【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 坐姿检测应用

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【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 坐姿检测应用 [复制链接]

 

一、项目介绍

        随着现代办公和学习方式的改变，长时间保持不正确的坐姿可能导致多种健康问题，如腰背疼痛、颈椎疾病等。为了帮助用户实时监测和纠正坐姿，提高健康管理能力，我决定开发一款基于 Arduino Nano RP2040 Connect 的坐姿检测应用。

 

        本项目旨在开发一套智能坐姿检测系统，利用 Arduino Nano RP2040 Connect 进行数据采集与处理。系统通过传感器实时监测用户的坐姿，并在检测到不良坐姿时提供提醒，以帮助用户改善坐姿，减少因长时间不良坐姿导致的健康问题。

 

二、任务要求

1. 坐姿检测，实时坐姿检测以帮助用户纠正不良坐姿。并将坐姿状态通过蓝牙传输至 Seeed Studio XIAO ESP32S3。
2. 蓝牙通信，坐姿数据通过蓝牙同步，以帮助用户记录或分析坐姿数据。可以进一步优化算法和增加更多功能，如定制化的坐姿建议、长期数据分析等，为用户提供更全面的健康管理服务。
3. Seeed Studio XIAO ESP32S3 根据接收到的坐姿状态是否良好，显示在OLED屏幕上。并且当坐姿不良时，通过蜂鸣器发出警示音。

 

三、 硬件准备

• Arduino Nano RP2040 Connect 搭载功能丰富的 Raspberry Pi RP2040 微控制器，将其融入到 Nano 尺寸封装中。充分利用双核32位Arm® Cortex®-M0+处理器，通过U-blox® Nina W102模块实现蓝牙和WiFi连接，集速度计、陀螺仪、RGB LED和麦克风于一体，是物联网应用的不错选择。
• Seeed Studio XIAO ESP32S3 Seeed Studio XIAO 系列是小型开发板，共享类似的硬件结构，尺寸实际上是拇指大小。这里的代号“XIAO”代表它的一半特征 “小”，另一半将是 “羊角面包”。 Seeed Studio XIAO ESP32S3 结合嵌入式ML计算能力和摄影能力，这款开发板可以成为您开始使用智能语音和视觉AI的绝佳工具。

 

四、代码实现

4.1 软件流程图

 

4.2 坐姿检测外设实现代码

坐姿检测外设基于本次活动开发板 Arduino Nano RP2040 Connect 来实现，搭戴一块锂电池安装到模拟设备身上进行坐姿检测。

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/**
 * FollowMe 2-4 任务4：
 * 1. 坐姿检测
 * 2. 蓝牙通信
 * 3. 坐姿数据通过蓝牙传输
 */
#include <Arduino.h>
#include <ArduinoBLE.h>
#include <Arduino_LSM6DSOX.h>
#include <GyverFilters.h>
#include <WiFiNINA.h>
#include "Madgwick.h"

#define CALIB_OFFSET_NB_MES 1000                            // 计算IMU零漂次数
#define DATA_MULTIPLIER 100                                 // 欧拉角数据放大100倍
#define SITTING_STRAIGHT_THRESHOLD 1.0                      // 坐姿加速度阈值
#define TOLERANCE 0.05                                      // 坐姿加速度阈值允许的误差范围
GKalman xAccKalmanFilter(2, 2, 0.01);                       // x轴加速度计卡尔曼滤波
GKalman yAccKalmanFilter(2, 2, 0.01);                       // y轴加速度计卡尔曼滤波
GKalman zAccKalmanFilter(2, 2, 0.01);                       // z轴加速度计卡尔曼滤波
GKalman xGyroKalmanFilter(2, 2, 0.01);                      // x轴陀螺仪卡尔曼滤波
GKalman yGyroKalmanFilter(2, 2, 0.01);                      // y轴陀螺仪卡尔曼滤波
GKalman zGyroKalmanFilter(2, 2, 0.01);                      // z轴陀螺仪卡尔曼滤波

// 初始化 MadgwickAHRS 算法过滤器，用于姿态估
Madgwick filter;
bool isSittingPostureOk = false;                            // 坐姿状态是否正常
float Ax, Ay, Az;                                           // 三轴加速度计数据
float Gx, Gy, Gz;                                           // 三轴陀螺仪数据
float roll, pitch, yaw;                                     // 欧拉角数据
float xAccOffset = 0;                                       // x轴加速度计零漂
float yAccOffset = 0;                                       // y轴加速度计零漂
float zAccOffset = 0;                                       // z轴加速度计零漂
float xGyroOffset = 0;                                      // x轴陀螺仪零漂
float yGyroOffset = 0;                                      // y轴陀螺仪零漂
float zGyroOffset = 0;                                      // z轴陀螺仪零漂
float xAcc = 0;                                             // x轴加速度计
float yAcc = 0;                                             // y轴加速度计
float zAcc = 0;                                             // z轴加速度计
float xGyro = 0;                                            // x轴陀螺仪
float yGyro = 0;                                            // y轴陀螺仪
float zGyro = 0;                                            // z轴陀螺仪
uint32_t previousMillis = 0;                                // tick
// roll = pitch = yaw = Ax = Ay = Az = Gx = Gy = Gz = 0.0f;

BLEService IMUService("19B10000-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214"); // IMU 服务
// IMU 特征符
BLEBoolCharacteristic sittingPostureCharacteristic("19B10001-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214", BLERead | BLENotify);    // 坐姿，1：正常，0：不良
BLEFloatCharacteristic xAccCharacteristic("19B10002-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214", BLERead | BLENotify);             // x轴加速度计
BLEFloatCharacteristic yAccCharacteristic("19B10003-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214", BLERead | BLENotify);             // y轴加速度计
BLEFloatCharacteristic zAccCharacteristic("19B10004-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214", BLERead | BLENotify);             // z轴加速度计
BLEFloatCharacteristic xGyroCharacteristic("19B10005-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214", BLERead | BLENotify);            // x轴陀螺仪
BLEFloatCharacteristic yGyroCharacteristic("19B10006-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214", BLERead | BLENotify);            // y轴陀螺仪
BLEFloatCharacteristic zGyroCharacteristic("19B10007-E8F2-537E-4F6C-D104768A1214", BLERead | BLENotify);            // z轴陀螺仪

/**
 * 计算陀螺仪零漂
 */
void calcOffsets(bool is_calc_gyro, bool is_calc_acc);

void setup() {
  // 串口初始化
  Serial.begin(115200);
  delay(1500);
  // 初始化三色 LED 为输出
  pinMode(LEDR, OUTPUT);
  pinMode(LEDG, OUTPUT);
  pinMode(LEDB, OUTPUT);

  // IMU 初始化并启动通信
  while (!IMU.begin()) {
    Serial.println("IMU(LSM6DSOXTR) 初始化失败, 延时1秒后重试!");
    IMU.end();
    delay(1000);
  }
  // 打印采样速率
  Serial.print("加速度计采样速率 ");
  Serial.print(IMU.accelerationSampleRate());
  Serial.println(" Hz");
  Serial.print("陀螺仪采样速率 ");  
  Serial.print(IMU.gyroscopeSampleRate());
  Serial.println(" Hz");
  // 蓝牙初始化
  if (!BLE.begin()) {
    Serial.println("starting Bluetooth® Low Energy failed!");
  }
  // 设置发布的蓝牙服务本地名称和服务UUID
  BLE.setLocalName("IMU Device");
  BLE.setAdvertisedService(IMUService);
  // 添加特征码至IMU服务
  IMUService.addCharacteristic(sittingPostureCharacteristic);
  IMUService.addCharacteristic(xAccCharacteristic);
  IMUService.addCharacteristic(yAccCharacteristic);
  IMUService.addCharacteristic(zAccCharacteristic);
  IMUService.addCharacteristic(xGyroCharacteristic);
  IMUService.addCharacteristic(yGyroCharacteristic);
  IMUService.addCharacteristic(zGyroCharacteristic);
  // 绑定蓝牙服务
  BLE.addService(IMUService);
  // 发布服务
  BLE.advertise();
}
void loop() {
  // 监听蓝牙外设连接
  BLEDevice central = BLE.central();
  // 中心连接到外设
  if (central) {
    Serial.print("Connected to central: ");
    Serial.println(central.address());
    // 连接状态
    while (central.connected()) { // 连接成功，发布数据
      uint32_t currentMillis = millis();
      // 读取加速度计数据与陀螺仪数据
      if (IMU.accelerationAvailable() && IMU.gyroscopeAvailable()) {
        IMU.readAcceleration(Ax, Ay, Az);
        IMU.readGyroscope(Gx, Gy, Gz);

        xAcc = (Ax - xAccOffset);         // x轴加速度计      
        yAcc = (Ay - yAccOffset);         // y轴加速度计
        zAcc = (Az - zAccOffset);         // z轴加速度计
        xGyro = (Gx - xGyroOffset);       // x轴陀螺仪
        yGyro = (Gy - yGyroOffset);       // y轴陀螺仪
        zGyro = (Gz - zGyroOffset);       // z轴陀螺仪
        isSittingPostureOk = (SITTING_STRAIGHT_THRESHOLD - TOLERANCE) <= abs(xAcc) && abs(xAcc) <= (SITTING_STRAIGHT_THRESHOLD + TOLERANCE);
        
        if(200 <= (currentMillis - previousMillis)) {
          previousMillis = currentMillis;
          sittingPostureCharacteristic.writeValue(isSittingPostureOk);
          xAccCharacteristic.writeValue(xAcc);             // x轴加速度计
          yAccCharacteristic.writeValue(yAcc);             // y轴加速度计
          zAccCharacteristic.writeValue(zAcc);             // z轴加速度计
          xGyroCharacteristic.writeValue(xGyro);           // x轴陀螺仪
          yGyroCharacteristic.writeValue(yGyro);           // y轴陀螺仪
          zGyroCharacteristic.writeValue(zGyro);           // z轴陀螺仪

          Serial.print(xGyro);
          Serial.print(",");
          Serial.print(yGyro);
          Serial.print(",");
          Serial.print(zGyro);
          Serial.print(",");
          Serial.print(xAcc);
          Serial.print(",");
          Serial.print(yAcc);
          Serial.print(",");
          Serial.print(zAcc);
          
          Serial.print(",");
          Serial.println(isSittingPostureOk);
        }
      }
      delay(50);
    }
    // 连接断开
    Serial.print("Disconnected from central: ");
    Serial.println(central.address());
  }
}

/**
 * 计算陀螺仪零漂
 */
void calcOffsets(bool is_calc_gyro, bool is_calc_acc) {
  if(is_calc_gyro) { 
    xGyroOffset = 0;
    yGyroOffset = 0;
    zGyroOffset = 0;
  }
  if(is_calc_acc) { 
    xAccOffset = 0;
    yAccOffset = 0;
    zAccOffset = 0;
  }
  
  float ag[6] = {0,0,0,0,0,0}; // 3*acc, 3*gyro
  for(int i = 0; i < CALIB_OFFSET_NB_MES; i++){
    if (IMU.accelerationAvailable() && IMU.gyroscopeAvailable()) {
      IMU.readAcceleration(Ax, Ay, Az);
      IMU.readGyroscope(Gx, Gy, Gz);
    }
    ag[0] += Ax;
    ag[1] += Ay;
    ag[2] += (Az-1.0);  // 假设设备静止且Z轴向下
    ag[3] += Gx;
    ag[4] += Gy;
    ag[5] += Gz;
    delay(10);
  }
  
  if(is_calc_acc){
    xAccOffset = ag[0] / CALIB_OFFSET_NB_MES;
    yAccOffset = ag[1] / CALIB_OFFSET_NB_MES;
    zAccOffset = ag[2] / CALIB_OFFSET_NB_MES;
  }
  if(is_calc_gyro){
    xGyroOffset = ag[3] / CALIB_OFFSET_NB_MES;
    yGyroOffset = ag[4] / CALIB_OFFSET_NB_MES;
    zGyroOffset = ag[5] / CALIB_OFFSET_NB_MES;
  }
}

4.3 作品源码

项目源码下载地址：https://download.eeworld.com.cn/detail/%E9%B2%9Cde%E8%8A%92%E6%9E%9C/635463

 

源码说明

• followme2_4_task1 文件夹：【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 入门任务源码，Arduino 工程。
• followme2_4_task2 文件夹：【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 基础任务源码，Arduino 工程。
• followme2_4_task3 文件夹：【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 进阶任务源码，Arduino 工程。
• followme2_4_task4 文件夹：【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 坐姿检测任务外设部分源码，Arduino 工程。
• followme2_4_task4_central 文件夹：【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 坐姿检测任务接收部分源码，PlatformIO Arduino 工程。

 

五、效果展示

5.1 坐姿检测模拟实验

 

5.2 坐姿正常

 

5.3 不良坐姿

 

5.4 作品演示视频

 

六、结语

        本项目利用先进的Arduino Nano RP2040 Connect开发板，结合多种传感器和反馈机制，利用简单的硬件和软件工具帮助用户纠正不良坐姿，促进健康生活方式。实现了实时、准确的坐姿检测和纠正功能。未来，我们可以进一步优化算法和增加更多功能，如定制化的坐姿建议、长期数据分析等，为用户提供更全面的健康管理服务。

        通过这个项目，我们不仅提高了对物联网技术的理解和运用能力，也学会了如何将理论转化为解决实际问题的应用。希望这些经验和心得能为未来的项目提供参考和启发。

 

七、参考资料

• Arduino® Nano RP2040 Connect教程
• Arduino® Nano RP2040 Connect数据手册
• Arduino® Nano RP2040 Connect引脚定义手册
• Arduino® Nano RP2040 Connect原理图
• https://www.st.com/resource/en/datasheet/lsm6dsox.pdf
• https://www.st.com/resource/en/datasheet/mp34dt06j.pdf

 

八、传送门

【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 入门任务

【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 基础任务

【得捷电子Follow Me第二季第4期】Arduino Nano RP2040 Connect 进阶任务

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这小接收板看着不错，估计明年的活动会出现它 

wangerxian

如果只是单轴的话，站姿估计和坐姿数据是一样的。

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坐姿检测，这个应用前景非常多呀，比如对人员的疲劳预警，老人的久坐提醒。