可穿戴设备开发：Johnny-Five与ADXL345制作计步器

可穿戴设备开发：Johnny-Five与ADXL345制作计步器

【免费下载链接】johnny-five JavaScript Robotics and IoT programming framework, developed at Bocoup. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/jo/johnny-five

随着物联网（IoT）技术的普及，可穿戴设备已成为日常生活的重要组成部分。本文将介绍如何使用JavaScript机器人编程框架Johnny-Five和ADXL345加速度传感器，从零开始制作一个简易计步器。通过本教程，你将掌握传感器数据采集、运动状态识别和计步算法实现的基本方法，为进一步开发复杂可穿戴设备奠定基础。

项目准备与硬件连接

所需组件

• ADXL345三轴加速度传感器模块
• Arduino Uno开发板
• 杜邦线若干
• 面包板
• USB数据线

硬件连接指南

ADXL345传感器采用I2C通信协议，与Arduino的连接非常简单。按照以下步骤进行接线：

1. 将ADXL345的VCC引脚连接到Arduino的3.3V
2. 将ADXL345的GND引脚连接到Arduino的GND
3. 将ADXL345的SDA引脚连接到Arduino的A4（SDA）
4. 将ADXL345的SCL引脚连接到Arduino的A5（SCL）

详细接线图可参考官方文档：docs/accelerometer-adxl345.md

开发环境搭建

安装Johnny-Five框架

Johnny-Five是一个基于Node.js的JavaScript机器人编程框架，支持多种硬件平台。首先确保已安装Node.js，然后通过npm安装Johnny-Five：

npm install johnny-five

安装Firmata固件

Arduino需要安装Firmata固件以支持与Johnny-Five的通信。通过Arduino IDE安装StandardFirmata：

1. 打开Arduino IDE
2. 选择 文件 > 示例 > Firmata > StandardFirmata
3. 上传固件到Arduino开发板

传感器数据读取

基础示例代码

以下代码演示如何初始化ADXL345传感器并读取加速度数据：

const { Accelerometer, Board } = require("../lib/johnny-five.js");
const board = new Board();

board.on("ready", () => {
  const accelerometer = new Accelerometer({
    controller: "ADXL345",
    range: 4 // 设置测量范围为±4g
  });

  accelerometer.on("change", () => {
    const { x, y, z } = accelerometer;
    console.log(`X: ${x.toFixed(2)}, Y: ${y.toFixed(2)}, Z: ${z.toFixed(2)}`);
  });
});

完整示例代码：eg/accelerometer-adxl345.js

传感器核心模块解析

Johnny-Five的加速度传感器模块位于lib/accelerometer.js，该模块封装了传感器初始化、数据读取和事件触发等功能。ADXL345的具体实现通过控制器模式（controller）进行扩展，确保了代码的模块化和可扩展性。

计步算法实现

步数检测原理

人在行走时，加速度会呈现周期性变化。通过检测Z轴加速度的峰值（脚步落地瞬间），可以实现步数统计。基本步骤如下：

1. 采集三轴加速度数据
2. 计算合加速度（模值）
3. 应用低通滤波器去除高频噪声
4. 检测加速度峰值并计数

计步器完整代码

const { Accelerometer, Board } = require("../lib/johnny-five.js");
const board = new Board();

let stepCount = 0;
let lastPeak = 0;
const peakThreshold = 1.2; // 峰值检测阈值
const minPeakInterval = 300; // 最小峰值间隔（毫秒）

board.on("ready", () => {
  const accelerometer = new Accelerometer({
    controller: "ADXL345",
    frequency: 50 // 采样频率50Hz
  });

  accelerometer.on("data", () => {
    const { x, y, z } = accelerometer;
    const acceleration = Math.sqrt(x **2 + y** 2 + z ** 2); // 计算合加速度
    
    // 峰值检测逻辑
    const now = Date.now();
    if (acceleration > peakThreshold && now - lastPeak > minPeakInterval) {
      stepCount++;
      lastPeak = now;
      console.log(`步数: ${stepCount}`);
    }
  });
});

算法优化建议

1. 动态阈值调整：根据用户行走习惯自动调整峰值阈值
2. 多轴数据融合：结合X、Y轴数据提高检测准确性
3. 能量检测：分析加速度信号的频率特性，区分行走与其他运动

项目扩展与应用

数据可视化

可使用Chart.js等库将计步数据实时可视化：

// 需安装chart.js和canvas
const { createCanvas } = require('canvas');
const Chart = require('chart.js');

// 创建画布并绘制步数趋势图
const canvas = createCanvas(800, 400);
const ctx = canvas.getContext('2d');
const chart = new Chart(ctx, {
  type: 'line',
  data: { labels: [], datasets: [{ data: [] }] },
  options: { responsive: true }
});

低功耗优化

对于电池供电的可穿戴设备，可通过以下方式降低功耗：

1. 降低传感器采样频率
2. 使用ADXL345的中断功能代替轮询
3. 实现休眠模式，无运动时自动降低功耗

总结与资源

通过本教程，你已学会使用Johnny-Five和ADXL345传感器开发简易计步器。关键知识点包括：

• ADXL345传感器的硬件连接与初始化
• Johnny-Five框架的基本使用方法
• 基于加速度数据的计步算法实现

参考资源

• Johnny-Five官方文档：README.md
• ADXL345数据手册：lib/datasheets.md
• 传感器API文档：lib/accelerometer.js

后续改进方向

1. 添加蓝牙模块实现无线数据传输
2. 开发手机APP显示实时步数
3. 增加卡路里计算功能
4. 实现睡眠质量监测

希望本教程能帮助你入门可穿戴设备开发。如有任何问题，欢迎查阅项目文档或参与社区讨论。

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