基于ZigBee 的可穿戴多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

趙 陳，宋泊明*

（徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 徐州）

引言

肢體功能障礙在我國發(fā)病率高[1]，康復(fù)周期長，因此需要居家康復(fù)。準(zhǔn)確評估肢體功能對康復(fù)過程影響極大，而傳統(tǒng)的量表評估方式依賴醫(yī)生主觀評價(jià)，且難以居家開展。因此，本文提出一種基于ZigBee 的可穿戴多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，可以采集患者運(yùn)動(dòng)過程中的三軸加速度與肌電信號并通過無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而構(gòu)成一種簡單、有效的肢體功能障礙評估手段。

Zigbee 協(xié)議[2]是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有成本低、能量消耗小和傳輸速率低等優(yōu)勢?；赯igBee 技術(shù)，本文采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)芯片CC2530 作為多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主控芯片，結(jié)合ADXL345 加速度傳感器、肌電傳感器，完成了可穿戴多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。以ZigBee 為基礎(chǔ)的可穿戴傳感器設(shè)計(jì)[3]，不僅可以將醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備小型化、便攜化，還可以將其應(yīng)用到低成本、多功能、易于擴(kuò)展等方面[4]。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文采用CC2530 和ADXL345 芯片、肌電傳感器[5]實(shí)現(xiàn)三軸加速度及肌電信號的采集和數(shù)值轉(zhuǎn)換，為人體姿態(tài)識別奠定基礎(chǔ)。首先，通過ADXL345 加速度傳感器采集手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的三軸加速度，然后通過IIC 接口將信號傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理和發(fā)送。為了保證ADXL345 芯片的正常工作，將電源和地信號連接到單片機(jī)的相應(yīng)引腳，并將INT1、INT2 分別與單片機(jī)的INT0、INT1 相連，以便及時(shí)觸發(fā)中斷并通知單片機(jī)進(jìn)行處理。同時(shí)，將ADXL345 芯片的SDA(數(shù)據(jù)線)、SCL(時(shí)鐘線)分別與單片機(jī)的某一腳相連，以便傳輸采集到的三軸加速度和肌電信號數(shù)據(jù)。此外，還使用了肌電傳感器來采集肌電模擬信號，并將該信號通過模擬電路與單片機(jī)連接。肌電傳感器通過檢測人體的表面肌電信號(SEMG)，將微弱的人體表面肌電信號進(jìn)行放大和濾波，輸出模擬量形式的信號，以AVDD5 為基準(zhǔn)電壓，方便做肌電信號的分析與研究。而單片機(jī)則可以通過接口電路將肌電傳感器的輸出信號接收并處理。

采集到的數(shù)據(jù)是模擬信號，通過CC2530 單片機(jī)內(nèi)置ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。本文以AVDD5 為基準(zhǔn)電壓，以確保模數(shù)轉(zhuǎn)換器的取樣精度。將肌電模擬信號輸入到CC2530 的P0.1 端，然后進(jìn)入內(nèi)置的ADC 輸入端，將數(shù)字化的數(shù)據(jù)由CC2530 的無線射頻模塊發(fā)送至上位機(jī)。

2 數(shù)據(jù)傳輸

2.1 主控芯片CC2530

本系統(tǒng)采用TI 公司新一代的ZigBee 單片機(jī)CC2530[6]作為主要信號處理與無線傳輸設(shè)備，具有低功耗、小尺寸和低數(shù)據(jù)傳輸量的特點(diǎn)。

2.2 CC2530 與ADXL345 傳感器連接

設(shè)計(jì)中主控芯片CC2530 與ADXL345 加速度傳感器[7]通過IIC 接口進(jìn)行通信。其數(shù)據(jù)線SDA 和串行時(shí)鐘線SCL 分別與CC2530 的P0.1 和P0.0 引腳相連。如圖1 是ADXL345 加速度傳感器IIC 通訊方式的連接電路。當(dāng)ADXL345 處于IIC 模式通信時(shí)，CS 引腳需要拉高至V_(DD I/O)，使用簡單的2 線式連接。同時(shí)，ALT ADDRESS 引腳若處于高電平，與任一V_(DD I/O)引腳連接，則IIC 地址為0x1D。若ALT ADDRESS引腳接地，則IIC 地址為0x53。

圖1 ADXL345 傳感器IIC 方式連接電路

2.3 CC2530 與AD8221 傳感器連接

為了減輕匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理壓力，數(shù)據(jù)采集后在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和無線傳輸?shù)取?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，加速度換算公式：

無線傳輸階段，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送給上位機(jī)。兩個(gè)CC2530 芯片之間通過ZigBee 模塊進(jìn)行無線傳輸。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。發(fā)送的數(shù)據(jù)包括三軸加速度與肌電信號數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見表1。

3 測試與結(jié)果

本課題實(shí)驗(yàn)，測試者將傳感器佩戴在手臂上進(jìn)行三個(gè)動(dòng)作的測試，一個(gè)是手臂前屈90°，一個(gè)是手臂前屈180°，一個(gè)是手臂外展90°。將肌電傳感器、ADXL345 傳感器以及一個(gè)CC2530 芯片均綁在手臂上，通過ZigBee 協(xié)議與另外一個(gè)CC2530 進(jìn)行通信，再將其通過USB 方式與電腦相連接，進(jìn)行三軸加速度與肌電信號的采集。

采集肌電信號則是通過將電極放置在目標(biāo)肌肉上，通過肌電放大器和數(shù)據(jù)采集卡采集信號。如果有多塊肌肉共同作用，則選取其中最主要的肌肉進(jìn)行采集。由于傳感器數(shù)量有限，往往需要分開采集。手臂前屈時(shí)起主要作用的肌肉是肱二頭肌和喙肱肌。手臂外展時(shí)起主要作用的是三角肌前部纖維和崗上肌。見圖3。

圖3 手臂運(yùn)動(dòng)肌肉群圖

打開串口準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，打開CC2530 芯片上的USB/BAT 開關(guān)將軟件與傳感器串口完成連接。本實(shí)驗(yàn)波特率設(shè)置為32 800 HZ，數(shù)據(jù)位為8。串口連接完成后，點(diǎn)擊打開串口，接收數(shù)據(jù)。測試者由自然垂直的手臂，依次進(jìn)行三項(xiàng)手臂上抬的動(dòng)作測試，均先加速后減速。動(dòng)作結(jié)束后，將串口接收的數(shù)據(jù)換算保存后進(jìn)行分析。

由圖4 至圖6 中三個(gè)動(dòng)作呈現(xiàn)出的加速度值變化曲線發(fā)現(xiàn)，隨著手臂動(dòng)作先加速后減速，三軸加速度值變化符合認(rèn)知規(guī)律。圖4 至圖6 中顯示了肌電信號值在手臂運(yùn)動(dòng)過程中的變化曲線。手臂自然垂直時(shí)，肌電信號值約為1.500 mV。由圖中三個(gè)動(dòng)作呈現(xiàn)出肌電信號曲線變化圖發(fā)現(xiàn)，隨著手臂動(dòng)作先加速后減速，肌電信號值在相應(yīng)情況下也呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢。

圖4 手臂前屈90°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

圖5 手臂前屈180°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

圖6 手臂外展90°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

結(jié)束語

本文論述了采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)芯片CC2530 作為多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主控芯片，通過IIC 通信方式與ADXL345 加速度傳感器相連，同時(shí)結(jié)合肌電傳感器及ZigBee 技術(shù)，完成了可穿戴多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測試證明，該傳感器傳輸可靠性好，系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng)，對保障人民群眾的身體健康、便利患者的日常生活、提升醫(yī)務(wù)人員的工作效率和醫(yī)院的現(xiàn)代化信息化管理水平都有著重要的意義。