基于Zigbee的無(wú)線(xiàn)體感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】介紹了一套基于Zigbee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)體感系統(tǒng)。設(shè)計(jì)方案由前端傳感器單元組建傳感網(wǎng)絡(luò)，采用ADXL345傳感單元完成肢體運(yùn)動(dòng)信息的采集，采用PVDF壓電薄膜脈搏傳感器完成脈搏信息的采集；然后利用Zigbee通信技術(shù)搭建無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，采用CC2430通信模塊完成傳感器數(shù)據(jù)至ARM處理器的傳送；利用嵌入式ARM Cortex A8平臺(tái)對(duì)來(lái)自不同傳感器的不同信息進(jìn)行處理，并將信息還原在Linux的圖形界面下。

【關(guān)鍵詞】體感ADXL345傳感器Zigbee無(wú)線(xiàn)通信嵌入式ARM

Zigbee技術(shù)自從2003年提出了完整的協(xié)議之后，國(guó)內(nèi)外對(duì)于Zigbee技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)十分的成熟。其中在工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車(chē)自動(dòng)化、家庭與樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制等方面尤為突出，主要的代表項(xiàng)目有哈爾濱工業(yè)大學(xué)秦鵬、劉建偉對(duì)Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的研究；在國(guó)外Cees Links、Janine E. Mooney也對(duì)于Zigbee的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)等有了很透徹的研究。最近幾年，隨著體感的興起，日本任天堂、索尼、微軟等游戲公司分別適時(shí)推出的新一代的游戲設(shè)備，如Wii、Ps Move、Kinect等。然而目前體感技術(shù)只在游戲領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

隨著人們對(duì)于健身的追求不斷提高，將Zigbee技術(shù)融入到傳感器網(wǎng)絡(luò)中也逐漸成為了一個(gè)很明顯的趨勢(shì)。比較典型的項(xiàng)目有北京工業(yè)大學(xué)韓德強(qiáng)、劉立哲、顧春雷設(shè)計(jì)的基于Windows Phone 7的體感健身系統(tǒng)。但這一項(xiàng)目需要特定的Windows Phone手機(jī)的支持，對(duì)于其推廣存在一定的限制。

本系統(tǒng)針對(duì)運(yùn)動(dòng)健身時(shí)的單調(diào)乏味以及運(yùn)動(dòng)過(guò)量會(huì)對(duì)身體造成過(guò)大損傷的實(shí)際情況，采用Zigbee技術(shù)與體感技術(shù)無(wú)線(xiàn)體感技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體四肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的捕捉與識(shí)別、對(duì)脈搏和血壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的功能；同時(shí)采用嵌入式ARM Cortex A8開(kāi)放處理平臺(tái)，有效的削減了Windows Phone手機(jī)帶來(lái)的局限性。

一、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)基本部分：（1）傳感器采集模塊，由血壓、脈搏傳感器和三軸加速度傳感器構(gòu)成，完成對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)信息與體征信息的采集；（2）Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊，采用CC2430組建多對(duì)一的通信網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)信息傳送至嵌入式處理單元；（3）嵌入式處理單元，采用ARM Cortex A8平臺(tái)，通過(guò)Qt編程處理實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。

系統(tǒng)首先由傳感器采集到最原始數(shù)據(jù)，通過(guò)濾波放大、波形調(diào)整、A/D轉(zhuǎn)換等完成初步處理，然后通過(guò)I2C數(shù)據(jù)總線(xiàn)，傳送給Zigbee終端設(shè)備；而Zigbee網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)終端設(shè)備分別不同的設(shè)備ID來(lái)識(shí)別與接收來(lái)自不同終端的信息，完成數(shù)據(jù)的空中傳送，再將數(shù)據(jù)通過(guò)串口的形式傳送至嵌入式ARM處理平臺(tái)；最后在ARM平臺(tái)上通過(guò)編程完成對(duì)數(shù)據(jù)的最終處理與顯示。

二、傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建

傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建主要由體征信息采集與運(yùn)動(dòng)信息采集兩部分組成。其中體征信息的采集可由SC0073脈搏傳感器實(shí)現(xiàn)；而運(yùn)動(dòng)信息的采集則可通過(guò)放置在人體上的微型傳感器加速度傳感器ADXL345實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

由于脈搏信號(hào)具有阻抗高、信號(hào)弱、頻率低等特點(diǎn)，而且處于嚴(yán)重的背景噪聲之中，故在SC0073微型動(dòng)態(tài)脈搏微壓傳感器將脈搏的跳動(dòng)變換為電壓的變化之后，還需要經(jīng)過(guò)模擬電路進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理主要由放大電路、濾波電路等來(lái)完成。對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)信息的采集，可通過(guò)ADXL345加速度傳感器的前端感應(yīng)器件感測(cè)加速度的大小，然后由感應(yīng)電信號(hào)器件轉(zhuǎn)為可識(shí)別的電信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是模擬信號(hào)。ADXL345中集成了A/D轉(zhuǎn)換器，可以將此模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出的是16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼。經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器的濾波后在控制和中斷邏輯單元的控制下訪(fǎng)問(wèn)32級(jí)FIFO，通過(guò)串行接口讀取數(shù)據(jù)。

在傳感器模塊采集到數(shù)據(jù)信息之后，通過(guò)I2C的通信方式，將數(shù)據(jù)傳送到Zigbee的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，準(zhǔn)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)發(fā)送。

三、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的組建

Zigbee的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)確定了其網(wǎng)絡(luò)所針對(duì)的幾個(gè)基本對(duì)象：Zigbee協(xié)調(diào)器、Zigbee路由器（小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以舍去）和Zigbee終端設(shè)備。

本文的設(shè)計(jì)方案采用TI的Z-STACK的協(xié)議棧， Z-STACK符合ZigBee2006規(guī)范，支持多種平臺(tái)，還支持多種豐富的新特性。針對(duì)Z-STACK和CC2430的特點(diǎn)，以及肢體運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集的實(shí)時(shí)要求，本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只用到了Zigbee協(xié)調(diào)器、Zigbee終端設(shè)備兩層。其中協(xié)調(diào)器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)建立并驅(qū)動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的射頻信道、唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)等。而終端設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)命令的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，終端傳感節(jié)點(diǎn)上電后，先進(jìn)行初始化操作、串綁定后直接進(jìn)于休眠模式，然后通過(guò)定時(shí)來(lái)讀取運(yùn)動(dòng)信號(hào)，之后按照串命令方式發(fā)送生理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理完畢后繼續(xù)進(jìn)入等待狀態(tài)，直到下一次定時(shí)到時(shí)該節(jié)點(diǎn)再次被激活。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，可能由于來(lái)不及響應(yīng)處理而丟掉一些請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)需要再重發(fā)幾次數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，假如該數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求沒(méi)有得到響應(yīng)，終端節(jié)點(diǎn)需要重新發(fā)送綁定請(qǐng)求查找協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)測(cè)試#9；在完成硬件平臺(tái)的搭建與軟件的調(diào)試之后，將傳感器固定在四肢上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行的調(diào)試。在調(diào)試的過(guò)程中，對(duì)各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)加入，逐一調(diào)試，如圖3。

如圖4所示，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)物功能演示。通過(guò)4個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)作為終端發(fā)送，一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口將協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳送至ARM嵌入式平臺(tái)進(jìn)行處理與顯示。

五、結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前的信息社會(huì)中，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為一種實(shí)用的、有效的通信方式，已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)結(jié)合了傳感器技術(shù)、Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無(wú)線(xiàn)體感技術(shù)，組成一個(gè)完善的、獨(dú)立的體域網(wǎng)（Body Area Network，BAN）。利用加速度傳感器與脈搏傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)ARM Cortex A8嵌入式平臺(tái)分析與處理數(shù)據(jù)，最后良好的GUI界面設(shè)計(jì)提供較好用戶(hù)體驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性與穩(wěn)定性都有較好的保障，可以在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域、消費(fèi)電子領(lǐng)域等得到進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用。

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