人體活動(dòng)的無(wú)線檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

王金鳳 尹凱陽(yáng) 萬(wàn)志偉 周申培

【摘要】基于MEMS的加速度計(jì)和陀螺儀，本文設(shè)計(jì)了一種人體活動(dòng)的無(wú)線檢測(cè)裝置，可以實(shí)時(shí)獲取人體活動(dòng)的加速度、角速度信息。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)IIC總線匯集到MSP430單片機(jī)，封裝成數(shù)據(jù)幀以后，經(jīng)過(guò)ZigBee無(wú)線模塊發(fā)送到PC機(jī)上，完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析、顯示和存儲(chǔ)。ZigBee模塊接口可實(shí)現(xiàn)多個(gè)檢測(cè)裝置的組網(wǎng)，完成對(duì)人體多個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)的檢測(cè)。無(wú)線通訊方式提高了可穿戴性，實(shí)現(xiàn)無(wú)約束狀態(tài)下人體活動(dòng)檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】人體活動(dòng);慣性傳感器;無(wú)線傳輸

Abstract：A wireless device was designed based on MEMS accelerometers and gyroscopes to detect human activities.The device could acquire acceleration and angular velocity information of human activities in real time.The sensor data were collected to MSP430 by IIC buses，sent to PC frame by frame through ZigBee modules，then analyzed，displayed and stored.Several devices could be connected into a wireless network with ZigBee modules to detect activity of multiple joints.Wireless communication improved wearable performance and realized human activity detection under free behavior.

Key words：human activity;inertial sensor;wireless transferring

人體活動(dòng)是神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉骨骼系統(tǒng)綜合運(yùn)動(dòng)功能的反應(yīng)，活動(dòng)信息不僅可以表述人體運(yùn)動(dòng)軌跡，而且可用于研究人體與周邊環(huán)境的關(guān)系。因此，人體活動(dòng)的檢測(cè)、分析已經(jīng)成為人機(jī)交互領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容[1]。檢測(cè)到的人體行為信息，可以幫助計(jì)算機(jī)或機(jī)器人更好地完成任務(wù)。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括：健身訓(xùn)練和康復(fù)、醫(yī)療保健、緊急救援和定位跟蹤等[1～3]。人們一直嘗試?yán)貌煌募夹g(shù)手段實(shí)現(xiàn)人體活動(dòng)的信息獲取。圖像、視頻是廣泛使用的手段，但深受設(shè)備安裝和移動(dòng)的局限[4]。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)約束狀態(tài)下的人體活動(dòng)檢測(cè)，基于慣性傳感器檢測(cè)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨福絹?lái)越受到重視。本設(shè)計(jì)采用MEMS工藝的微型加速度計(jì)和陀螺儀，采集人體活動(dòng)信息，成本低、功耗低、靈敏度高、功能完善。采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省前端采集系統(tǒng)的空間。最終設(shè)計(jì)完成的無(wú)線檢測(cè)裝置，能夠長(zhǎng)期檢測(cè)和記錄人體活動(dòng)信息。

1.總體方案

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀采集人體活動(dòng)的加速度和角速度，傳感器數(shù)據(jù)采用IIC接口匯集到MSP430單片機(jī)。ZigBee無(wú)線傳輸模塊帶有RS-485總線，可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能，將人體多個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行分析和顯示?？紤]到檢測(cè)過(guò)程中盡量不影響人體活動(dòng)狀態(tài)，檢測(cè)裝置盡可能小巧輕便，無(wú)線傳輸方式極大提高了檢測(cè)過(guò)程中人體活動(dòng)的范圍。檢測(cè)裝置的硬件部分由慣性傳感器、MSP430F149單片機(jī)、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、供電電路、串口電路等組成;軟件部分由Visual Stdio 2010軟件編程實(shí)現(xiàn)。

本文選用ST公司的加速度計(jì)LSM303DLHC，它屬于容感式加速度計(jì)，具有如下特點(diǎn)：（1）小而薄的3mm×5mm×1mmLGA封裝;（2）分辨率隨g的提高而提高，±16g時(shí)高達(dá)13位;（3）輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過(guò)SPI或IIC數(shù)字接口訪問(wèn);（4）-40℃～85℃的溫度范圍，輸出受溫度影響很小;（5）可以承受10000g的沖擊;

選用ST公司的L3GD20陀螺儀。它采用了硅超微精密環(huán)形傳感器設(shè)計(jì)，具有如下特點(diǎn)：（1）寬測(cè)量范圍2000dps;（2）數(shù)據(jù)輸出為16bit，可通過(guò)SPI或IIC數(shù)字接口訪問(wèn);（3）工作溫度范圍為-40℃～85℃，極小的±2%溫漂，能進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償;（4）嵌入電源關(guān)閉和睡眠模式、嵌入溫度傳感器、嵌入FIFO。

圖1 人體活動(dòng)信息檢測(cè)裝置總體框架

2.信息采集

采集裝置采用MSP430F149單片機(jī)，它是TI公司研發(fā)的一款超低功耗16位單片機(jī)，具有工作電壓低、功耗低、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、內(nèi)置豐富等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于各種要求功耗低的場(chǎng)合[5]。該設(shè)計(jì)中MSP430F149單片機(jī)工作流程如圖2所示：初始化LSM303DLHC加速度計(jì)、L3GD20陀螺儀，準(zhǔn)備采集和讀取數(shù)據(jù);讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成將TI置1，否則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù);最后給數(shù)據(jù)加上幀頭、數(shù)據(jù)通道數(shù)和幀尾形成完整的一幀數(shù)據(jù)，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，繼續(xù)下一幀數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖2 MSP430F149單片機(jī)采集信息程序流

采用的LSM303GHLC與L3GD20傳感器支持IIC總線數(shù)字輸出，故運(yùn)用MSP430F149單片機(jī)USART0串行通信模塊的IIC模式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。IIC總線支持連續(xù)讀取[6]，為了加快數(shù)據(jù)的讀取速度，采用了6字節(jié)數(shù)據(jù)連續(xù)讀取。表1所示為IIC連續(xù)讀取的時(shí)序圖。

表1 IIC連續(xù)讀取時(shí)序圖

根據(jù)LSM303DLHC與L3G20的IIC總線協(xié)議，以及IIC連續(xù)讀取的時(shí)序圖，用C語(yǔ)言編寫(xiě)IIC總線的讀取程序如下：

限于篇幅，下面僅給出LSM303DHLC的初始化子程序：

3.數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee技術(shù)是一種新型短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低、傳輸速率不高的場(chǎng)合，可在各種電子設(shè)備之間進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸，形成自組織、多跳的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)[7]。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)采集轉(zhuǎn)換的信號(hào)經(jīng)過(guò)MAX485收發(fā)器輸送到ZigBee中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，MAX485收發(fā)器采用了工業(yè)級(jí)電路如圖3所示，圖中J3的1和2腳分別接ZigBee模塊的485（+）和485（-）腳。為方便開(kāi)發(fā)，選用帶有ZigBee協(xié)議的無(wú)線通信模塊，如圖4所示，組網(wǎng)配置成功后可以直接通信。

圖3 MAX485收發(fā)電路

圖4 ZigBee 無(wú)線模

圖3MAX485收發(fā)電路為使數(shù)據(jù)能夠可靠的傳輸?shù)絇C機(jī)串口，自定義了數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式。數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行無(wú)線傳輸，然后在PC機(jī)中解算出來(lái)。幀頭0xA5標(biāo)示數(shù)據(jù)幀的起始，幀尾0xAE標(biāo)示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。幀頭后面是數(shù)據(jù)通道數(shù)，便于解算時(shí)區(qū)分是哪個(gè)通道的數(shù)據(jù)。通道數(shù)后面是12字節(jié)的數(shù)據(jù)域，是IIC總線模式讀取的加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)。單片機(jī)串口波特率采用115200bps，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，無(wú)控制位。

用C語(yǔ)言編寫(xiě)的具體程序如下：

4.結(jié)果顯示

本設(shè)計(jì)運(yùn)用Windows操作系統(tǒng)提供的串口通信機(jī)制，調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)通信，接收并處理ZigBee傳輸?shù)絇C機(jī)的數(shù)據(jù)。首先安裝CP4002芯片的官方USB驅(qū)動(dòng)，在PC機(jī)中虛擬出一個(gè)串口;然后在Visual Stdio 2010開(kāi)發(fā)環(huán)境中對(duì)文件I/O函數(shù)進(jìn)行操作。運(yùn)用API函數(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)不需要直接面對(duì)硬件，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程。軟件設(shè)計(jì)流程為：調(diào)用CreateFile（）函數(shù)打開(kāi)串口，使用WriteFile（）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，使用ReadFile（）函數(shù)接收數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果經(jīng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則將數(shù)據(jù)丟棄，發(fā)送命令讓單片機(jī)重新發(fā)送數(shù)據(jù)。如經(jīng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確，則將數(shù)據(jù)放入一個(gè)循環(huán)隊(duì)列暫作緩存，以供調(diào)用。運(yùn)用Ontimer（）定時(shí)器每隔10ms讀取一次串口接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)線性轉(zhuǎn)換后顯示。

本設(shè)計(jì)加速度的單位是g，輸出值范圍為0x0000～0xFFFF，測(cè)量值范圍是-2g～+2g。角速度的單位是dps，輸出值范圍為0x0000～0xFFFF，測(cè)量值范圍是-250dps～+250dps。如果接收數(shù)據(jù)位為x，輸出范圍設(shè)為a，測(cè)量范圍設(shè)為b，則實(shí)際測(cè)量值y的折算公式為：y=x/a*b。對(duì)于加速度計(jì)，a和b分別為65535和4，則y=x/16383;對(duì)于陀螺儀，a和b分別為65535和500，則y=x/131.072。

圖形顯示部分運(yùn)用NTGraph控件，首先對(duì)各控件先初始化，確定坐標(biāo)單位和范圍，繪圖之前清除預(yù)存信息，避免出現(xiàn)曲線重合現(xiàn)象。調(diào)用Polyline（）函數(shù)，將折算后的實(shí)際測(cè)量值用曲線連接起來(lái)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 加速度的波形

圖6 陀螺儀的波形

5.結(jié)論

本文結(jié)合人機(jī)交互的大背景，探討了人體活動(dòng)檢測(cè)的方法和途徑，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的裝置。顯示結(jié)果證明系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)人體活動(dòng)信息，實(shí)時(shí)分辨率高。采用ZigBee無(wú)線模塊傳輸數(shù)據(jù)，提高了可穿戴性，向?qū)嶋H應(yīng)用更加接近。

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基金項(xiàng)目：武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院科研基金項(xiàng)目（11027）;湖北省自然科學(xué)基金（No.2012FFB05004）;武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金（No.2012-II-017，No.2013-IV-063）。