如今，每個(gè)人都非常關(guān)注健康。而運(yùn)動(dòng)正是健康最重要的手段。不管是出門佩戴手環(huán)、計(jì)步器，還是拿手機(jī)，記錄自己行走的步數(shù)，已經(jīng)是很多人的生活習(xí)慣了。可是，計(jì)步器到底是怎么工作的呢?是怎么知道我們每天走了多少步的呢?
 

 

　　1、計(jì)步器的原理是什么

　　它里面有一個(gè)機(jī)械的震子，運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生上下震動(dòng)，機(jī)器通過收集震子運(yùn)動(dòng)的頻率來計(jì)算數(shù)值，計(jì)算消耗卡路里。計(jì)步器和距離計(jì)量器的工作原理也是相同的。

　　2、計(jì)步器的原理

　　電子記步器主要由振動(dòng)傳感器和電子計(jì)數(shù)器組成。人在步行時(shí)重心都要有一點(diǎn)上下移動(dòng)。以腰部的上下位移最為明顯，所以記步器掛在腰帶上最為適宜。所謂的振動(dòng)傳感器其實(shí)就是一個(gè)平衡錘在上下振動(dòng)時(shí)平衡被破壞使一個(gè)觸點(diǎn)能出現(xiàn)通/斷動(dòng)作，由電子計(jì)數(shù)器記錄并顯示就完成了主要功能，其他的熱量消耗，路程換算均由電路完成在現(xiàn)今科技已是小兒科。但是由于每個(gè)人走路的姿態(tài)、步幅不一樣所以除了步數(shù)較為準(zhǔn)確以外其他的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確(一般可能是按體重65公斤每步0.7米這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)換算的)。對于步態(tài)呈病狀(比如腦萎縮、半身不遂)來講可能連步數(shù)也不準(zhǔn)確(振幅不夠大、一步兩顛等)?？傊畬】等酥荒茏鰠⒖?，對病人很可能無用。

　　3、關(guān)于計(jì)步器

　　計(jì)步器中一般采用一種加速度計(jì)來感受外界的震動(dòng)。

　　常用的加速度計(jì)原理如下：在一段塑料管中密封著一小塊磁鐵，管外纏繞著線圈，當(dāng)塑料管運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鐵由于慣性在管中反向運(yùn)動(dòng)，切割線圈，由于電磁感應(yīng)，線圈中產(chǎn)生電流，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下起伏的加速度近似為正弦過程，線圈的輸出電流也是正弦波，測量正弦波的頻率就可以得出運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，再計(jì)算的出速度，距離，和消耗卡路里。

　　計(jì)步器種類

　　目前，市面上的計(jì)步器主要分為兩大類：機(jī)械式計(jì)步器和電子計(jì)步器。

　　機(jī)械式計(jì)步器主要通過感應(yīng)手臂或腰部的抖動(dòng)來計(jì)步。機(jī)械式計(jì)步器通常設(shè)有一個(gè)運(yùn)動(dòng)門限，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的加速度大于這個(gè)門限則能夠被內(nèi)部的機(jī)械裝置感應(yīng)到，進(jìn)而開始計(jì)步。由于運(yùn)動(dòng)門限不可調(diào)，機(jī)械式計(jì)步器在某些情況下無法計(jì)步，如走路較慢時(shí)手臂甩動(dòng)幅度較小，不會(huì)產(chǎn)生計(jì)步。另外，非走路狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)幅度大也會(huì)產(chǎn)生計(jì)步，如抬手撓頭等動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生誤計(jì)。

　　電子計(jì)步器通常內(nèi)置一個(gè)加速度傳感器(Accelerometer)和一個(gè)運(yùn)算單元(MCU)，通過加速度傳感器感應(yīng)用戶的加速度變化，然后通過MCU來估算行走的步數(shù)。電子式計(jì)步器通常采用三軸加速度傳感器，可以感應(yīng)用戶在三維方向上的運(yùn)動(dòng)，且內(nèi)置較為復(fù)雜的計(jì)步算法。

　　相對于機(jī)械式計(jì)步器，電子計(jì)步器計(jì)步精度更高，抗干擾能力更強(qiáng)。目前智能手機(jī)和某些非智能手機(jī)都內(nèi)置了加速度傳感器，只需要增加相應(yīng)的軟件即可實(shí)現(xiàn)計(jì)步，無需增加硬件成本。智能手表，智能手環(huán)類產(chǎn)品也都內(nèi)置加速度傳感器和計(jì)步算法，方便用戶監(jiān)控自己的運(yùn)動(dòng)量。

　　

 

　　以放置在手腕處的加速度傳感器為例。用戶在水平步行運(yùn)動(dòng)中，手腕處的加速度會(huì)收到重力加速度和甩手加速度的雙重影響。如下圖所示，紅色箭頭表示重力加速度，綠色箭頭表示甩手加速度。

　　

 

　　在步行過程中，重力加速度始終垂直與大地，甩手動(dòng)作帶來的加速度呈周期性變化。 反映到圖表中，可以看到，在步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時(shí)間大致為一個(gè)周期性信號(hào)。

　　通過對軌跡的峰值進(jìn)行檢測計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。

　　計(jì)步器的計(jì)步算法

　　計(jì)步算法可以分為四大類，一是峰值檢測算法，二是變換域算法，三是濾波算法，四是模式識(shí)別算法。根據(jù)所設(shè)計(jì)的計(jì)步器在人體上布放的位置不同，如腕部、腰部、鞋底等，可以選擇不同的計(jì)步算法。

　　峰值檢測類算法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較為廣泛。這里簡單介紹峰值檢測類算法。用戶在運(yùn)動(dòng)中，可能把設(shè)備放置于口袋或者包中，亦或拿在手中。所以設(shè)備的放置方向不確定。那么首先，我們通過計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長度，可以獲得一條步行運(yùn)動(dòng)的正弦曲線軌跡。

　　第二步就是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運(yùn)動(dòng)方向，通過矢量長度的變化，可以判斷當(dāng)前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較。如果是相反的，即是剛過峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步，否則就舍棄這段。通過對峰值次數(shù)的累加，那我們就可得計(jì)算得到用戶步行的步數(shù)。

　　最后，就是去噪音(干擾)。手機(jī)或智能手表等手持設(shè)備會(huì)有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，即我們俗稱的手抖，或者某個(gè)用戶想通過短時(shí)快速反復(fù)搖動(dòng)設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會(huì)影響記步的準(zhǔn)確值，對于這種干擾，我們可以通過給檢測加上閥值和步頻判斷來過濾。目前人類最快的跑步頻率為5HZ(當(dāng)然不排除人類借助其它設(shè)備跑步頻率超過這個(gè)頻率)，也就是說相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒，如圖中的計(jì)步時(shí)間，若兩次計(jì)步之間的時(shí)間間隔小于0.2秒，則不計(jì)步。這樣我們就過濾了高頻噪聲，即步頻過快的情況。同時(shí)我們通過和上次加速度大小進(jìn)行比較，設(shè)置一定的閥值Threshold來判斷運(yùn)動(dòng)是否屬于有效(如圖中的綠線)，有效運(yùn)動(dòng)才可進(jìn)行記步。

　　如果已知步行和跑步的步數(shù)，那么再通過人體身高，體重及性別就可以大致知道此人的步長，改進(jìn)后即可變成一個(gè)測距離及測速計(jì)。通過三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。除了計(jì)步，還可以利用加速度傳感器與陀螺儀及磁傳感器融合進(jìn)行步行航跡推算。

　　小結(jié)分享

　　賽億方案十年電子產(chǎn)品硬件及嵌入式軟件開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，累計(jì)開發(fā)產(chǎn)品電子應(yīng)用設(shè)計(jì)完成5000多個(gè)方案設(shè)計(jì);目前為客戶提供理念超前的手機(jī)app開發(fā)、智能家居系統(tǒng)、電子技術(shù)、電子線路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)、單片機(jī)技術(shù)、智能控制、嵌入式系統(tǒng)等。如有產(chǎn)品方案開發(fā)意向，期待您的來訪。