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近年來，健身房在一線與二線城市里如雨后春筍般茁壯成長(zhǎng)。對(duì)于健身小白來說，健身教練對(duì)健身指導(dǎo)起到了至關(guān)重要的作用。但有些小型的健身房并沒有足夠的健身教練，正好在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的時(shí)代，智能健身器材應(yīng)運(yùn)而生。只要健身器材安裝上傳感器，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)用戶健身運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，將數(shù)據(jù)上傳至云端，為后端AI智能分析該用戶的情況并可以定制一套合適的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。本項(xiàng)目主要是設(shè)計(jì)制作出智能健身器材的前端部分，包括采集、處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到云端。

1、主控端

   采用以STM32F103CBT6組成的硬件系統(tǒng)，STM32的MCU在IOT（Internet of Thing 物聯(lián)網(wǎng)）領(lǐng)域占據(jù)了大半江山，是基于它的性能較好，使用ARM的內(nèi)核使得開發(fā)更加標(biāo)準(zhǔn)化。下圖5是主控MCU及外圍電路。

圖5 主控MCU及外圍電路

   在本硬件系統(tǒng)中，除了必要的外圍電路外還考慮到了USART接口，除了進(jìn)行debug還有作為無線的通訊接口。

2、無線通訊模塊

   本項(xiàng)目采用樂鑫的ESP8266模塊。專為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，通過多項(xiàng)專有技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超低功耗的ESP8266是不二的選擇。

3、傳感器模塊

   本項(xiàng)目使用的位置傳感器是由IDT公司提供的ZMID520X家族的位置傳感器開發(fā)模塊。里面包括線性模塊（ZMID520xMLIN01201），弧度旋轉(zhuǎn)模塊（ZMID520xMARC13001），360度旋轉(zhuǎn)模塊（ZMID520xMROT36001），三個(gè)傳感器如圖6。

   線性模塊（ZMID520xMLIN01201）：本模塊為指示線性距離（Liner）的傳感器模塊，最大可以測(cè)量距離為12mm。

   弧度旋轉(zhuǎn)模塊（ZMID520xMARC13001）：本模塊為指示弧度旋轉(zhuǎn)（Arc）的傳感器模塊，最大可以測(cè)量角度為130度。

        360度旋轉(zhuǎn)模塊（ZMID520xMROT36001）：本模塊為指示任意旋轉(zhuǎn)（Rotary）的傳感器模塊。

   模塊的線圈已經(jīng)經(jīng)過ZMID520x Inductive Coil Design Tool Software設(shè)計(jì)好的，可以最大程度發(fā)揮傳感器的特性。

圖6 三種傳感器套件（從上到下為360度旋轉(zhuǎn)模塊、線性模塊、弧度旋轉(zhuǎn)模塊）

   本次制作示例性的使用到了弧度旋轉(zhuǎn)模塊來制作健身器材——蝴蝶機(jī)。

4、特殊電路

   因?yàn)檫@次項(xiàng)目的傳感器模塊由IDT公司提供，工作電壓為4.5V-5.5V，數(shù)據(jù)輸出接口為模擬信號(hào)輸出，傳感器IC的DAC參考電壓為它的工作電壓。而主控端是STM32單片機(jī)，沒有將ADC的參考電壓拉出來作可選接口，只能使用3.3V的ADC參考電壓。因此只能將傳感器模塊輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行1/2分壓（使用兩個(gè)470Ω電阻串聯(lián)）。原理如下圖7。

圖7 修正分壓電路

5、健身器材結(jié)構(gòu)模型

   本項(xiàng)目的健身器材模型是練習(xí)胸肌的蝴蝶機(jī)，如下圖8，制作出的主要模型是兩個(gè)力臂（下圖紅色框中）。

圖8 蝴蝶機(jī)原型（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除）

   制作模型的材料主要是有機(jī)物材料（化學(xué)式為(C6H10O5)n）、BOPP（(C3H6)n）、高彈性聚合物材料（(C5H8)n）。模型圖如下圖9。

圖9 模型實(shí)物圖

1、基于STM32固件庫(kù)

        STM32固件庫(kù)是將會(huì)使用到的MCU內(nèi)部資源以及外設(shè)寫成庫(kù)函數(shù)，以操作函數(shù)的形式而不是操作寄存器，減少了很多重復(fù)工作，加快了開發(fā)者的開發(fā)速度。主要使用以下模塊：

        (1)ADC模塊：傳感器模組輸出的信息數(shù)據(jù)為模擬信號(hào)，所以需要使用ADC去采集分析。

        (2)USART模塊：項(xiàng)目中使用到ESP8266來上傳運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，所以需要UART去與ESP8266通訊。同時(shí)調(diào)試也需要使用UART接口去了解傳感器的數(shù)據(jù)。

   還有GPIO模塊、flash模塊、timer模塊等等輔助模塊就不詳細(xì)介紹了。

2、使用μC/OS II操作系統(tǒng)

   μC/OS II(Micro-Controller Operating System Two)是一個(gè)可以基于ROM運(yùn)行的、可裁剪的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。

   本項(xiàng)目使用了操作系統(tǒng)，是因?yàn)榭紤]到后期假如在一個(gè)健身器材上加入多個(gè)傳感器，只需要加入任務(wù)即可，也方便對(duì)不同的傳感器進(jìn)行維護(hù)。

3、流程圖（圖10）

圖10 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

4、夾胸運(yùn)動(dòng)的判斷算法

   判斷是否完成一個(gè)夾胸動(dòng)作，使用了施密特觸發(fā)器原理算法實(shí)現(xiàn)。即設(shè)定了兩個(gè)大小不一樣的閾值，要求每次運(yùn)動(dòng)要超越這兩個(gè)范圍才算一次夾胸。原理如下圖11。

圖11 夾胸判斷算法

   原型外觀：如圖1（整體圖）和圖2（傳感器關(guān)鍵設(shè)計(jì)）。

圖1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)模型整體圖

圖2傳感器關(guān)鍵設(shè)計(jì)

   功能框圖：如下圖3。

圖3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)功能框圖

   演示效果：如視頻所示，OneNet數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 OneNET端采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

云端演示地址：https://open.iot.10086.cn/iotbox/appsquare/appview?openid=4c7cedbfcbd721d80698d1c62c97e879

室內(nèi)健身器材運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)系統(tǒng).ppt

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