悅跑者物聯網跑步機

馬也 曹一寧 付冰 何建軍 呂升全

摘 要：“悅跑者物聯網跑步機”將傳統跑步機與物聯網理念相結合，通過超聲波傳感器對跑步機進行非接觸式控制，還可通過單片機藍牙將跑步機內部鍛煉數據傳輸至移動客戶端APP，進行健康監測和實時共享。該跑步機具有高智能、安全等特點。

關鍵詞：物聯網；跑步機；非接觸控制

1 作品簡介

當今市場上跑步機的操作方式基本為按鍵操縱，為滿足健身愛好人群的鍛煉需求，提升人機交互的舒適性和方便性，本文提出了“悅跑者”物聯網跑步機。通過加裝超聲波傳感器，對跑步機進行非接觸式控制，使用者前后移動可輕松控制跑步機的速度。本設計使用渦輪蝸桿減速電機改變跑步機踏板的坡度，增加跑步強度，提高健身體驗。除此之外，通過單片機藍牙可將跑步機內部鍛煉數據傳輸至移動客戶端APP，進行健康監測和實時共享。實物如圖1所示。

2 工作原理

本作品由Arduino Mega 2560單片機、Arduino UNO單片機、LCD Keypad Shield模塊、電機驅動及電機編碼器模塊、HC-SR04超聲波模塊、HC-06藍牙模塊、坡度升降機構及跑道皮帶傳動機構組成。將各模塊與單片機相連，形成以Arduino Mega 2560單片機為主要控制，Arduino UNO單片機為輔助控制的核心部分。各模塊通過單片機的控制密切配合，完成作品各項功能。跑步機各部件如圖2所示。

（a）Arduino Mega 2560單片機 （b）LCD Keypad Shield 模塊

（c）電機驅動及電機編碼器模塊 （d）HC-SR04超聲波模塊

（e）HC-06藍牙模塊

圖2 各部件裝置圖

Arduino Mega 2560單片機及Arduino UNO單片機為控制中樞：通過HC-SR04超聲波模塊、電機編碼器輸入信號，控制各模塊，實現跑步機的各項功能。

LCD Keypad Shield模塊：包含LCD1602字符液晶顯示屏和6個按鍵，可輸出跑步機所需的各項數據，呈現給用戶。

電機驅動及電機編碼器模塊：使單片機能夠驅動跑步機的電機，控制和獲取電機的轉速。

HC-SR04超聲波模塊：此模塊對外發送和接收超聲波，實現測量距離的功能，根據超聲波模塊測量的距離，完成電機加速與減速操作。

HC-06藍牙模塊：藍牙模塊可與手機藍牙進行匹配，將單片機采集到的數據發送給手機用戶。

坡度升降結構：坡度升降結構采用曲柄滑塊機構，通過直流渦輪蝸桿減速電機作為動力，經同步帶減速傳動帶動曲柄轉動，隨著曲柄的角度變化，跑道坡度角度也隨著改變，采用渦輪蝸桿減速電機可實現機構自鎖。

跑道皮帶傳動結構：跑道皮帶傳動結構由電機、同步帶輪、同步帶、跑道皮帶滾筒、跑道皮帶組成，通過同步帶減速裝置驅動跑道皮帶，跑道皮帶滾筒與皮帶之間為摩擦傳動，調節張力實現過載保護。

3 創新點

通過對市場大多數品牌跑步機進行調研，發現當今跑步機操縱方式基本為人為按鍵操縱，本作品通過傳感器探測距離進而控制速度，省略了按鍵的操作，只需簡單向前跑和向后退便能輕松自如地控制跑步機的速度，減小了鍛煉時因操作機器而產生的危險；其次，設計了角度可調的跑步踏板，增加了跑步難度，擴大了適應人群范圍；最后，本作品通過藍牙模塊傳輸數據，可與APP客戶端連接，進行數據分享，操作簡單，提高了人們跑步鍛煉的積極性。

4 市場前景

本作品針對當今市場跑步機操縱智能化較弱，人機交互形式單一等問題，提出運用傳感器實現人機智能交互，非接觸式控制跑步機速度，安裝單片機藍牙對諸如里程、時間等運動數據進行收集，并連接到移動客戶端APP分享，實時監測人體健康。本作品設計為外掛式結構，可增強跑步機的智能性，利用物聯網促進人機結合，構建共享式運動圈，在人體健康監測方面有著廣泛的應用前景，可滿足不同人群的健身

需求。