基于體感網(wǎng)的可穿戴運動(dòng)監測系統

　　摘要：可穿戴運動(dòng)監測系統可方便地實(shí)現人體的運動(dòng)姿態(tài)檢測以及運動(dòng)功能評估。本系統采用高集成度慣性傳感器及近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)構建體感網(wǎng)，同步采集人體多個(gè)部位加速度和角速度信號，實(shí)現可穿戴的多節點(diǎn)運動(dòng)監測。系統可應用于與人體運動(dòng)功能相關(guān)的研究，如帕金森病人運動(dòng)功能評估等。

　　引言

　　本文設計實(shí)現了包含5個(gè)傳感器節點(diǎn)的可穿戴運動(dòng)監測系統。通過(guò)將傳感器節點(diǎn)置于被試者的雙腳腳踝、雙手手腕和腰部，采集人體運動(dòng)過(guò)程中的加速度和角速度等運動(dòng)信號。此后，將采集到的信號上傳至上位機，進(jìn)行數據分析，計算與運動(dòng)功能相關(guān)的運動(dòng)參量，比如步態(tài)、平衡能力等。

　　本系統應用范圍較廣，例如：可用于運動(dòng)障礙疾病的病情評估和監護,如帕金森、腦卒中等疾病;可用于運動(dòng)員運動(dòng)動(dòng)作分析，科學(xué)指導運動(dòng)員訓練。

　　1 系統方案總述

　　系統由PC機、1個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)和5個(gè)終端節點(diǎn)組成(見(jiàn)圖1)。

　　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)：通過(guò)USB口與PC機相連，采用串行通訊協(xié)議與上位機進(jìn)行命令和數據通信;通過(guò)近距離無(wú)線(xiàn)通信方式與各終端節點(diǎn)進(jìn)行命令和數據通信。

　　終端節點(diǎn)：負責數據的采集、存儲和上傳。通過(guò)繃帶固定在人體特定部位。待機情況下各個(gè)節點(diǎn)處于無(wú)線(xiàn)接收狀態(tài)，等待接收網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的廣播命令，實(shí)現數據的同步采集和存儲。

　　用戶(hù)通過(guò)PC機軟件發(fā)出命令，系統根據命令運行。數據采集結束后，PC機發(fā)送數據上傳命令，使網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)輪詢(xún)的方式依次將數據傳至上位機并保存。本文主要介紹網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)和終端節點(diǎn)構成的可穿戴系統設計。

　　2 硬件設計

　　2.1 終端節點(diǎn)設計

　　終端節點(diǎn)采用TI公司的超低功耗單片機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(wú)線(xiàn)通信模塊，可以實(shí)現30米的有效通信距離。采用3.7V鋰電池供電，經(jīng)過(guò)穩壓器穩壓后系統工作電壓3.0V(見(jiàn)圖2)。核心模塊的詳細介紹如下。

　　(1)主控模塊采用MSP430F149作為控制中心，負責整個(gè)系統各部分功能的協(xié)調和控制。除了其在8MHz時(shí)鐘下運行時(shí)300μA左右的超低工作電流，同時(shí)還還提供了兩個(gè)定時(shí)器A和B，2個(gè)UART和SPI復用的異步串行通信接口、48個(gè)I/O口、完全滿(mǎn)足系統對接口資源的需求。此外MSP430F149 的60KB片內Flash 和2KB的SRAM完全滿(mǎn)足本系統對程序存儲和數據交換的空間需求。

　　(2)電源模塊，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)由5.0V USB口供電，經(jīng)TLV70033低壓差線(xiàn)性穩壓器轉成3.3V供系統使用。終端節點(diǎn)由3.7V鋰電池供電，通過(guò)TLV70030進(jìn)行穩壓，轉成3.0V供系統使用。

　　(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(wèn)題，還大大降低了封裝空間，為便攜式或可穿戴設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，可以連續存儲約15.5個(gè)小時(shí)數據。

　　(5)無(wú)線(xiàn)通信模塊采用NRF24L01無(wú)線(xiàn)通信芯片，最高2Mbps的通信速率、30米的通信距離、6個(gè)接收通道以及SPI接口，非常方便系統開(kāi)發(fā)。

　　2.2 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)設計

　　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)主要由四部分組成：電源模塊、MCU主控模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、串口通信模塊。其中電源模塊、主控模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊與終端節點(diǎn)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將串口數據轉換成USB數據，實(shí)現與PC機的通信。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)通過(guò)5.0伏USB口供電，經(jīng)過(guò)穩壓器穩壓后系統電壓為3.3V。

　　3 軟件設計

　　系統的軟件部分分為網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)軟件設計，終端節點(diǎn)軟件設計和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構設計。

　　3.1 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)軟件設計

　　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)程序分為主程序和中斷服務(wù)程序。