项目二--云端计步器

本教程也是一个microduino和microWRT结合的项目。主要是通过microduino和传感器模块来检测被测对象的运动量，然后通过蓝牙模块将数据传送到microWRT上的microduino core模块。 Core模块进而将数据通过串口发送给microWRT。最后microWRT会把数据上传到yeelink，用户在任何地方只要能够访问网络，就可以看到运动量。 本教程有microWRT玩家“while（高群）”在microWRT内测活动中完成的。非常感谢“while”。最终解释权归“while”所有。 本教程中的所有代码可以通过下面链接直接下载。 源程序: 所有源程序 硬件设备 microWRT 一个 Microduino-Core 二个 Microduino-BLE 二个 Microduino-USBTTL 一个 ADXL345传感器 一个 ADXL34传感器介绍 项目初始设计阶段是计划使用MPU6050加速度传感器来监测运动数据，但MP6050在省电方面太难调试，之后就把传感器换成了ADXL345加速度传感器。 ADXL345是一款小而薄的低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位），测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。 ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(4 mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。 该器件提供多种特殊检测功能。活动和非活动检测功能检测有无运动发生，以及任意轴上的加速度是否超过用户设置的限值。敲击检测功能可以检测单击和双击动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以映射到两个中断输出引脚中的一个。正在申请专利的32级先进先出(FIFO)缓冲器可用于存储数据，最大程度地减少主机处理器的干预。 低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。 ADXL345采用3 mm × 5 mm × 1 mm、14引脚小型超薄塑料封装。 选择ADXL345主要是看重了它的省电特性"测量模式下低至40 μA，待机模式下为0.1 μA",还配备了32组X,Y,Z FIFO， 功耗对于这个项目是非常重要的，谁也不想几天就去换一块电池！ ADXL345说明书: ADXL345 中文说明书 ADXL345使用参考: ADXL345 使用参考手册 计步器原理介绍 计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器，可以激励人们挑战自己，增强体质，帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。 晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。如今，先进的计步器利用MEMS（微机电系统）惯性传感器和复杂的软件来精确检测真实的步伐。 MEMS惯性传感器可以更准确地检测步伐，误检率更低。MEMS惯性传感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特点，因此越来越多的便携式消费电子设备开始集成计步器功能， 如音乐播放器和手机等。ADI公司的3轴加速度计ADXL335, ADXL345和ADXL346小巧纤薄，功耗极低，非常适合这种应用。 本文以对步伐特征的研究为基础，描述一个采用3轴加速度计ADXL345的全功能计步器参考设计，它能辨别并计数步伐，测量距离、速度甚至所消耗的卡路里。 ADXL345专有的片内32级先进先出(FIFO)缓冲器可以存储数据，并执行计步器应用的相关操作，从而最大程度地减少主处理器干预，为便携式设备节省宝贵的系统功率。 其13位分辨率(4 mg/LSB)甚至允许计步器以合理的精度测量超低速步行（每步加速度变化约55 mg）。了解模型在可用于分析跑步或步行的特征当中， 我们选择“加速度”作为相关参数。个体（及其相关轴）的运动包括三个分量，分别是前向（“滚动”）、竖向（“偏航”）和侧向（“俯仰”），如图所示。 ADXL345检测其三个轴——x、y和z上的加速度。计步器处于未知方向，因此测量精度不应严重依赖于运动轴与加速度计测量轴之间的关系。 加速度传感器 系统设计方案 1.设置ADXL345传感器为50Hz采样率，因为配备了FIFO，可以存储32组X,Y,Z数据，所以0.64秒才需要读取一次数据，其他时间arduino可以进入休眠模式 2.当ADXL345把FIFO数据填充好以后会触发中断，把arduino从休眠模式唤醒处理获取到的32组X,Y,Z传感器数据，判断用户（小动物）是否迈出了一步， 具体算法请参考analog公司计步器原理.(http://www.analog.com/library/analogDialogue/china/archives/44-06/pedometer.html) 3.统计用户（小动物）每10分钟走了多少步，唤醒机制是使用了arduino的看门狗模块，把数据通过蓝牙透明串口模块发送给MicroWRT模块。 4.MicroWRT获取到的数据通过上传到Yeelink，我们可以通过Yeelink网页或者客户端查看到运动数据。 Microduino端设计 1. 硬件连接如下表所示。 引脚表 Microduino引脚 ADXL345引脚 10 CS 11 SDA 12 SDO 13 SCL 3V3 VCC GND GND 2. Microduino Core 代码 #include <avr/sleep.h> #include <avr/wdt.h> #include <Wire.h> //调用arduino自带的I2C库 #define ADXL345_REG_DEVID 0x00 // Device ID #define ADXL345_REG_THRESH_TAP 0x1D // Tap threshold #define ADXL345_REG_OFSX 0x1E // X-axis offset #define ADXL345_REG_OFSY 0x1F // Y-axis offset #define ADXL345_REG_OFSZ 0x20 // Z-axis offset #define ADXL345_REG_DUR 0x21 // Tap duration #define ADXL345_REG_LATENT 0x22 // Tap latency #define ADXL345_REG_WINDOW 0x23 // Tap window #define ADXL345_REG_THRESH_ACT 0x24 // Activity threshold #define ADXL345_REG_THRESH_INACT 0x25 // Inactivity threshold #define ADXL345_REG_TIME_INACT 0x26 // Inactivity time #define ADXL345_REG_ACT_INACT_CTL 0x27 // Axis enable control for activity and inactivity detection #define ADXL345_REG_THRESH_FF 0x28 // Free-fall threshold #define ADXL345_REG_TIME_FF 0x29 // Free-fall time #define ADXL345_REG_TAP_AXES 0x2A // Axis control for single/double tap #define ADXL345_REG_ACT_TAP_STATUS 0x2B // Source for single/double tap #define ADXL345_REG_BW_RATE 0x2C // Data rate and power mode control #define ADXL345_REG_POWER_CTL 0x2D // Power-saving features control #define ADXL345_REG_INT_ENABLE 0x2E // Interrupt enable control #define ADXL345_REG_INT_MAP 0x2F // Interrupt mapping control #define ADXL345_REG_INT_SOURCE 0x30 // Source of interrupts #define ADXL345_REG_DATA_FORMAT 0x31 // Data format control #define ADXL345_REG_DATAX0 0x32 // X-axis data 0 #define ADXL345_REG_DATAX1 0x33 // X-axis data 1 #define ADXL345_REG_DATAY0 0x34 // Y-axis data 0 #define ADXL345_REG_DATAY1 0x35 // Y-axis data 1 #define ADXL345_REG_DATAZ0 0x36 // Z-axis data 0 #define ADXL345_REG_DATAZ1 0x37 // Z-axis data 1 #define ADXL345_REG_FIFO_CTL 0x38 // FIFO control #define ADXL345_REG_FIFO_STATUS 0x39 // FIFO status int ADXAddress = 0xA7>>1; //转换为7位地址 int X0,X1,X_out; int Y0,Y1,Y_out; int Z1,Z0,Z_out; double Xg,Yg,Zg; boolean fifo=false; //fifo中断标志 int min_x,min_y,min_z; int max_x,max_y,max_z; int dynamic_threshold_x;//动态阀值x int dynamic_threshold_y;//动态阀值y int dynamic_threshold_z;//动态阀值z int dynamic_threshold; int dynamic_accuracy;//动态精度 byte sample_count;//采样计数 int time_1;//间隔计数 int time_2; volatile byte timing;//看门狗计时 byte margin_max;//幅度最大的通道 int data_out; int sample_new; int sample_old; int slope;//斜率变量 int Pedometer2; int Pedometer3;//时间段内的计步数 int test; void setup() { delay(100); Serial.begin(115200,SERIAL_8N1); pinMode(10,OUTPUT); digitalWrite(10,HIGH); Wire.begin(); //初始化I2C delay(100); setup_watchdog(9); // 0=16ms, 1=32ms,2=64ms,3=128ms,4=250ms,5=500ms // 6=1 sec,7=2 sec, 8=4 sec, 9= 8sec ACSR |=_BV(ACD);//OFF ACD ADCSRA=0;//OFF ADC Reg(ADXL345_REG_POWER_CTL,0x00);//待机 Reg(ADXL345_REG_BW_RATE,0x09);//数据速率及功率模式控制 Reg(ADXL345_REG_DATA_FORMAT,0x28); //数据格式控制,中断电平 Reg(ADXL345_REG_INT_MAP,0x03);//中断映射 Reg(ADXL345_REG_FIFO_CTL,0xF4);//FIFO控制 Reg(ADXL345_REG_INT_ENABLE,0x03);//中断使能控制 Reg(ADXL345_REG_POWER_CTL,0x08);//测量 Clea(); attachInterrupt(0, Watermark, FALLING); } void Watermark() { fifo=true; } void Clea() { for(int y=0;y<=32;y++) { Wire.beginTransmission(ADXAddress); Wire.write(ADXL345_REG_DATAX0); Wire.write(ADXL345_REG_DATAX1); Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(ADXAddress,2); } } void Reg(byte x1,byte x2) { Wire.beginTransmission(ADXAddress); Wire.write(x1); Wire.write(x2); Wire.endTransmission(); } void setup_watchdog(int ii) { byte bb; if (ii > 9 ) ii=9; bb=ii & 7; if (ii > 7) bb|= (1<<5); bb|= (1<<WDCE); MCUSR &= ~(1<<WDRF); // start timed sequence WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE); // set new watchdog timeout value WDTCSR = bb; WDTCSR |= _BV(WDIE); } ISR(WDT_vect) { timing++; if(timing>=75)//75*8s=600s { timing=0; //Serial.println(test++); Serial.print(abs( Pedometer2-Pedometer3) ); Pedometer3=Pedometer2; } } void Read_fifo() { Wire.beginTransmission(ADXAddress); Wire.write(ADXL345_REG_DATAX0); Wire.write(ADXL345_REG_DATAX1); Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(ADXAddress,6); if(Wire.available()<=6); { X0 = Wire.read(); X1 = Wire.read(); Y0 = Wire.read(); Y1 = Wire.read(); Z0 = Wire.read(); Z1 = Wire.read(); X1 = X1<<8; X_out = X0+X1; Y1 = Y1<<8; Y_out = Y0+Y1; Z1 = Z1<<8; Z_out = Z0+Z1; } } void Sleep_avr()//睡眠模式 { set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN ); // sleep mode is set here sleep_enable(); sleep_mode(); // System sleeps here } void loop() { if(fifo==true) { fifo=false; for(byte x=0;x<20;x++) { Read_fifo(); sample_count++; if(sample_count<=50) { max_x=max(max_x,X_out);//最大最小值 min_x=min(min_x,X_out); max_y=max(max_y,Y_out); min_y=min(min_y,Y_out); max_z=max(max_z,Z_out); min_z=min(min_z,Z_out); } else { sample_count=0; if( abs(max_x-min_x) > abs(max_y-min_y) && abs(max_x-min_x) > abs(max_z-min_z) ) //动态精度 {margin_max=1;dynamic_accuracy=abs(max_x-min_x)/8;} if( abs(max_y-min_y) > abs(max_x-min_x) && abs(max_y-min_y) > abs(max_z-min_z) ) {margin_max=2;dynamic_accuracy=abs(max_y-min_y)/8;} if( abs(max_z-min_z) > abs(max_x-min_x) && abs(max_y-min_y) > abs(max_y-min_y) ) {margin_max=3;dynamic_accuracy=abs(max_z-min_z)/8;} if(dynamic_accuracy < 10) { dynamic_accuracy=10; } //动态精度 dynamic_threshold_x= (max_x+min_x)/2;//动态阀值 dynamic_threshold_y= (max_y+min_y)/2; dynamic_threshold_z= (max_z+min_z)/2; max_x=-10000;max_y=-10000;max_z=-10000; min_x=10000;min_y=10000;min_z=10000; }//if..else switch(margin_max) { case 1:data_out=X_out; dynamic_threshold=dynamic_threshold_x-10; break; case 2:data_out=Y_out; dynamic_threshold=dynamic_threshold_y-10; break; case 3:data_out=Z_out; dynamic_threshold=dynamic_threshold_z-10; break; } time_1++; // Serial.print(dynamic_threshold); // Serial.print(","); sample_old=sample_new; if( abs(data_out-sample_new) > dynamic_accuracy ) { sample_new=data_out;} // Serial.println(sample_old); if(sample_old>dynamic_threshold && abs(dynamic_threshold-sample_old)>20 ) { slope=1; } if(sample_old<dynamic_threshold && abs(dynamic_threshold-sample_old)>20 ) { if( slope==1 ) { slope=0; if( (time_1 -time_2) >10 && (time_1-time_2)< 100 ) //时间间隔，判断是否是有效步伐 { Pedometer2++; // Serial.println(Pedometer2++); } time_2=time_1; } } }//for Sleep_avr();//Sleep.... }//if else { delay(1); Sleep_avr(); } } 因为使用了ADXL345加速度传感器，所有0.64秒才唤醒arduino读取数据，然后使用低功耗蓝牙4.0透明串口传送数据给MicroWRT上传到Yeelink。 所以microduino端的功耗非常低，睡眠模式下的功耗只需要10ua，所以这个项目的计步器设计使用2032纽扣电池可以提供几个月的使用时间！ MicroWRT端设计 1. MicroWRT 代码 #include <stdio.h> //标准输入输出定义 #include <stdlib.h> //标准函数库定义 #include <unistd.h> //Unix标准函数定义 #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> //文件控制定义 #include <termios.h> //POSIX中断控制定义 #include <errno.h> //错误号定义 #include <signal.h> #include <unistd.h> #include<time.h> #include <string.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/socket.h> //using namespace std; const char *YEELINK_IP="42.96.164.52"; //定义波特率数组 int speed_arr[] = {B115200, B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200, B300}; int name_arr[] = {115200,38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 300}; //打开串口 int open_port(void) { int fd; //串口的标识符 //O_NOCTTY用来告诉Linux这个程序不会成为“控制终端” //O_NDELAY用来告诉Linux这个程序不关心DCD信号 fd=open("/dev/ttyS0",O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY); if(fd == -1) { //不能打开串口 perror("open_port: Unable to open /dev/ttyS0 -"); return(fd); } else { fcntl(fd, F_SETFL, 0); printf("open ttys0 .....\n"); return(fd); } } //设置波特率 void set_speed_and_parity(int fd, int speed) { int i=0; //设置循环标志——注意不要在for内设置，否则会出错 struct termios Opt; //定义termios结构 if(tcgetattr(fd,&Opt)!=0) { perror("tcgetattr fd"); return; } for(i = 0; i < 8 ; i++) { if(speed == name_arr[i]) { tcflush(fd, TCIOFLUSH); cfsetispeed(&Opt, speed_arr[i]); cfsetospeed(&Opt, speed_arr[i]); /*tcsetattr函数标志： TCSANOW：立即执行而不等待数据发送或者接受完成。 TCSADRAIN：等待所有数据传递完成后执行。 TCSAFLUSH：Flush input and output buffers and make the change */ if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &Opt) != 0) { perror("tcsetattr fd"); return; } tcflush(fd, TCIOFLUSH); } } //设置奇偶校验——默认8个数据位、没有校验位 Opt.c_cflag &= ~PARENB; Opt.c_cflag &= ~CSTOPB; Opt.c_cflag &= ~CSIZE; Opt.c_cflag |= CS8; } /* //设置奇偶校验——默认8个数据位、没有校验位 int set_parity() { Opt.c_options.c_cflag &= ~PARENB options.c_cflag &= ~CSTOPB options.c_cflag &= ~CSIZE; Opt.c_cflag |= CS8; } */ void yeelink(float data) { char tmp[10]; sprintf(tmp,"%.3f",data); struct sockaddr_in addr ; int t=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); // TCP bzero(&addr,sizeof(addr)); addr.sin_family =AF_INET; //IPV4 addr.sin_port=htons(80); //PORT addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(YEELINK_IP); while(connect(t,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr))==-1) { printf("connect eero \n"); } char *data1="POST /v1.0/device/5167/sensor/30842/datapoints HTTP/1.0\r\nHost: api.yeelink.net\r\nAccept: */*\r\n"; //5167替换成你自己的device号，30842也需替换成你的sensor号 send(t,data1,strlen(data1),0); char *data2="U-ApiKey: 67f4ce66959dd6d518af60289206f700\r\nContent-Length: ";//替换U-ApiKey send(t,data2,strlen(data2),0); char data3[5]; sprintf(data3,"%d",strlen(tmp)+10); send(t,data3,strlen(data3),0); //写入数据长度 char *data4="\r\nContent-type: application/json;charset=utf-8\r\n\r\n"; send(t,data4,strlen(data4),0); send(t,"{\"value\":",strlen("{\"value\":"),0); send(t,tmp,strlen(tmp),0); send(t,"}\r\n",strlen("}\r\n"),0); close(t); } int main(void) { int fd; int y; int nread,i; char buff[1024]; int test; //打开串口 if((fd=open_port())<0) { perror("open_port error"); return 0; } //设置波特率和校验位 set_speed_and_parity(fd,115200); //设置校验位 //set_parity(); printf("fd=%d\n",fd); while (1) //循环读取数据 { if((nread = read(fd, buff, 512))>0) { //printf("\nLen %d\n",nread); tcflush(fd, TCIOFLUSH); test=atoi(buff); //printf( "%s", buff); printf("%d\n",test); yeelink(test); } } //关闭串口 close(fd); return 0; } 2. 编译源程序 在以前的教程中，我们一般都是把源程序复制到openwrt的编译目录，或者是openwrt SDK的编译目录中去编译。其实我们也有一个简单的方法，就是安装好交叉编译工具链在 HOST主机中，设置环境变量，就可以自由的编译源程序了。具体操作步骤如下： <1> 下载交叉编译工具链。当然你也可以自己用openwrt的source code编译。 下载路径： 链接：http://pan.baidu.com/s/1eQtnfIM 密码：qrye <2> 设置环境变量，登陆系统（非root用户），在终端输入： $ sudo gedit ~/.profile(or .bashrc) <3> 在此文件末尾加入PATH的设置如下，根据自己的路径修改： export STAGING_DIR='/home/while/OpenWrt-Toolchain/toolchain-mipsel_24kec+dsp_gcc-4.8-linaro_uClibc-0.9.33.2/' <4> 保存文件，注销在登陆，变量将生效。 <5> 安装编译环境软件包： sudo apt-get install gcc g++ binutils patch bzip2 flex bison make autoconf gettext texinfo unzip sharutils ncurses-term zlib1g-dev libncurses5-dev gawk <6> 进入OpenWrt-Toolchain/toolchain-mipsel_24kec+dsp_gcc-4.8-linaro_uClibc-0.9.33.2/bin目录，新建文件hello.c #include<stdio.h> int main() { printf("hello world!"); } <7>然后终端进入OpenWrt-Toolchain/toolchain-mipsel_24kec+dsp_gcc-4.8-linaro_uClibc-0.9.33.2/bin 目录，根据你自己的目录修改， 输入./mipsel-openwrt-linux-gcc hello.c -o hello 回车，然后bin目录下就会出现hello文件，复制到openwrt开发板设置下0755权限就可以运行了。 写其他程序只有修改下hello.c的源代码就可以了！ 经过上面的步骤，我们只要把microWRT的源程序复制到hello.c 中，就可以很容易的编译出执行文件。然后上传到microWRT去运行。 测试 MicroWRT会把前10分钟所走的步数上传到Yeelink上，所以下图中的每个数据都是10分钟的步数和。 云端数据