分布式人體運(yùn)動(dòng)加速度信息無線獲取系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王改翠

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西寶雞721013）

人體運(yùn)動(dòng)信息的獲得和處理指的是將人體運(yùn)動(dòng)作為研究的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)過程中加速度、速度、位移等信息的精準(zhǔn)獲取，并且對(duì)獲得的信息實(shí)現(xiàn)處理及分析，此方面也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及生物等科學(xué)領(lǐng)域研究過程中的主要技術(shù)，并且其還是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的測(cè)試技術(shù)[1]。比如，現(xiàn)代有部分體育項(xiàng)目正在和電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及智能算法相互結(jié)合，全面實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)客觀性的精密計(jì)算。如何有效獲得及時(shí)、精準(zhǔn)及全面的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并且對(duì)獲得信息進(jìn)行有效使用，是提高體育運(yùn)動(dòng)成績的主要手段[2]。在航空航天中，其需要在特殊環(huán)境中進(jìn)行研究低氣壓、加速及高噪音等情況對(duì)人體的損傷，并且研究利用對(duì)環(huán)境的改善及提高人體運(yùn)動(dòng)能力，從而有效提高人體的適應(yīng)能力。以上都需要將人體運(yùn)動(dòng)信息獲取為基礎(chǔ)，從而能夠提高運(yùn)動(dòng)信息獲得的及時(shí)性及精準(zhǔn)度[3]。因?yàn)閭鹘y(tǒng)人體加速度信息獲取系統(tǒng)的種種劣勢(shì)，本文就全面分析分布式人體運(yùn)動(dòng)加速度信息的無線獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 人體運(yùn)動(dòng)加速度信息的獲取方式

圖1為人體運(yùn)動(dòng)加速度信息獲取的全面內(nèi)容，其主要是將測(cè)量技術(shù)及檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)信息獲取方法的不斷創(chuàng)新。

圖1 人體運(yùn)動(dòng)加速度信息獲取的全面內(nèi)容

人體運(yùn)動(dòng)信息獲取的方式較多，主要包括：其一，足底壓力分布檢測(cè)技術(shù)。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展的過程中，相關(guān)研究人員希望能夠全面掌握人體足底壓力的分布。比如，德國就發(fā)明了足底壓力分布測(cè)量平臺(tái)，其能夠?qū)ζ矫婕皬澢谋砻娉惺軇?dòng)態(tài)壓力分布進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量及記錄，通過電容式傳感器實(shí)現(xiàn)[4]，圖2為人體足底壓力的分布圖。

圖2 人體足底壓力的分布圖

其二，加速度傳感器。在現(xiàn)代MEMS技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，各種的加速度傳感器技術(shù)越來越成熟，并且在實(shí)際測(cè)試中使用，在使用過程中，其在人體環(huán)節(jié)需要測(cè)試的節(jié)點(diǎn)中固定，從而就能夠?qū)崿F(xiàn)人體加速度信息的獲取。

大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)表示，人體運(yùn)動(dòng)加速度信息能夠?qū)⑷梭w運(yùn)動(dòng)過程中的特點(diǎn)充分的展現(xiàn)出來，目前，人體運(yùn)動(dòng)加速度信息被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域中，比如體育訓(xùn)練、步態(tài)及動(dòng)作識(shí)別、運(yùn)動(dòng)及健康管理等。其一，體育訓(xùn)練。人體在運(yùn)動(dòng)過程中的指定部位及關(guān)節(jié)點(diǎn)加速度信息能夠?qū)⑷梭w信息充分的反映出來，皮劃艇屬于快節(jié)奏及高速度的耐力性體能項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)員利用相互的協(xié)調(diào)用力，使用槳推動(dòng)船進(jìn)行前進(jìn)。以此就能夠看出來，其能夠獲得運(yùn)動(dòng)人員訓(xùn)練過程中的加速度信息，通過多次的反復(fù)訓(xùn)練及信息反饋，從而使運(yùn)動(dòng)人員掌握及配合用力的節(jié)奏[5]。圖3為皮劃艇運(yùn)動(dòng)過程中加速度計(jì)使用的電路構(gòu)成。

圖3 皮劃艇運(yùn)動(dòng)過程中加速度計(jì)使用的電路構(gòu)成

其二，步態(tài)與動(dòng)作識(shí)別。此種技術(shù)目前備受相關(guān)人員的關(guān)注，其能夠在低視頻及遠(yuǎn)距離中進(jìn)行識(shí)別，并且步態(tài)無法偽裝及隱藏。為了能夠避免在復(fù)雜環(huán)境中多種因素的影響，就出現(xiàn)了人體運(yùn)動(dòng)加速度信息步態(tài)識(shí)別，使數(shù)據(jù)處理難度有所降低[6]。圖4為步態(tài)與運(yùn)動(dòng)識(shí)別傳感器的模塊設(shè)計(jì)。

圖4 步態(tài)與運(yùn)動(dòng)識(shí)別傳感器的模塊設(shè)計(jì)

其三，運(yùn)動(dòng)和健康管理。在現(xiàn)代MEMS技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，就出現(xiàn)了大量小體積及低功耗的加速度傳感器芯片，從而促進(jìn)了人體運(yùn)動(dòng)加速度信息的使用范圍。相關(guān)研究人員利用在人體各個(gè)部位實(shí)現(xiàn)加速度傳感器的安裝，能夠得到人體在運(yùn)動(dòng)過程中的加速度信息，將人體運(yùn)動(dòng)的參數(shù)信息充分的展現(xiàn)出來[7]。圖5為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)量分析軟件的界面。

圖5 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)量分析軟件的界面

2 運(yùn)動(dòng)加速度信息無線獲取系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

人體在運(yùn)動(dòng)過程中的特征參數(shù)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)不斷呈現(xiàn)出來，其中相關(guān)身體關(guān)節(jié)加速度信息在醫(yī)療診斷、運(yùn)動(dòng)健康及體育運(yùn)動(dòng)等方面具有重要的使用價(jià)值，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，使用速度傳感器實(shí)現(xiàn)人體加速度信息的獲取，對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡化，并且還能夠有效提高系統(tǒng)的使用范圍。之后，通過無線通信裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并且對(duì)收集的加速度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析和處理，使人體加速度運(yùn)動(dòng)獲取的可靠性及精準(zhǔn)性[8]。圖6為分布式人體運(yùn)動(dòng)加速度信息的無線獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架。

圖6 分布式人體運(yùn)動(dòng)加速度信息的無線獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)主要包括主控系統(tǒng)及信息收集系統(tǒng)，其中主控系統(tǒng)屬于本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，其主要目的就是實(shí)現(xiàn)信息收集系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，并且以應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)收集命令的傳遞，從而進(jìn)行同步控制，而且內(nèi)部還具有大容量信息存儲(chǔ)器，其主要目的就是對(duì)其中關(guān)節(jié)點(diǎn)加速度信息進(jìn)行收集和存儲(chǔ)，并且對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳遞分析和處理[9]。信息收集系統(tǒng)主要在人體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中安裝，其主要目的就是對(duì)人體運(yùn)動(dòng)速度、位移、力及加速度等信息進(jìn)行收集，利用無線通信模塊對(duì)主控系統(tǒng)進(jìn)行傳遞。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所研究的系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包括兩個(gè)系統(tǒng)，分為加速度信息獲取子系統(tǒng)和加速度信息分析處理系統(tǒng)[10]。圖7為加速度信息獲取系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)。

圖7 加速度信息獲取系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)⑾到y(tǒng)在運(yùn)行過程中的能源消耗，并且降低系統(tǒng)占用的體積，硬件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中只包括無線收發(fā)、加速度傳感器、MCU 3個(gè)模塊。利用MMA三軸模擬輸出加速度傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要是通過溫度補(bǔ)償、單機(jī)低通濾波及信號(hào)調(diào)理等技術(shù)，能夠滿足人體加速度收集需求[11]。圖8為三軸加速度傳感器芯片對(duì)加速度方向的檢測(cè)示意圖，其中左邊圖中的芯片向上，右圖中的芯片為倒立。

圖8 三軸加速度傳感器芯片對(duì)加速度方向的檢測(cè)示意圖

并且本文還提出了全新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方式，詳見圖9。

圖9 腳部加速度信息收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此種安裝方式能夠創(chuàng)新傳統(tǒng)收集系統(tǒng)在安裝過程中對(duì)正常的運(yùn)動(dòng)造成影響。

其中腳部系統(tǒng)主要包括無線通信模塊、MUC模塊、電源管理模塊及加速度傳感器模塊[12]，圖10為腳部加速度傳感器系統(tǒng)模塊的組成。

圖10 腳部加速度傳感器系統(tǒng)模塊的組成

本文系統(tǒng)通信使用無線通信模塊，利用半導(dǎo)體無線通信方案實(shí)現(xiàn)，其中實(shí)現(xiàn)功率放大器、頻率發(fā)生器、調(diào)制解調(diào)器及晶體振蕩器的結(jié)合，從而提高無線通訊模塊的設(shè)計(jì)簡單性，還能夠降低系統(tǒng)在使用過程中的損耗[13]，圖11為系統(tǒng)無線通信模塊的組成結(jié)構(gòu)。

圖11 系統(tǒng)無線通信模塊的組成結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)分析處理軟件，本節(jié)還是以腳部安裝系統(tǒng)為例講述系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及工作流程[14]，圖12為腳部系統(tǒng)的工作流程。

圖12 腳部系統(tǒng)的工作流程

通過圖12可以看出來，在腳部系統(tǒng)工作工作過程中，首先要實(shí)現(xiàn)其初始化，之后等待其他系統(tǒng)的同步信號(hào)，然后系統(tǒng)MCU都進(jìn)入到睡眠模式，從而降低系統(tǒng)功耗。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集過程中，首先要將睡眠過程中的MCU喚醒，之后將AD轉(zhuǎn)換器開啟實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，然后使MCU進(jìn)入到睡眠模式，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和打包，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[15-16]。

3 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了分布式人體運(yùn)動(dòng)加速度信息無線獲取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其主要使用傳感器加速度的信息獲取方式實(shí)現(xiàn)人體中多個(gè)節(jié)點(diǎn)加速度信息的獲取，并且通過現(xiàn)代使用的無線通信模塊實(shí)現(xiàn)人體加速度信息的收集和系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的相互通信，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在十個(gè)人身上安裝本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通過測(cè)試結(jié)果表示，使用無線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，能夠使系統(tǒng)簡單，在測(cè)試過程中佩戴方便，并且還能夠降低系統(tǒng)的功能消耗，具有重要的使用價(jià)值。