点，将Freeman链码中均匀分布的8个方向改变为集中在右侧的8个方向，在编码中使用了[-1-2-3-4]四个负数进行编码，这样不仅保持了信号中的大多信息，并在视觉上与原波形较相近，具体的编码过程如下：\n[0045] 首先确定波形的开始点为起点，然后经过单位距离N后判断下一个点在编码器的哪个方向并且确定编码，持续这个过程直到数据结束，然后即可将波形信号用一组数据[-4-3-2-101234]来表示，编码后的数据在视觉上依然和原始波形有相似之处。\n[0046] 在这个过程中，有几个参数需要设定。首先，单位距离长度N。当N较大时，能够较好的表示时间轴上大范围的数据变化，当N较小时，能够较好地表达时间轴上小范围内的细节变化。实际应用中可以选择固定不变的N值，也可以通过自适应算法来不停的调整N的值，使波形的各种特征都能被较好的表示出来。根据人体波形的参数特征与反复实验，选取N为10来进行编码。\n[0047] 另外几个重要参数就是角度的选择。假设用角两边的编码来代表这个角度。那么这些角度参数有如下特性。θ-1，1选择较小的值时，能够更好的表达幅度上较小的细节变化，而选择较大的值时，能够更好的消除纹波。θ-3，-1和θ1，3用于表现波形的主要轮廓信息，如果没必要区分，可以使用一个角度来代替。θ-4-3和θ3，4主要用于去除多余的大脉冲的信息。\n[0048] 从保持各个角度内分布的信息量大致相同这个原则出发，均分右半平面，每个角度相差 具体算法如下：\n[0049] 每隔十个点提取一个点作为编码点，求两个相邻编码点的斜率，然后根据图4中的方向，利用最近似的一个来表示。反复进行这个过程直到扫描完所有数据为止。\n[0050] 根据人体波形的参数，选择固定N值为10来进行编码。同时各个角度选为均分右半平面。程序每隔十个点提取一个点作为编码点，求两个相邻点的斜率，然后根据图4中的方向，利用最近似的一个来表示。反复进行这个过程直到扫描完所有数据为止。程序的流程图如图3所示。采用改进的链码算法对原始加速度信号进行编码后波形比较简单。根据人体运动波形特点，每个波群将对应一步。每个波群的特征包括宽度和高度两个参数，计步主要利用这两个参数来判断是否有步数。因此，采用改进的Freeman链码来处理腰部加速度信号，为准确计步奠定基础。利用计步的计步结果，然后利用经验获得每步的距离和消耗的卡路里，相乘以后即可得到里程，速度，卡路里。\n[0051] 3、计步管理系统2\n[0052] 计步管理系统完成数据的接收、存储、查询及统计分析功能。数据的接收分为自动接收部分与手动接收部分，自动接收计步器发送的步数信息，使用者也可手动输入自身的体重、血糖等参数，方便统计分析。查询提供按时间及步行量查询。统计分析可绘制每日、每周、每月及每年的步行数据曲线图，并根据使用者输入的一些人体参数，如体重、血糖等，给出合理的步行量参考与指引。\n[0053] 在单片机上，采用改进的链码算法对原始加速度信号进行编码后，不仅波形被简化了，噪声也大多被抑制了。此时，再根据人体运动波形特点：每个波群对应一步，提取出波群的特征值：高度和数目这两个参数，然后再利用这两个参数来进行计步，将在很大程度上提高计步的准确度。\n[0054] 数字加速度传感器3选用小尺寸，低价格和低功耗的三轴加速度计，它包括一个\n3D-MEMS传感元件和1个ASIC信号调理电路，最大量程为8g，最高精度为18mg，并利用SPI与单片机4进行通信。MCU控制模块4选用MSP430F449，它是一款优秀而又通用的单片机，接口及模块众多，它是无线计步器1的核心控制元件，实现的主要功能包括：与传感器的接口程序；数据处理程序；与蓝牙模块的接口程序；与按键及液晶的接口程序。无线传输模块\n5选用凌峰科技的LV-BC-2.0型集成蓝牙芯片，它与单片机4只需利用异步串口发送数据即可。由于所有使用的芯片可以在一个共同的工作电压下工作，电源6使用可充电电池。人机接口主要有两个模块，控制按键模块7使用简单的几个按键即可，液晶显示模块8选用JRM802C，这款液晶的体积及显示都和我们的计步器搭配。计步管理系统2被安装到智能手机或微计算机系统上，可自动接收计步器发送来的数据，分析及管理数据。并通过长期的数据跟踪，为挖掘出运动与肥胖及一些慢性病，如糖尿病之间的关系奠定基础。