Thiết kế thiết bị theo dõi thông số tập luyện vol.2

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Thiết kế thiết bị theo dõi thông số tập luyện em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo ThS Võ Duy Thành Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2018 Sinh viên thực Chu Đức Hải MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iii LỜI NÓI ĐẦU Chương GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm thiết bị theo dõi thông số tập luyện 1.2 Các sản phẩm có thị trường 1.3 Ưu nhược điểm 1.4 Mục tiêu đề tài Chương CẤU HÌNH THIẾT BỊ VÀ LỰA CHỌN PHẦN CỨNG 2.1 Cấu hình thiết bị 2.2 Lựa chọn thiết bị 13 2.3 Chuẩn truyền thông 20 2.3.1 UART 20 2.3.2 I2C (Inter ‐ Intergrated Circuit) 21 Chương THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 24 3.1 Thiết kế khối điều khiển 24 3.2 Thiết kế khối nguồn 25 3.3 Thiết kế khối truyền thông 27 3.4 Thiết kế khối cảm biến 28 3.5/ Kết luận chương 29 Chương THIẾT KẾ PHẦN MỀM VÀ ỨNG DỤNG 30 4.1 Mơ hình đối tượng 30 4.2 Phương pháp lọc Kalman 32 4.2.1 Cơ sở toán học 33 4.2.2 Mơ hình tốn học 35 4.2.3 Áp dụng lọc Kalman vào đồ án 38 4.3 Thuật toán đếm bước chân 40 4.4 Xác định quãng đường lượng calo tiêu thụ 42 4.5 Lập trình vi điều khiển 43 4.5.1 Thuật toán đếm bước chân 43 4.5.2 Thuật toán truyền nhận 46 4.6 Giao diện ứng dụng điện thoại 47 4.6.1 Giao diện hiển thị điều khiển 47 4.6.2 Thuật tốn trị chơi 50 Chương KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 53 5.1 Thiết bị thực tế 53 5.2 Ứng dụng điện thoại 54 5.2.1 Sử dụng ứng dụng 54 5.2.2 Kết thực nghiệm 56 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 613 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Máy đếm bước chân Hình 1.2 Thiết bị Misfit Shine Hình 1.3 Thiết bị iBitz Hình 1.4 Vịng đeo tay Dfit Hình 2.2 Sơ đồ khối chức thiết bị Hình 2.3 Chip STM32f103C8T6 14 Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Mpu 6050 16 Hình 2.5 Module Bluetooth HC05 17 Hình 2.6 IC LM2596 19 Hình 2.7 IC AMS1117 20 Hình 2.8 Cấu trúc khung truyền truyền thông không đồng [8] 21 Hình 2.9 BUS I2C thiết bị ngoại vi [9] 22 Hình 2.10 Truyền nhận liệu chủ/tớ [9] 22 Hình 3.1 Mạch ngun lí khối điều khiển 24 Hình 3.2 Mạch nguyên lí khối nguồn 5V 26 Hình 3.3 Mạch nguyên lí khối nguồn 3,3 V 26 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý module giao tiếp Bluetooth HC05 [5] 27 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý module MPU6050 [4] 28 Hình 3.6 Mạch ngun lí thiết bị 29 Hình 4.1 Hệ tọa độ khảo sát chuyển động [9] 31 i Danh mục hình vẽ Hình 4.2 Quá trình thay đổi gia tốc bước [9] 31 Hình 4.3 Đồ thị gia tốc theo trục 32 Hình 4.4 Sơ đồ khối trình lọc [11] 32 Hình 4.5 Mơ hình mạch lọc Kalman [11] 33 Hình 4.6 Một số phân phối chuẩn [12] 35 Hình 4.7 Thuật tốn Kalman dành cho hệ rời rạc tổng quát [13] 38 Hình 4.8 Kết trước sau lọc Kalman 40 Hình 4.9 Ngưỡng động 41 Hình 4.10 Lưu đồ thuật toán đếm bước chân 44 Hình 4.11 Lưu đồ thuật toán truyền nhận 46 Hình 4.12 Giao diện ứng dụng 47 Hình 4.13 Giao diện User 48 Hình 4.14 Giao diện trò chơi 49 Hình 4.15 Thơng báo kết thúc trò chơi 50 Hình 4.16 Các đối tượng trò chơi 51 Hình 5.1 Mặt trước thiết bị 53 Hình 5.2 Mặt sau thiết bị 53 Hình 5.3 Giao diện theo dõi thơng số tập luyện 54 Hình 5.4 Giao diện chơi trị chơi 55 Hình 5.5 Hình ảnh thực tế giao diện kiểm nghiệm bước chân 57 Hình 5.6 Chu vi quảng trường C1 đo từ GPS 58 Hình 5.7 Hình ảnh kết thực tế giao diện kiểm nghiệm quãng đường 59 ii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 4.1 Độ dài bước chân tính theo số bước chiều cao [9] 42 Bảng 5.1 Số bước đo sai số so với thực tế…………………… ………… 56 Bảng 5.2 Số bước, quãng đường, calo sai số quãng đường đo từ thiết bị GPS Google 58 Bảng 5.3 Bước chân quãng đường đo từ thiết bị ứng dụng điện thoại 59 iii Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay, mức sống ngày cải thiện người ta ý chăm sóc sức khỏe thân hơn, thiết bị đo lường sức khỏe hỗ trợ tập thể dục trở nên phổ biến Các thông số thể đo lường để giúp người dùng nắm bắt tình trạng thân nhằm phục vụ nhiều mục đích, ví dụ theo dõi cân nặng để tạo động lực giảm hay tăng cân, thông số huyết áp, đường huyết hay đo nhịp tim giúp bác sĩ chẩn đốn tình trạng bệnh nhân… Các thiết bị đơn giản loại cân, thước, nhiệt kế vô phức tạp đồ thể thao có khả đo lường hoạt động mô cơ, nhịp tim đập hệ hô hấp theo thời gian thực hay vịng đeo sinh trắc học có khả đo lường khí oxy, CO2, độ PH mức huyết áp thơng qua tính hiệu quang, chí nhà khoa học cịn nghiên cứu cơng nghệ cấy ghép để can thiệp sâu thể sinh học người Các chip xử lý ẩn thể hình xăm điện tử chí thay vịng đeo tay thơng minh vài năm tới Trong đồ án tốt nghiệp này, với mục đích tiếp cận làm quen với thiết bị điện tử y tế, em thầy ThS Võ Duy Thành phân công thực để tài: “Thiết kế thiết bị theo dõi thông số tập luyện” với chức năng: đếm bước chân, tính quãng đường được, tính calo, giao diện điều khiển điện thoại thông minh hệ điều hành Android truyền nhận qua Bluetooth kết hợp ứng dụng trò chơi đơn giản khuyến khích tập thể dục cho đối tượng khơng có đủ khơng gian chạy Bố cục đồ án tốt nghiệp gồm chương: - Chương 1: Giới thiệu chung khái niệm thiết bị theo dõi thông số luyện tập, số sản phẩm thị trường đề mục tiêu thiết kế - Chương 2: Cấu hình thiết bị lựa chọn phần cứng - Chương 3: Thiết kế phần cứng - Chương 4: Thiết kế phần mềm ứng dụng - Chương 5: Kết thực nghiệm Với giúp đỡ tận tình thầy giáo ThS Võ Duy Thành, em hồn thành mục tiêu đề Tuy thời gian thực khóa luận khơng nhiều, kiến thức cịn Lời nói đầu hạn chế nên làm đồ án khơng tránh khỏi hạn chế sai sót Em mong nhận góp ý ý kiến phản biện quý thầy cô bạn đọc Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo ngành Tự động hóa cơng nghiệp trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ em thời gian qua Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018 Sinh viên Chu Đức Hải Chương Giới thiệu chung Chương GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm thiết bị theo dõi thông số tập luyện Thiết bị theo dõi thông số tập luyện thể dục phương tiện ghi nhận hoạt động thể chất theo dõi dấu hiệu sức khỏe Chúng theo dõi nhịp tim, mức độ vận động, lượng calories tiêu thụ, chất lượng giấc ngủ hay số dinh dưỡng Những đối tượng người tập thể thao, người ăn kiêng hay người già phụ thuộc vào thiết bị Mục đích loại thiết bị giúp người dùng đưa phương hướng tập luyện phù hợp, tạo động lực trì việc tập luyện cập nhật thông tin sức khỏe cách thuận tiện Thiết bị hỗ trợ đồ án dựa sở máy Pedometer hay gọi máy đếm bước chân, từ tính thông số khác quãng đường hay lượng calo tiêu thụ Pedometer thiết bị điện tử di động dùng để đếm bước chân dựa vào việc phát chuyển động tay hông Hình 1.1 Máy đếm bước chân Pedometer thường để ngày để đếm số bước người đeo ngày quãng đường (quãng đường = số bước x độ dài bước) Do độ dài bước chân người khác nên để xác định xác quãng đường được, pedometer phải có chức cho phép người dùng nhập thông tin chiều cao, cân nặng quãng đường đo trực tiếp qua GPS Pedometer ngộ nhận số chuyển động Chương Giới thiệu chung bước việc buộc dây giày hay bị xóc lái xe, pedometer đại ghi nhận bước “không hợp lệ” Pedometer công cụ dùng để tạo động lực cho muốn giảm cân rèn luyện sức khỏe Tiêu chuẩn cho lối sống khỏe mạnh khoảng 10000 bước ngày, tương đương km, theo số chuyên gia 30 phút bình thường tương đương 3000-4000 bước chân theo pedometer [1] Hiện nay, máy đếm bước chân tích hợp nhiều thiết bị di động máy nghe nhạc hay điện thoại thông minh Công nghệ chế tạo pedometer dựa vào cảm biến gia tốc hệ thống phần mềm Trên thị trường nay, loại pedometer đa dạng vịng tay, thiết bị gắn hơng, giày, tích hợp điện thoại thơng minh hay chí vi cảm biến gắn thể (đối với vận dộng viên chuyên nghiệp) Công nghệ chế tạo thiết bị theo dõi hoạt động thể thao thường gồm cảm biến đo gia tốc chiều (3-axis accelerometer) – để theo dõi chuyển động hướng số khác có quay hồi chuyển (gyroscope) để đo phương hướng chuyển động vòng quay Tuy vậy, độ xác thơng số tương đối cảm biến tồn sai số đo lường phép ước lượng thuật tốn Ví dụ, thiết bị theo dõi gắn cổ tay bỏ qua chuyển động cổ tay không bao gồm số đo vào chuyển động bước Nhưng chuyển động cổ tay ngẫu nhiên không quy luật người dùng làm cơng việc hàng ngày nên việc tính tốn bước chân tay khơng có quỹ đạo chuyển động ổn định khó sai số xuất hiện, điều xảy với thiết bị gắn hông Nhưng cho dù loại thiết bị đối tượng xe máy hay ngồi xe ô tô di chuyển đoạn đường xóc, thiết bị khơng biết hoạt động thực mà theo dõi chuyển động chuyển động tương tự bước Khi đo lượng calo tiêu thụ ứng dụng cần nhiều thông tin số bước chân đếm được, cụ thể độ tuổi, giới tính, chiều cao, cân nặng để ước lượng kết Các thuật toán sử dụng nhà sản xuất thường giữ bí mật vấn đề quyền có nhiều thiết bị cảm ứng liệu sử dụng độ xác cao 1.2 Các sản phẩm có thị trường Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Pedometer, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [2] https://www.semiconvn.com/home/hoc-thiet-ke-vi-mach/bai-hc-vi-mch/10747-giithiu-dong-vi-iu-khin-stm32.html, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [3] http://stm32.kosyak.info/doc/group _i2_c _exported _functions.html, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [4] http://machtudong.vn/sanpham/mpu-6050.html, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [5] https://components101.com/wireless/hc-05-bluetooth-module, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [6] http://banlinhkien.vn/goods-2392-module-buck-dc-dc-3a-lm2596-adj.html, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [7] http://www.banlinhkien.vn/goods-597-ams1117-5v.html, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [8] http://www.dientuvietnam.net/forums/forum/tự-Động-hóa-và-cơng-nghệrobot/Điều-khiển-tự-động-hóa/mạng-máy-tính-và-truyền-thơng-cơng-nghiệp/289truyền-dẫn-đồng-bộ-và-khơng-đồng-bộ, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [9] Neil Zhao,” Full-Featured Pedometer Design Realized with 3-Axis Digital Accelerometer “, Analog Dialogue 44-06 [Online] Available: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/pedometer-design-3-axisdigital-acceler.html, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [10] Jim Scarlett, “Enhancing the Performance of Pedometers Using a Single Accelerometer”, AN-900 APPLICATION NOTE [Online] Available: www.analog.com, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [11] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5751614/, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [12] https://vi.scribd.com/doc/117913378/Kalman-Filter, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [13] https://en.wikipedia.org/wiki/Normal_distribution, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 61 Tài liệu tham khảo [14] Greg Welch and Gary Bishop, (July, 24, 2006), "An Introduction to Kalman Filter”, TR-95-041 [Online] Available: https://sites.google.com/site/hannvntu/dhinhhuong- nghien-cuu/bo-loc-kalman [15] Angus P Andrews and Mohinder S Grewal, Kalman Filtering: Theory and Practice Using MATLAB, Wiley, 1992 [16] https://www.verywellfit.com/pedometer-steps-to-calories-converter-3882595, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [17] https://fitness.stackexchange.com/questions/25472/how-to-calculate-calorie-frompedometer, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [17] https://www.livestrong.com/article/238020-how-to-convert-pedometer- steps-tocalories, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [18] http://appinventor.mit.edu/explore/get-started.html, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 [19] http://appinventor.mit.edu/explore/ai2/tutorials4658.html, truy nhập cuối ngày 12/6/2018 62 Phụ lục PHỤ LỤC #include "main.h" #include "user_delay.h" #include "UserLib.h" #include "stdio.h" #include "system_stm32f10x.h" #include "stm32f10x_flash.h" #include "math.h" /* define mpu6050 register address*/ #define SlaveAddress (0x68 fabs((double)Ax))) {AccSelPar = 2;} CheckDirect ++; } else { CheckDirect = 6; A_Selected = data[AccSelPar]; if(Excercise == 1) { if(Jump_Condition == 1) { if(Ax < Threshold) Jump_Condition =0; } if((Ax >= Threshold)&&(Jump_Condition == 0)) { Jump_Condition = 1; SendUSART(USART2, 'J'); } } else if(Excercise == 0) // normal mode { if(Kal_Loop