基于體感網(wǎng)的可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)
摘要:可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)可方便地實現(xiàn)人體的運動姿態(tài)檢測以及運動功能評估。本系統(tǒng)采用高集成度慣性傳感器及近距離無線通信技術(shù)構(gòu)建體感網(wǎng),同步采集人體多個部位加速度和角速度信號,實現(xiàn)可穿戴的多節(jié)點運動監(jiān)測。系統(tǒng)可應(yīng)用于與人體運動功能相關(guān)的研究,如帕金森病人運動功能評估等。
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/267435.htm引言
本文設(shè)計實現(xiàn)了包含5個傳感器節(jié)點的可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)。通過將傳感器節(jié)點置于被試者的雙腳腳踝、雙手手腕和腰部,采集人體運動過程中的加速度和角速度等運動信號。此后,將采集到的信號上傳至上位機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,計算與運動功能相關(guān)的運動參量,比如步態(tài)、平衡能力等。
本系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣,例如:可用于運動障礙疾病的病情評估和監(jiān)護(hù),如帕金森、腦卒中等疾病;可用于運動員運動動作分析,科學(xué)指導(dǎo)運動員訓(xùn)練。
1 系統(tǒng)方案總述
系統(tǒng)由PC機(jī)、1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和5個終端節(jié)點組成(見圖1)。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點:通過USB口與PC機(jī)相連,采用串行通訊協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)通信;通過近距離無線通信方式與各終端節(jié)點進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)通信。
終端節(jié)點:負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲和上傳。通過繃帶固定在人體特定部位。待機(jī)情況下各個節(jié)點處于無線接收狀態(tài),等待接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點的廣播命令,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集和存儲。
用戶通過PC機(jī)軟件發(fā)出命令,系統(tǒng)根據(jù)命令運行。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令,使網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過點對點輪詢的方式依次將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)并保存。本文主要介紹網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點構(gòu)成的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計。
2 硬件設(shè)計
2.1 終端節(jié)點設(shè)計
終端節(jié)點采用TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F149作為主控單元,采用MPU6050六軸慣性傳感器檢測加速度和角速度信號,選用Nordic公司的NRF24L01作為無線通信模塊,可以實現(xiàn)30米的有效通信距離。采用3.7V鋰電池供電,經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后系統(tǒng)工作電壓3.0V(見圖2)。核心模塊的詳細(xì)介紹如下。
(1)主控模塊采用MSP430F149作為控制中心,負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)各部分功能的協(xié)調(diào)和控制。除了其在8MHz時鐘下運行時300μA左右的超低工作電流,同時還還提供了兩個定時器A和B,2個UART和SPI復(fù)用的異步串行通信接口、48個I/O口、完全滿足系統(tǒng)對接口資源的需求。此外MSP430F149 的60KB片內(nèi)Flash 和2KB的SRAM完全滿足本系統(tǒng)對程序存儲和數(shù)據(jù)交換的空間需求。
(2)電源模塊,網(wǎng)關(guān)節(jié)點由5.0V USB口供電,經(jīng)TLV70033低壓差線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)成3.3V供系統(tǒng)使用。終端節(jié)點由3.7V鋰電池供電,通過TLV70030進(jìn)行穩(wěn)壓,轉(zhuǎn)成3.0V供系統(tǒng)使用。
(3)傳感器模塊采用MPU6050六軸慣性傳感器,其突出優(yōu)勢在于整合了三軸加速度計和三軸陀螺儀,不僅免去了組合二者的軸間差問題,還大大降低了封裝空間,為便攜式或可穿戴設(shè)備提供了最小包裝體積。
(4)存儲模塊采用W25Q256高速Flash,在傳感器50Hz的采樣率下,可以連續(xù)存儲約15.5個小時數(shù)據(jù)。
(5)無線通信模塊采用NRF24L01無線通信芯片,最高2Mbps的通信速率、30米的通信距離、6個接收通道以及SPI接口,非常方便系統(tǒng)開發(fā)。
2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計
網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要由四部分組成:電源模塊、MCU主控模塊、無線通信模塊、串口通信模塊。其中電源模塊、主控模塊和無線通信模塊與終端節(jié)點的核心芯片一樣,硬件原理一致,不再贅述。串口通信模塊采用PL2303將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù),實現(xiàn)與PC機(jī)的通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過5.0伏USB口供電,經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后系統(tǒng)電壓為3.3V。
3 軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件部分分為網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計,終端節(jié)點軟件設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計。
3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計
網(wǎng)關(guān)節(jié)點程序分為主程序和中斷服務(wù)程序。
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