Thiết kế thiết bị theo dõi thông số tập luyện

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 Mọi số liệu kết nghiên cứu trung thực hoàn toàn với thực tế Các tài liệu tham khảo cho đồ án cảm ơn trích dẫn phần tài liệu tham khảo, không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép, em xin chịu hồn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2018 Sinh viên Lưu Văn Quốc MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iii LỜI MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Khái niệm thiết bị theo dõi thông số tập luyện 1.2 Giới thiệu thiết bị theo dõi thông số tập luyện 1.2.1 Phân loại 1.2.2 Một số thiết bị theo dõi thông số tập luyện thị trường 1.3 Đặc điểm chung thiết bị theo dõi thông số tập luyện 1.3.1 Cấu tạo chức 1.3.2 Độ xác 1.3.3 Tính thẩm mỹ thời lượng pin 10 1.4 Mục tiêu đề tài 11 1.4.1 Phân tích thực tế 11 1.4.2 Xác định mục tiêu 13 Chương CẤU HÌNH THIẾT BỊ VÀ LỰA CHỌN PHẦN CỨNG 16 2.1 Cấu hình thiết bị 16 2.2 Phân tích khối chức lựa chọn linh kiện 16 2.2.1 Khối cảm biến 16 2.2.2 Khối truyền thông 18 2.2.3 Khối điều khiển 20 2.2.4 Các chuẩn truyền thông 23 2.2.5 Khối nguồn 26 2.2.6 Khối giao diện 28 Chương THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 29 3.1 Khối nguồn 29 3.1.1 Mạch nguồn 5V 29 3.1.2 Mạch nguồn 3.3V 30 3.2 Khối cảm biến 30 3.3 Khối truyền thông 31 3.4 Khối điều khiển 33 Chương THIẾT KẾ PHẦN MỀM 36 4.1 Tìm hiểu thuật tốn lập trình vi điều khiển 36 4.1.1 Tìm hiểu thuật tốn 36 4.1.2 Lập trình vi điều khiển 48 4.2 Ứng dụng giao diện 53 4.2.1 Giao diện hiển thị thông tin 53 4.2.2 Giao diện nhập thông tin người dùng 55 4.2.3 Giao diện tập luyện 56 Chương KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 63 5.1 Kết 63 5.1.1 Thiết bị thực tế 63 5.1.2 Ứng dụng giao diện 63 5.1.3 Sử dụng chức tập luyện 65 5.2 Kết thực nghiệm 66 5.2.1 Kết sử dụng thiết bị 66 5.2.2 So sánh với ứng dụng điện thoại 70 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 75 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Người dùng sử dụng thiết bị theo rõi thông số tập luyện Hình 1.2 Thiết bị theo dõi tập luyện loại đeo hông Hình 1.3 Thiết bị theo dõi tập luyện loại đeo tay Hình 1.4 Thiết bị đếm bước chân sử dụng cấu điện Hình 1.5 Thiết bị theo dõi tập luyện sử dụng cảm biến Hình 1.6 OZO Fitness SC2 Hình 1.7 U-Trak 3D Pedometer Sport Hình 1.8 Fibit Flex Hình 1.9 LETSCOM ID101HR Fitness Tracker HR Hình 2.1 Cấu hình thiết bị 16 Hình 2.2 Module Bluetooth HC05 20 Hình 2.3 Vi điều khiển STM32F103C8T6 22 Hình 2.4 Cấu trúc kết nối thiết bị theo chuẩn I2C 24 Hình 2.5 IC nguồn LM2596 27 Hình IC nguồn AMS1117 27 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V 29 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 3.3V 30 Hình 3.3 Module MPU-6050 30 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý module MPU-6050 31 Hình 3.5 Module Bluetooth HC-05 32 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý module Bluetooth HC-05 32 i Danh mục hình vẽ Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý ghép nối vi điều khiển 33 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý ghép nối phần cứng 35 Hình 4.1 Sơ đồ thuật tốn Kalman cho hệ rời rạc 39 Hình 4.2 Kết lọc Kalman cho giá trị đọc từ cảm biến gia tốc 40 Hình 4.3 Ba trục tọa độ khảo sát chuyển động [6] Error! Bookmark not defined Hình 4.4 Sự thay đổi gia tốc theo giai đoạn bước [6] 42 Hình Đồ thị gia tốc theo phướng thẳng đứng chậm 42 Hình 4.6 Đồ thị gia tốc theo phương thẳng đứng nhanh 43 Hình 4.7 Đồ thị gia tốc theo phướng thẳng đứng chạy 43 Hình 4.8 Đồ thị miêu tả thuật toán phát bước chân 45 Hình 4.9 Lưu đồ thuật tốn theo dõi số bước chân 48 Hình 4.10 Lưu đồ thuật tốn truyền nhận liệu qua Bluetooth 51 Hình 4.11 Giao diện hiển thị thông số tập luyện 53 Hình 4.12 Giao diện nhập thông tin người dùng 55 Hình 4.13 Giao diện khởi chạy chế độ tập luyện 56 Hình 4.14 Hiệu ứng chuyển động giao diện tập luyện 58 Hình 4.15 Lưu đồ thuật tốn xử lý chuyển động nhảy 59 Hình 4.16 Phát chạm thông báo 61 Hình 5.1 Hình ảnh thực tế thiết bị 63 Hình 5.2 Các hình ứng dụng giao diện điện thoại 64 Hình 5.3 Người dùng sử dụng chức tập luyện 65 Hình 5.4 Quãng đường khảo sát quảng trường C1 Đại học Bách Khoa Hà Nội 68 ii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 4.1 Công thức uớc lượng độ dài bước chân 46 Bảng 5.1 Kết khảo sát thực tế sử dụng thiết bị theo dõi số bước chân 66 Bảng 5.2 Kết khảo sát sử dụng thiết bị với người tình nguyện viên số 68 Bảng 5.3 Kết khảo sát sử dụng thiết bị với người tình nguyện viên số 69 Bảng 5.5 Kết so sánh sử dụng thiết bị với ứng dụng điện thoại 70 iii Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Khi mà người ngày trở nên bận rộn với nhịp sống ngày khơng cịn nhiều quỹ thời gian để sử dụng cho việc tập luyện thể dục thể thao điều họ cần tập luyện đủ mức cần thiết với mục tiêu luyện tập cụ thể Vì thiết bị theo dõi thông số tập luyện đời cho phép người dùng thấy số cụ thể kết luyện tập thân, thấy đường đến mục tiêu luyện tập Thiết bị theo dõi tập luyện giúp tạo động lực tập luyện, sử dụng hiệu quỹ thời gian có điều chỉnh tập luyện phù hợp cho thân Không dừng lại mà thiết bị ngày trang bị tính thơng minh thơng qua việc theo dõi, phân tích thơng số tập luyện người dùng để cung cấp lời khuyên hữu ích tương lai phát triển thành thiết bị theo dõi sức khỏe toàn diện Mặc dù loại thiết bị phổ biến tiềm phát triển tương lai lớn cần làm chủ công nghệ Sau thời gian học tập trường, bảo hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo ngành Tự động cơng nghiệp trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em kết thúc khố học tích luỹ vốn kiến thức định Được đồng ý nhà trường thầy cô giáo khoa em giao đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế thiết bị theo dõi thông số tập luyện” Đồ án tốt nghiệp gồm chương: - Chương 1: Tổng quan đề tài - Chương 2: Cấu hình thiết bị lựa chọn phần cứng - Chương 3: Thiết kế phần cứng - Chương 4: Thiết kế phần mềm - Chương 5: Kết thực nghiệm Bằng cố gắng nỗ lực thân đặc biệt giúp đỡ tận tình, chu đáo thầy giáo ThS.Võ Duy Thành, đồ án hoàn thành thời hạn Do thời gian làm đồ án có hạn trình độ cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô Lời mở đầu bạn sinh viên để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy 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 25 tháng năm 2018 Sinh viên Lưu Văn Quốc Chương Tổng quan đề tài Chương TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Khái niệm thiết bị theo dõi thông số tập luyện Thiết bị hỗ trợ theo dõi thông số tập luyện loại thiết bị có chức theo dõi ghi nhận thơng số hoạt động thể chất người sử dụng q trình luyện tập thể dục thể thao Các thơng số nhịp tim, huyết áp, số bước chân, quãng đường đi, lượng calo tiêu thụ, … chúng đưa mang tính chất tham khảo cho người sử dụng để họ điều chỉnh trình luyện tập cho phù hợp Một số thiết bị cung cấp lời khuyên, dẫn phù hợp cho người dùng dựa phân tích tính tốn liệu có tất mang mục đích hỗ trợ người dùng trình tập luyện Hình 1.1 Người dùng sử dụng thiết bị theo rõi thông số tập luyện 1.2 Giới thiệu thiết bị theo dõi thông số tập luyện 1.2.1 Phân loại a) Theo vị trí đeo Vị trí đeo thiết bị theo dõi tập luyện đa dạng, đeo tay, hông, cho túi quần, túi ngực đeo cổ phổ biến loại: loại đeo cổ tay loại đeo hông Loại đeo hông: Cấu tạo có cấu kẹp để gắn vào cạp quần, dây lưng, số loại có dây đai riêng để đeo quanh người Chức loại thường sử dụng cho mục đích chuyên dụng hoạt động thể chất bộ, chạy để Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.verywellfit.com/best-pedometers-4159148, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [2] https://www.bbc.com/vietnamese/business-38718933, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [3] http://khampha.vn/khoa-hoc-cong-nghe/thiet-bi-theo-doi-tap-luyen-khong-giupich-gi-cho-suc-khoe-c7a455386.html, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [4] Datasheet PS-MPU-6000A-00, InvenSense Inc, revision 3.4, release date 08/19/2013, [5] https://sites.google.com/site/hannvntu/dhinh-huong-nghien-cuu/bo-loc-kalman, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [6] Neil Zhao, “ Full-Featured Pedometer Design Realized with 3-Axis Digital Accelerometer”, Analog Dialogue, 2010 [7] http://www.bscra.byethost16.com/trackbuild/ped.htm?i=1, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [8] http://blog.csdn.net/qq_22520215/article/details/72771984, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [9] https://www.verywellfit.com/best-pedometers-4159148, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [10] https://www.letscom.com/products/fitness-tracker-id101-hr-blue, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [11] Datasheet Advance monolithic systems - AMS117 [12] Datasheet RM-MPU-6000A-00, InvenSense Inc, revision 4.2, release date 08/19/2013 [13] https://www.programering.com/a/MDM3QjNwATc.html, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 [14] http://genk.vn/do-choi-so/nhung-thiet-bi-cong-nghe-theo-doi-suc-khoe-dangmong-doi-trong-nam-2013-20130208011328129.chn, truy nhập cuối ngày 8/6/2018 74 Phụ lục PHỤ LỤC P1 Bảng lệnh AT Bảng P1 Mã lệnh AT cho HC-05 Lệnh Chức AT Lệnh test, trả OK module hoạt động Command Mode AT+VERSION? Trả firmware module Chế độ Master AT+UART=9600,0,0 Thiết lập baudrate 9600, 1bit stop, no parity AT+RMAAD Ngắt kết nối với thiết bị ghép AT+ROLE=1 Đặt module master AT+RESET Reset lại thiết bị AT+CMODE=0 Cho phép kết nối với địa AT+INQM=0,5,5 Dừng tìm kiếm thiết bị tìm thiết bị sau 5s AT+PSWD=1234 Cài đặt mật (mã pin) cho thiết bị AT+INQ Tìm kiếm thiết bị để ghép nối Sau lệnh loạt thiết bị tìm thấy thị Định kết sau lệnh sau: INQ: address, type, signal Address có định dạng “0123:4:567890” Để sử dụng địa lệnh ta phải thay dấu “:” thành “,” ta “ 0123,4,5678 “ AT+PAIR=, Đặt timeout(s) kết nối với địa slave AT+LINK= Kết nối với slave Chế độ Slave 75 Kết luận AT+ROLE=0 Đặt chế độ SLAVE AT+ORGL Reset lại cài đặt mặc định AT+RMAAD Xóa thiết bị ghép nối AT+ADDR Hiển thị địa SLAVE P2 Code lập trình #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