CN106595696A - 一种防作弊计步装置及其计步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防作弊计步装置，包括一对分别穿戴在两只脚鞋面上的计步感应装置和同时与计步感应装置连接的智能终端；所述计步感应装置包括电源、电源管理模块、微控制器、三轴加速度计和全双工蓝牙无线通信模块；本发明还公开了一种防作弊计步装置的计步方法，其步骤如下：1)节点A和B实现时钟同步；2)采集加速度计数据并处理；3)防作弊检测；4)计步统计；本发明通过将两个计步节点分别穿戴在两个脚的鞋面，通过三轴加速度计的实时同步数据综合判断，有效检测是否使用作弊装置或者通过晃动计步器模拟跑步以造成传感器误判的方式作弊，有利于提高线上跑步运动的真实性和公平性。
Description
技术领域
本发明属于测量车辆、人员、动物或其他运动的固态物体在地面行驶的距离，例如，应用里程计或应用计步器的技术领域，具体是涉及一种防作弊计步装置及其计步方法。
背景技术
跑步是目前最为广泛的群众运动之一，包括人们日常的跑步锻炼、朋友间的跑步竞赛和一些官方的跑步竞技。但目前的产品如智能手机计步、手环或其他穿戴设备等，由于目前的排名、积分和奖励机制，造成很多人使用作弊装置模拟手臂或脚的摆动进行作弊。实用新型专利(CN 205246090 U)所提出的通过蓝牙信号强度计算两脚之间距离变化的方法具有一定的防作弊功能，一定程度上提高了计步精度，但对于跑步的情况，由于双腿分开且脚步抬起，使得跑步过程中两脚之间的实际间隔差别不够明显，则难以设置阈值，造成判断错误，
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种防作弊计步装置及其计步方法，该一种防作弊计步装置及其计步方法通过将两个计步节点分别穿戴在两个脚的鞋面，通过三轴加速度计的实时同步数据综合判断，有效检测是否使用作弊装置或者通过晃动计步器模拟跑步以造成传感器误判的方式作弊，有利于提高线上跑步运动的真实性和公平性。
为了达到上述目的，本发明一种防作弊计步装置，包括一对分别穿戴在两只脚鞋面上的计步感应装置和同时与计步感应装置连接的智能终端；所述计步感应装置包括电源、电源管理模块、微控制器、三轴加速度计和全双工蓝牙无线通信模块，
所述电源及电源管理模块，用于为微控制器、三轴加速度计和全双工蓝牙无线通信模块进行供电；
所述微控制器，用于采集三轴加速度计的数据并滤波和抗野值处理，经过计步算法运算后，将数据通过全双工蓝牙无线通信模块；
所述全双工蓝牙无线通信模块，发送到智能终端；
所述智能终端，用于完成数据融合、防作弊检测和结果输出；
进一步，所述智能终端设置为智能手机。
本发明还公开了一种防作弊计步装置的计步方法，其步骤如下：
1)计步感应装置A(简称节点A)和计步感应装置B(简称节点B)实现时钟同步：智能终端的APP启动后，首先搜索节点A并自动建立蓝牙连接；蓝牙连接建立时刻，智能终端和节点A同时启动逻辑时间计时；节点A的微控制器采用中断方式检测蓝牙是否连接，蓝牙连接状态转换为同步和双向连接，此时认为智能终端和节点A的逻辑时间为同步的；随后智能终端搜索节点B并自动建立蓝牙连接，连接建立时刻，节点B内部中断检测连接并启动内部逻辑时间计时，智能终端存储节点B逻辑时间与节点A逻辑时间的偏差值δ，随后对于接收到的节点B的数据，其对应的逻辑时间均加上δ时间，实现时钟的同步；
2)采集加速度计数据并处理：时钟同步完成后，节点A和B微控制器分别以50Hz采集三轴加速度计数据Ax、Ay、Az；首先得到三轴合加速度：
由于步行或跑步过程中的振动，加速度计会有较大噪声，并可能出现野值，因此首先对数据进行抗野值处理，判断野值的方法为：
L为预先设定的分析窗长度；若上式不成立，则判断为不是野值；若上式成立，则判断为野值，以前面两个时刻的数据做线性外推得到：
野值处理后，将外推的数据加入传感器序列中，再进行低通滤波以减小高频噪声：
其中，ak和bj均为低通滤波器的参数；
对于低通滤波后的L长度窗口数据，使用波峰波谷检测算法进行计步检测，得到窗口内的步数；
3)防作弊检测：传感器节点向智能终端发送的防作弊数据包括：最近一次计步周期内的合加速度波峰值、合加速度波峰对应的逻辑时间、合加速度波谷值、合加速度波谷对应的逻辑时间、计步周期的时间长度、当前时刻到上一个防作弊检测时间段内的总步数；
4)计步统计：当检测到作弊时，智能终端向传感器节点发送一次防作弊确认命令，传感器节点再发送一次防作弊数据进行确认；若确定为作弊，则检测作弊时间段内的所有计步数据将被扣除。
进一步，在步骤3)中，智能终端收到节点A和节点B数据后，依次将数据通过以下四个判决条件：
a)由于实际行走或跑步过程中，节点A和节点B分别对左右脚计步，因此两个节点的步数SCA、SCB应相等，考虑到意外情况，允许一定阈值，判决依据为：
b)根据波谷到波峰的时间与单步总时间的占比可以区别是否为类单摆运动引起的计步，判决依据为：
c)同一用户的波峰和波谷值在左右脚应无明显差别，判决依据为：
d)用户行走或跑步必然为两脚交替进行，即节点A和节点B的合加速度曲线的相位应有明显不同，判决依据为：
|2×TpeakA-TpeakB-TvalleyB|＜Threshold4
当上述判决条件满足四个时，防作弊检测通过；
满足两个或三个时，智能终端请求再次发送防作弊数据，根据新的数据进一步判断，若仍不符合要求，则防作弊检测失败，视为作弊；
仅满足一个或全部不满足判决条件时，直接判断为防作弊检测失败，视为作弊。
进一步，在步骤1)中，为了保证时钟同步长期的可靠性，当节点A和节点B长期工作时，智能终端间隔T0时间主动发起一次时钟同步操作，T0取决于节点A和B的计时，智能终端主动断开节点A和节点B的蓝牙连接，断开完成后，快速依次重新连接节点A和节点B，实现时钟的同步。
本发明的有益效果在于：
本发明一种防作弊计步装置及其计步方法通过将两个计步节点分别穿戴在两个脚的鞋面，通过三轴加速度计的实时同步数据综合判断，有效检测是否使用作弊装置或者通过晃动计步器模拟跑步以造成传感器误判的方式作弊，有利于提高线上跑步运动的真实性和公平性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明一种防作弊计步装置的结构示意图；
图2为本发明一种防作弊计步方法的计步流程图；
图3为本发明一种防作弊计步方法的防作弊检测流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示为本发明一种防作弊计步装置的结构示意图；本发明，本发明一种防作弊计步装置，包括一对分别穿戴在两只脚鞋面上的计步感应装置和同时与计步感应装置连接的智能终端；所述计步感应装置包括电源、电源管理模块、微控制器、三轴加速度计和全双工蓝牙无线通信模块，
所述电源及电源管理模块，用于为微控制器、三轴加速度计和全双工蓝牙无线通信模块进行供电；
所述微控制器，用于采集三轴加速度计的数据并滤波和抗野值处理，经过计步算法运算后，将数据通过全双工蓝牙无线通信模块；
所述全双工蓝牙无线通信模块，发送到智能终端；
所述智能终端，用于完成数据融合、防作弊检测和结果输出；
进一步，所述智能终端设置为智能手机。
如图2所示为本发明一种防作弊计步方法的计步流程图；如图3所示为本发明一种防作弊计步方法的防作弊检测流程图；本发明还公开了一种防作弊计步装置的计步方法，其步骤如下：
1)计步感应装置A(简称节点A)和计步感应装置B(简称节点B)实现时钟同步：智能终端的APP启动后，首先搜索节点A并自动建立蓝牙连接；蓝牙连接建立时刻，智能终端和节点A同时启动逻辑时间计时；节点A的微控制器采用中断方式检测蓝牙是否连接，蓝牙连接状态转换为同步和双向连接，此时认为智能终端和节点A的逻辑时间为同步的；随后智能终端搜索节点B并自动建立蓝牙连接，连接建立时刻，节点B内部中断检测连接并启动内部逻辑时间计时，智能终端存储节点B逻辑时间与节点A逻辑时间的偏差值δ，随后对于接收到的节点B的数据，其对应的逻辑时间均加上δ时间；由于节点穿戴在鞋面，与智能终端之间通常无信号遮挡，且通信距离短，通信延迟时间小，因此可以认为节点A和节点B与智能终端的时间同步误差较小；每次蓝牙连接过程，均需重新进行时钟同步操作；为了保证时钟同步长期的可靠性，当节点A和节点B长期工作时，智能终端间隔T0时间(T0取决于节点A和B的计时精度)主动发起一次时钟同步操作，具体操作是智能终端主动断开节点A和节点B的蓝牙连接，断开完成后，快速依次重新连接节点A和节点B，实现时钟的同步；
2)采集加速度计数据并处理：时钟同步完成后，节点A和B微控制器分别以50Hz采集三轴加速度计数据Ax、Ay、Az；首先得到三轴合加速度：
由于步行或跑步过程中的振动，加速度计会有较大噪声，并可能出现野值，因此首先对数据进行抗野值处理，判断野值的方法为：
L为预先设定的分析窗长度；若上式不成立，则判断为不是野值；若上式成立，则判断为野值，以前面两个时刻的数据做线性外推得到
野值处理后，将外推的数据加入传感器序列中，再进行低通滤波以减小高频噪声：
其中，ak和bj均为低通滤波器的参数；
对于低通滤波后的L长度窗口数据，使用波峰波谷检测算法进行计步检测，得到窗口内的步数；
3)防作弊检测：通常计步作弊只会长时间持续作弊，短时间的作弊对于计步数据和排名等无实质意义；为了降低系统功耗，传感器节点间隔T1时间；T1为离线设计存储的一组伪随机数，采用固定时间间隔容易被作弊装置破解；向智能终端发送一次防作弊数据进行作弊检测；当检测到作弊时，智能终端向传感器节点发送一次防作弊确认命令，传感器节点再发送一次防作弊数据进行确认；若确定为作弊，则检测作弊时间段内的所有计步数据将被扣除。传感器节点向智能终端发送的防作弊数据包括：最近一次计步周期内的合加速度波峰值、合加速度波峰对应的逻辑时间、合加速度波谷值、合加速度波谷对应的逻辑时间、计步周期的时间长度、当前时刻到上一个防作弊检测时间段内的总步数；
4)计步统计：当检测到作弊时，智能终端向传感器节点发送一次防作弊确认命令，传感器节点再发送一次防作弊数据进行确认；若确定为作弊，则检测作弊时间段内的所有计步数据将被扣除。
进一步，在步骤3)中，优选的智能终端收到节点A和节点B数据后，依次将数据通过以下四个判决条件：
a)由于实际行走或跑步过程中，节点A和节点B分别对左右脚计步，因此两个节点的步数SCA、SCB应相等，考虑到意外情况，允许一定阈值，判决依据为：
b)根据波谷到波峰的时间与单步总时间的占比可以区别是否为类单摆运动引起的计步，判决依据为：
c)同一用户的波峰和波谷值在左右脚应无明显差别，判决依据为：
d)用户行走或跑步必然为两脚交替进行，即节点A和节点B的合加速度曲线的相位应有明显不同，判决依据为：
|2×TpeakA-TpeakB-TvalleyB|＜Threshold4
当上述判决条件满足四个时，防作弊检测通过；
满足两个或三个时，智能终端请求再次发送防作弊数据，根据新的数据进一步判断，若仍不符合要求，则防作弊检测失败，视为作弊；
仅满足一个或全部不满足判决条件时，直接判断为防作弊检测失败，视为作弊。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种防作弊计步装置，其特征在于：包括一对分别穿戴在两只脚鞋面上的计步感应装置和同时与计步感应装置连接的智能终端；所述计步感应装置包括电源、电源管理模块、微控制器、三轴加速度计和全双工蓝牙无线通信模块，
所述电源及电源管理模块，用于为微控制器、三轴加速度计和全双工蓝牙无线通信模块进行供电；
所述微控制器，用于采集三轴加速度计的数据并滤波和抗野值处理，经过计步算法运算后，将数据通过全双工蓝牙无线通信模块；
所述全双工蓝牙无线通信模块，发送到智能终端；
所述智能终端，用于完成数据融合、防作弊检测和结果输出。
2.根据权利要求1所述的一种防作弊计步装置，其特征在于：所述智能终端设置为智能手机。
3.根据权利要求1或2所述的一种防作弊计步装置的计步方法，其特征在于：其步骤如下；
1)计步感应装置A(简称节点A)和计步感应装置B(简称节点B)实现时钟同步：智能终端的APP启动后，首先搜索节点A并自动建立蓝牙连接；蓝牙连接建立时刻，智能终端和节点A同时启动逻辑时间计时；节点A的微控制器采用中断方式检测蓝牙是否连接，蓝牙连接状态转换为同步和双向连接，此时认为智能终端和节点A的逻辑时间为同步的；随后智能终端搜索节点B并自动建立蓝牙连接，连接建立时刻，节点B内部中断检测连接并启动内部逻辑时间计时，智能终端存储节点B逻辑时间与节点A逻辑时间的偏差值δ，随后对于接收到的节点B的数据，其对应的逻辑时间均加上δ时间，实现时钟的同步；
2)采集加速度计数据并处理：时钟同步完成后，节点A和B微控制器分别以50Hz采集三轴加速度计数据Ax、Ay、Az；首先得到三轴合加速度：
由于步行或跑步过程中的振动，加速度计会有较大噪声，并可能出现野值，首先对数据进行抗野值处理，判断野值的方法为：
L为预先设定的分析窗长度，A(i)表示i时刻的合加速度，表示窗口时间内所有合加速度的平均值。若上式不成立，则判断为不是野值；若上式成立，则判断为野值，以前面两个时刻的数据做线性外推得到
野值处理后，将外推的数据加入传感器序列中，再进行低通滤波以减小高频噪声：
其中，ak和bj均为低通滤波器的参数，即i时刻滤波后的合加速度；
对于低通滤波后的L长度窗口数据，使用波峰波谷检测算法进行计步检测，得到窗口内的步数；
3)防作弊检测：节点A和节点B向智能终端发送的防作弊数据，包括最近一次计步周期内的合加速度波峰值、合加速度波峰对应的逻辑时间、合加速度波谷值、合加速度波谷对应的逻辑时间、计步周期的时间长度、当前时刻到上一个防作弊检测时间段内的总步数；
4)计步统计：当检测到作弊时，智能终端向节点A和节点B发送一次防作弊确认命令，节点A和节点B再发送一次防作弊数据，智能终端进行确认；若确定为作弊，则检测作弊时间段内的所有计步数据将被扣除。
4.根据权利要求3所述的一种防作弊计步装置的计步方法，其特征在于：在步骤3)中，智能终端收到节点A和节点B数据后，依次将数据通过以下四个判决条件：
a)由于实际行走或跑步过程中，节点A和节点B分别对左右脚计步，因此两个节点的步数SCA、SCB应相等，考虑到意外情况，允许一定阈值，判决依据为：
Threshold1为阈值、经验值。
b)根据波谷到波峰的时间与单步总时间的占比可以区别是否为类单摆运动引起的计步，判决依据为：
TpeakA、TpeakB分别为装置A和B的合加速度波峰对应的逻辑时间，TvalleyA、TvalleyB分别为装置A和B的合加速度波谷对应的逻辑时间，TstepA和TstepB为装置A和B对应的单步总时间。Threshold2为阈值。
c)同一用户的波峰和波谷值在左右脚应无明显差别，判决依据为：
Peak表示波峰的值，Valley表示波谷的值
d)用户行走或跑步必然为两脚交替进行，即节点A和节点B的合加速度曲线的相位应有明显不同，判决依据为：
|2×TpeakA-TpeakB-TvalleyB|＜Threshold4
当上述判决条件满足四个时，防作弊检测通过；
满足两个或三个时，智能终端请求再次发送防作弊数据，根据新的数据进一步判断，若仍不符合要求，则防作弊检测失败，视为作弊；
仅满足一个或全部不满足判决条件时，直接判断为防作弊检测失败，视为作弊。
5.根据权利要求3所述的一种防作弊计步装置的计步方法，其特征在于：在步骤1)中，为了保证时钟同步长期的可靠性，当节点A和节点B长期工作时，智能终端间隔T0时间主动发起一次时钟同步操作，T0取决于节点A和B的计时，智能终端主动断开节点A和节点B的蓝牙连接，断开完成后，快速依次重新连接节点A和节点B，实现时钟的同步。
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