摘要：可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可方便地實(shí)現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)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(cè)。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(cè)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?。豢捎糜谶\(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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(shì)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。

　　3.1.1 主程序

　　上電后，主程序進(jìn)行各模塊初始化，包括時(shí)鐘初始化、串口配置、開啟總中斷、無線通信配置為發(fā)送模式，進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中通過判斷命令標(biāo)志位ComFlag來執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)ComFlag為“1”、“2”和“3”時(shí)，通過無線模塊以廣播形式分別發(fā)送“開始”、“結(jié)束”和“擦除”命令，之后標(biāo)志位ComFlag置0，繼續(xù)主循環(huán)。當(dāng)ComFlag為“4”時(shí)，通過無線模塊發(fā)送“上傳”命令，之后切換無線收發(fā)狀態(tài)為接收模式，開始接收終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。流程圖如圖4所示。

　　無線數(shù)據(jù)接收流程為：無線通信切換成接收模式，數(shù)據(jù)按照“幀”格式接收，為了保證數(shù)據(jù)的有效性，對(duì)每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。每幀數(shù)據(jù)包含30字節(jié)有效數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)幀尾添加1位校驗(yàn)位。采用奇偶校驗(yàn)法，在接收到一幀數(shù)據(jù)后，將前30字節(jié)數(shù)據(jù)按位想加，判斷和的奇偶，并與終端節(jié)點(diǎn)計(jì)算的數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若校驗(yàn)一致，則去除校驗(yàn)位，將有效數(shù)據(jù)通過串口上傳至PC機(jī)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)字節(jié)個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，然后向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送“success”，通知終端節(jié)點(diǎn)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀接收成功。若校驗(yàn)不一致，則發(fā)送“fail”，通知終端節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)幀。終端節(jié)點(diǎn)在采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)候會(huì)記錄數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，在收到“上傳”命令后首先發(fā)送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，用以進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳結(jié)束的判斷。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與采集的個(gè)數(shù)一致時(shí)數(shù)據(jù)上傳結(jié)束，流程如圖5所示。

　　3.1.2 中斷程序

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串口中斷來進(jìn)行上位機(jī)命令的識(shí)別。當(dāng)通過串口接收到字符串之后，進(jìn)入串口中斷，在串口中斷服務(wù)程序里，首先進(jìn)行命令字符串的匹配，然后給命令標(biāo)志位ComFlag賦值，如圖6所示。

　　3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　3.2.1 主程序

　　上電，進(jìn)行時(shí)鐘模塊、定時(shí)器模塊、SPI接口、IIC接口以及無線通信模塊的初始化配置，將無線通信模塊配置為接收模式，然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中通過判斷標(biāo)志位“ComFlag”來執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)ComFlag為“1”時(shí)，打開定時(shí)器中斷，讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入Flash。當(dāng)ComFlag為“2”時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器中斷，停止數(shù)據(jù)采集。當(dāng)ComFlag為“3”時(shí)將Flash數(shù)據(jù)全部擦除。當(dāng)ComFlag為“4”時(shí)進(jìn)入無線發(fā)送狀態(tài)，將數(shù)據(jù)從Flash讀出并發(fā)送。詳見圖6。

　　3.2.2 無線接收中斷服務(wù)程序

　　當(dāng)接收無線數(shù)據(jù)時(shí)，通過“IRQ”引腳可觸發(fā)單片機(jī)外部中斷。在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行無線命令字符串的匹配，并給標(biāo)志位ComFlag賦值。當(dāng)接收到上傳命令后會(huì)進(jìn)行ID匹配，與本機(jī)地址一致時(shí)，將ComFlag賦值。此部分的程序流程與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的中斷服務(wù)程序流程基本一樣，請(qǐng)參考圖5。

　　3.2.3 定時(shí)器中斷服務(wù)程序

　　當(dāng)收到“開始”命令后，打開定時(shí)器中斷，開始讀取傳感器數(shù)據(jù)，每次讀取為12字節(jié)數(shù)據(jù)，在讀取后將數(shù)據(jù)寫入Flash，記錄Flash地址。用Flash寫入的最終地址減去初始地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。具體見圖7。

　　3.2.4 無線數(shù)據(jù)發(fā)送流程

　　與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的接收流程對(duì)應(yīng)，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入無線發(fā)送狀態(tài)后，從Flash中讀取30字節(jié)數(shù)據(jù)，按位相加，將和的奇偶性作為校驗(yàn)標(biāo)志，添加至每幀數(shù)據(jù)尾部，打包發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。進(jìn)入無線接收狀態(tài)，等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)答信號(hào)，若收到“Success”則表示當(dāng)前幀發(fā)送成功，繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，若收到“Fail”則需重新發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)幀。每幀數(shù)據(jù)發(fā)送成功后Flash地址增加。當(dāng)Flash讀取到記錄的最終地址時(shí)候表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。詳見圖8。

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　無線通信模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)間命令的廣播和數(shù)據(jù)的傳輸，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的配置是體感網(wǎng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　NRF24L01擁有6個(gè)接收通道0-5，可以同時(shí)接收6路數(shù)據(jù)，每個(gè)接收通道擁有獨(dú)立的接收地址。用NRF24L01實(shí)現(xiàn)“開始”、“結(jié)束”和“擦除”命令的廣播傳輸以及“上傳”命令的定點(diǎn)傳輸，需要配置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本機(jī)地址及接收通道地址，這是無線通信模塊的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。

　　通過終端節(jié)點(diǎn)地址和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)地址的配置來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的通道1接收地址跟網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)本機(jī)地址一致，實(shí)現(xiàn)命令的廣播發(fā)送和接收，從而保證每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的同步性。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通道1-5接收地址分別跟五個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的本機(jī)地址一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳時(shí)候的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢傳輸，用5個(gè)接收通道可以避免網(wǎng)關(guān)接收地址的切換配置，提高數(shù)據(jù)接收效率。

　　4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　如圖所示，將系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)佩戴在人體雙腳腳踝、雙手手腕和腰部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　測(cè)試者完成十米折返行走實(shí)驗(yàn)。測(cè)試者首先靜止站立，然后直線行走約10米，到達(dá)折返點(diǎn)后靜止站立一段時(shí)間，然后轉(zhuǎn)身，再靜止一段時(shí)間，之后正常行走至出發(fā)位置。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Matlab軟件進(jìn)行濾波平滑。圖12和圖13反映了左腳腳踝傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)。

　　從圖12和13中可以明顯看到加速度和角速度信號(hào)能夠有效反映被試者的步態(tài)周期性，可計(jì)算步數(shù)，腳的邁步時(shí)間等信息。

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，性能指標(biāo)可以滿足人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的采集要求。該系統(tǒng)目前已經(jīng)被蘇州大學(xué)第二附屬醫(yī)院用于進(jìn)行帕金森患者的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估研究。

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