基于體感網(wǎng)的可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

　　摘要：可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)可方便地實(shí)現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測以及運(yùn)動(dòng)功能評(píng)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(gè)部位加速度和角速度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可穿戴的多節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測。系統(tǒng)可應(yīng)用于與人體運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的研究，如帕金森病人運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估等。

　　引言

　　本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了包含5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。通過將傳感器節(jié)點(diǎn)置于被試者的雙腳腳踝、雙手手腕和腰部，采集人體運(yùn)動(dòng)過程中的加速度和角速度等運(yùn)動(dòng)信號(hào)。此后，將采集到的信號(hào)上傳至上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算與運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)障礙疾病的病情評(píng)估和監(jiān)護(hù),如帕金森、腦卒中等疾病;可用于運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析，科學(xué)指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練。

　　1 系統(tǒng)方案總述

　　系統(tǒng)由PC機(jī)、1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成(見圖1)。

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)：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(diǎn)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)通信。

　　終端節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和上傳。通過繃帶固定在人體特定部位。待機(jī)情況下各個(gè)節(jié)點(diǎn)處于無線接收狀態(tài)，等待接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的廣播命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集和存儲(chǔ)。

　　用戶通過PC機(jī)軟件發(fā)出命令，系統(tǒng)根據(jù)命令運(yùn)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(diǎn)通過點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)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(hào)，選用Nordic公司的NRF24L01作為無線通信模塊，可以實(shí)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(gè)系統(tǒng)各部分功能的協(xié)調(diào)和控制。除了其在8MHz時(shí)鐘下運(yùn)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(fù)用的異步串行通信接口、48個(gè)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(chǔ)和數(shù)據(jù)交換的空間需求。

　　(2)電源模塊，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(chǔ)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(chǔ)約15.5個(gè)小時(shí)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(gè)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(diǎn)設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(jì)

　　系統(tǒng)的軟件部分分為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

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