基于CC3200的Wi-Fi無線組網(wǎng)式跌倒檢測(cè)系統(tǒng)※

高天星, 趙旭強(qiáng), 馬忠梅

(北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100081)

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基于CC3200的Wi-Fi無線組網(wǎng)式跌倒檢測(cè)系統(tǒng)※

高天星, 趙旭強(qiáng), 馬忠梅

(北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100081)

摘要:TI公司的CC3200是一款基于ARM Cortex-M4處理器核的微控制器，是TI SimpleLink產(chǎn)品線上的一員，其具有既方便又強(qiáng)大的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信能力。本文利用CC3200這些特性，結(jié)合MMA7260加速度傳感器，設(shè)計(jì)了一種新型的以Wi-Fi作為組網(wǎng)模式的無線加速度檢測(cè)系統(tǒng)，其主要應(yīng)用方向?yàn)闄z測(cè)人的跌倒等情況。

關(guān)鍵詞:CC3200；Wi-Fi；跌倒檢測(cè)

引言

近些年來，由于智能移動(dòng)設(shè)備的飛速發(fā)展，Wi-Fi這種無線互聯(lián)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各種各樣的生活場(chǎng)景中，如辦公室、咖啡廳、校園、家庭等。因此，使用Wi-Fi技術(shù)，可以以最方便快捷的方式接入到互聯(lián)網(wǎng)，或與其他智能移動(dòng)設(shè)備互聯(lián)。在這一背景下，衍生了許多具有Wi-Fi能力的MCU，使用它們可以方便地實(shí)現(xiàn)物理控制功能，進(jìn)行物理數(shù)據(jù)的采集。此外，通過Wi-Fi以無線的方式向智能終端傳遞數(shù)據(jù)，可以獲得更好的交互效果。

SimpleLink Wi-Fi CC3200是由TI公司研制的低功耗MCU平臺(tái)，SimpleLink Wi-Fi技術(shù)可以方便地編寫運(yùn)行在CC3200上的Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸程序，大大降低了過去將MCU與Wi-Fi結(jié)合開發(fā)的復(fù)雜度與成本。CC3200芯片上有豐富的資源可供使用，因此將其作為開發(fā)平臺(tái)，自制了一套無線加速度傳感器采集系統(tǒng)，通過對(duì)加速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以方便地檢測(cè)出老年人是否意外摔倒。

1平臺(tái)介紹

1.1Simplelink Wi-Fi CC3200

CC3200是內(nèi)置 Wi-Fi模塊的微控制器，TI專為物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)與應(yīng)用設(shè)計(jì)了這塊集成芯片。在這塊芯片上集成了高性能的ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器，CC3200的網(wǎng)絡(luò)通信能力穩(wěn)定可靠，并擁有完整的安全協(xié)議。不僅如此，CC3200平臺(tái)還提供了完整的開發(fā)軟件、開發(fā)樣例、調(diào)試工具與文檔，是十分理想的開發(fā)平臺(tái)[1]。

ARM Cortex-M4處理器的運(yùn)行頻率為80 MHz，并外接多種外設(shè)，包括快速并行接口、SPI、UART串口、ADC模塊等。芯片中的ROM存儲(chǔ)了相關(guān)外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序。此外，CC3200的網(wǎng)絡(luò)處理子系統(tǒng)包含一個(gè)802.11b/g/n射頻模塊,以滿足各頻段Wi-Fi的連接需要。而在網(wǎng)絡(luò)處理芯片的軟件部分，其內(nèi)置了TCP/IP等協(xié)議棧，極大方便了接入互聯(lián)網(wǎng)的軟件操作。

1.2MMA7260加速度傳感器

MMA7260是一款低功耗、低成本的高靈敏加速度傳感器。通過調(diào)整芯片，選擇性地輸入電平，可以設(shè)定4種不同的高靈敏度模式，這些模式以加速度量程區(qū)分，包括±1.5 g、±2 g、±4 g 和±6 g，在1.5 g范圍內(nèi)，敏感度可以達(dá)到800 mV/g。另外它體積非常小，采用6 mm×6 mm×1.45 mm QFN 封裝，并擁有睡眠模式以節(jié)電。以上這些特性，讓MMA7260非常適合運(yùn)用于以電池供電的手持設(shè)備上[2]。

TI-RTOS是由TI開發(fā)的可裁減嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，此操作系統(tǒng)是在一個(gè)名為SYS/BIOS的實(shí)時(shí)多線程內(nèi)核基礎(chǔ)之上構(gòu)建的，提供了實(shí)時(shí)多任務(wù)搶占式調(diào)度機(jī)制，并包含了硬件抽象和實(shí)時(shí)性能分析，可以有效地優(yōu)化目標(biāo)機(jī)的內(nèi)存和CPU使用。在內(nèi)核層之上，TI-RTOS不僅提供了一套設(shè)備驅(qū)動(dòng)，還附加了諸如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)層等組件，使開發(fā)者可以將精力集中在應(yīng)用的開發(fā)上[3]。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，作為數(shù)據(jù)的接收方和交互終端由Android智能設(shè)備擔(dān)任，其可以是智能手機(jī)、平板等，目前攜帶無線網(wǎng)卡的Android智能設(shè)備，均可以在系統(tǒng)設(shè)置中開啟共享網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，使設(shè)備變?yōu)橐粋€(gè)無線熱點(diǎn)，令其他同樣采用802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備可以接入。

圖1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

因熱點(diǎn)AP具有一對(duì)多的連接能力，本系統(tǒng)采取了兩個(gè)接有MMA7260傳感器的CC3200作為Station接入熱點(diǎn)AP。而當(dāng)選取的智能設(shè)備擁有3G上網(wǎng)能力時(shí)，甚至可以將數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳入位于因特網(wǎng)的云端，令其他觀測(cè)者獲取。采用這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 采用雙CC3200，極大提高了采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與容錯(cuò)性,即使一臺(tái)設(shè)備宕機(jī)或斷開連接，另一臺(tái)也可以正常工作。

② 使系統(tǒng)可攜帶。通常情況下，AP熱點(diǎn)由無線路由器擔(dān)任，但是對(duì)于摔倒檢測(cè)，始終令用戶隨身攜帶無線路由是不現(xiàn)實(shí)的，而諸如手機(jī)等智能設(shè)備是方便攜帶的。由MMA7260與CC3200組成的傳感器設(shè)備體積小，可以將其別在衣物上以便使用。

2.2接口連接

MMA7260與CC3200的連接方式如圖2所示，接入3.3 V電壓并令Sleep引腳保持高電平。g-Select1與g-Select2引腳懸空，表示選擇模式00，即為量程1.5g模式。此外，圖2中用到了6個(gè)10 kΩ電阻，這些電阻起到調(diào)整電壓的作用。CC3200的ADC引腳P58、P59、P60的輸入電壓范圍為1.5 V，如果超過這個(gè)電壓值，ADC模塊將不會(huì)檢測(cè)到電壓變化，始終判定為1.5 V[4]，而MMA7260的輸出電壓可以達(dá)到2.85 V，使用電阻并聯(lián)后輸入電壓減少至一半，即可正常檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)。

圖2　MMA7260與CC3200連接圖

2.3軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用部署在TI-RTOS上，利用TI-RTOS的多線程能力，可以將運(yùn)行在CC3200微控制器上的軟件分為采集任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)、發(fā)送任務(wù)。其中，采集任務(wù)用來驅(qū)動(dòng)ADC接口，收集由MMA7260傳感器得到的三軸加速度數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)任務(wù)用于在CC3200啟動(dòng)時(shí)與Android設(shè)備AP建立連接；而發(fā)送任務(wù)用于將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給AP。

當(dāng)MCU啟動(dòng)后，會(huì)由TI-RTOS創(chuàng)建3個(gè)線程，分別運(yùn)行以上描述的3個(gè)任務(wù)，在這3個(gè)線程中，網(wǎng)絡(luò)連接的優(yōu)先級(jí)最高，因?yàn)檫B接網(wǎng)絡(luò)的操作是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)。采集任務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)同步運(yùn)行，由ADC采集到的三軸加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在公共緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)從公共緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)，并通過TCP/IP協(xié)議以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送。

同樣，在Android設(shè)備AP上運(yùn)行接收程序，這一程序周而復(fù)始地運(yùn)行，采集從MCU設(shè)備傳送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理顯示在屏幕上。如果設(shè)備支持3G網(wǎng)絡(luò)，可以同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，以支持遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)視。

3軟件實(shí)現(xiàn)

3.1采集任務(wù)

CC3200提供了API以供開發(fā)者調(diào)用，所以可以很容易地獲取到CC3200的采集數(shù)據(jù)。

CC3200的ADC模塊的內(nèi)存映射地址由DriverLib給出，本程序使用到的符號(hào)分別為ADC_BASE基地址、ADC_CH_1、ADC_CH_2、ADC_Ch1偏移地址。使用前對(duì)ADC模塊進(jìn)行初始化，代碼如下：

MAP_ADCTimerConfig(ADC_BASE,2^17);

MAP_ADCTimerEnable(ADC_BASE);

MAP_ADCEnable(ADC_BASE);

MAP_ADCChannelEnable(ADC_BASE, ADC_CH_1);

首先使用MAP_ADCTimerConfig與MAP_ADCTimerEnable函數(shù)對(duì)ADC模塊的定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置與使能，這里使能了全部17個(gè)位作為時(shí)間戳的長(zhǎng)度，并使用MAP_ADCChannelEnable使能ADC通道。

ADC模塊的采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于ADC模塊的FIFO數(shù)據(jù)寄存器中，在其32位的長(zhǎng)度中，2～13位為采樣數(shù)據(jù)，使用DriverLib中提供的MAP_ADCFIFORead函數(shù)即可獲取相應(yīng)通道FIFO數(shù)據(jù)寄存器的long型數(shù)值。之后，將采樣的X、Y、Z軸的數(shù)值向右移2位，并用掩碼去掉時(shí)間戳等多余信息，按照電壓比換算，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓值，存儲(chǔ)在全局?jǐn)?shù)組中，以供發(fā)送程序采集使用。

3.2網(wǎng)絡(luò)任務(wù)

網(wǎng)絡(luò)任務(wù)按順序共分為3部分：第一部分在SimpleLink軟件層，將相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)器件狀態(tài)調(diào)整為默認(rèn)態(tài)，并調(diào)用sl_Start函數(shù)以就緒設(shè)備；第二部分為連接部分，使用函數(shù)sl_WlanConnect進(jìn)行對(duì)AP的連接，將AP的SSID作為參數(shù)傳入；第三部分將設(shè)置一個(gè)循環(huán)來監(jiān)聽g_ulStatus的狀態(tài)，當(dāng)g_ulStatus同時(shí)滿足已獲取IP和網(wǎng)絡(luò)已連接狀態(tài)，說明網(wǎng)絡(luò)已成功連接，跳出循環(huán)使程序繼續(xù)運(yùn)行。

3.3發(fā)送任務(wù)

發(fā)送任務(wù)程序采用TCP/Socket實(shí)現(xiàn)，MCU端作為TCP Client，首先連接運(yùn)行位于AP設(shè)備上的TCP Server。使用SlSockAddr_t結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)TCP Server的IP地址與端口號(hào)，并在調(diào)用連接函數(shù)sl_Connect時(shí)作為參數(shù)傳入。

數(shù)據(jù)發(fā)送代碼如下：

while (1){

sprintf(g_cBsdBuf, " x: %f y: %f z: %f ",

(((float)((pulAdcSamples1[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096,

(((float)((pulAdcSamples2[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096,

(((float)((pulAdcSamples3[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096);

// sending packet

iStatus = sl_Send(iSockID, g_cBsdBuf, 38, 0 );

}

因sl_Send每次只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，故使用while循環(huán)來發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包，iSockID為建立特定Socket連接后提供的標(biāo)識(shí)符，g_cBsdBuf和sTestBufLen為發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和發(fā)送長(zhǎng)度。

3種任務(wù)通過函數(shù)的形式封裝，并使用由TI-RTOS提供的osi_TaskCreate對(duì)任務(wù)進(jìn)行注冊(cè)，待系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)度3種任務(wù)。優(yōu)先級(jí)最高的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，待其結(jié)束后，優(yōu)先級(jí)稍低的采集任務(wù)和發(fā)送任務(wù)開始執(zhí)行，兩種任務(wù)都是常駐的循環(huán)程序，所以需要在它們的循環(huán)中調(diào)用osi_Sleep函數(shù)使任務(wù)停轉(zhuǎn)，以保證另一任務(wù)可以搶占，讓多任務(wù)可以并行。在微控制器上運(yùn)行的所有程序的流程圖如圖3所示。

圖3　軟件整體流程圖

3.4接收模塊

接收模塊程序在Android智能終端上實(shí)現(xiàn)，將其作為Android應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)，建立一個(gè)端口號(hào)為5001的TCP Server以供CC3200的TCP模塊進(jìn)行連接。當(dāng)連接建立成功后，Server端源源不斷地從Socket數(shù)據(jù)流讀取數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)以換行符作為分隔，包含了加速度傳感器的三軸加速度信息。

在界面上將不斷輸出變化的三軸傳感器數(shù)值，并將數(shù)值連帶時(shí)間戳寫入日志中以供觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)。

4跌倒檢測(cè)

在進(jìn)行跌倒測(cè)試前可以進(jìn)行串口數(shù)據(jù)測(cè)試，以確定設(shè)備正常工作并得到傳感器的各狀態(tài)數(shù)值。在發(fā)送任務(wù)中使用提供的PinMuxConfg函數(shù)進(jìn)行初始化，并調(diào)用UART_PRINT函數(shù)，即可按一定格式進(jìn)行串口輸出。在計(jì)算機(jī)上安裝FTDI驅(qū)動(dòng)之后連接CC3200，可以在設(shè)備管理器中得到設(shè)備串口號(hào)。此時(shí)，打開串口工具Trea Term，并設(shè)置波特率為115 200 bps，待CC3200連接AP正常工作后，可以看到串口終端中的數(shù)據(jù)顯示，包括X、Y、Z三個(gè)加速度方向的電壓值。

實(shí)現(xiàn)硬件連接、組網(wǎng)與程序之后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行部署，首先將傳感器佩戴在人體的臀部，這一部位相對(duì)比較穩(wěn)定，在平時(shí)行進(jìn)、彎腰等動(dòng)作時(shí)不會(huì)對(duì)檢測(cè)造成明顯影響，并將其標(biāo)志面向上與地面平行作為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。作為采集終端的AP熱點(diǎn)Android設(shè)備，可以置于衣物口袋中以保證連接，并每隔100 ms將數(shù)據(jù)寫入文件中。之后，進(jìn)行每段時(shí)長(zhǎng)為10 s的人體靜止、行進(jìn)和摔倒動(dòng)作，將文件中記錄的300條三軸電壓變化數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，并做了折線圖繪制。

① 在第一個(gè)10 s內(nèi)，人體保持靜止，其三軸加速度變化如圖4所示。

圖4　靜止?fàn)顟B(tài)三軸電壓變化

② 在第二個(gè)10 s內(nèi)，人體行進(jìn)，其三軸加速度變化如圖5所示。

圖5　行進(jìn)狀態(tài)三軸電壓變化

③ 在第三個(gè)10 s內(nèi)，人體跌倒并倒地側(cè)臥，其三軸加速度變化如圖6所示。

圖6　跌倒?fàn)顟B(tài)三軸電壓變化

通過對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得知在靜止?fàn)顟B(tài)下，CC3200獲取的X、Y、Z三軸的電壓維持在0.65 V、0.75 V和1.05 V。而在人的行進(jìn)狀態(tài)下，三軸電壓的浮動(dòng)值不超過0.4 V。通過可以進(jìn)一步計(jì)算出各個(gè)方向的角度值，在人體跌倒時(shí)，Z軸(即垂直方向)在一定時(shí)間(1~2 s)內(nèi)大幅度下降，代表人體位置大幅下墜，其電壓的振幅超過0.5 V，通過這一條件的判斷，即可得知人體可能摔倒，并發(fā)出警告。

結(jié)語

本文利用SimpleLink Wi-Fi CC3200平臺(tái)，與MMA7260加速度傳感器結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套新型組網(wǎng)方式下的加速度檢測(cè)系統(tǒng)。其無線的連接方式使檢測(cè)系統(tǒng)的部署與測(cè)試更加靈活，而通過Android智能終端提供的數(shù)據(jù)顯示與采集為分析數(shù)據(jù)帶來了極大的便利，通過分析人體摔倒時(shí)的規(guī)律，可以很好地起到跌掉檢測(cè)和報(bào)警的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Texas Instruments.CC3200 SimpleLink Wi-Fi and Internet-of-Things Solution, a Single-Chip Wireless MCU[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc3200.pdf.

[2] 陳鈺琨.LM4F232pQD與MMA7260加速度傳感器的跌倒檢測(cè)[J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2013(6): 49-52.

[3] Texas Instruments.TI-RTOS 2.14 User’s Guide[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ug/spruhd4j/spruhd4j.pdf.

[4] Texas Instruments.CC3200 SimpleLink Wi-Fi and Internet of Things Solution, a Single Chip Wireless MCU Technical Reference Manual[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ug/swru367b/swru367b.pdf.

高天星、趙旭強(qiáng)(碩士研究生)，馬忠梅(副教授)：主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

Wi-Fi Wireless Fall Detection System Design Based on CC3200※

Gao Tianxing,Zhao Xuqiang,Ma Zhongmei

(School of Computer Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 10081,China)

Abstract：The CC3200 MCU is produced by TI company based on ARM Cortex-M4,which belongs to TI SimpleLink product line.CC3200 has powerful Wi-Fi network communication ability.In this paper,a new wireless acceleration detection system is designed using CC3200 and MMA7260 acceleration sensor,which takes Wi-Fi as the networking model.The system can be used for the falling detection.

Key words:CC3200;Wi-Fi;fall detection

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-09-11)

中圖分類號(hào):TP368

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A