摘要：可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)可方便地實現(xiàn)人體的運動姿態(tài)檢測以及運動功能評估。本系統(tǒng)采用高集成度慣性傳感器及近距離無線通信技術(shù)構(gòu)建體感網(wǎng)，同步采集人體多個部位加速度和角速度信號，實現(xiàn)可穿戴的多節(jié)點運動監(jiān)測。系統(tǒng)可應(yīng)用于與人體運動功能相關(guān)的研究，如帕金森病人運動功能評估等。

　　引言

　　本文設(shè)計實現(xiàn)了包含5個傳感器節(jié)點的可穿戴運動監(jiān)測系統(tǒng)。通過將傳感器節(jié)點置于被試者的雙腳腳踝、雙手手腕和腰部，采集人體運動過程中的加速度和角速度等運動信號。此后，將采集到的信號上傳至上位機，進行數(shù)據(jù)分析，計算與運動功能相關(guān)的運動參量，比如步態(tài)、平衡能力等。

　　本系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣，例如：可用于運動障礙疾病的病情評估和監(jiān)護，如帕金森、腦卒中等疾??；可用于運動員運動動作分析，科學(xué)指導(dǎo)運動員訓(xùn)練。

　　1 系統(tǒng)方案總述

　　系統(tǒng)由PC機、1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和5個終端節(jié)點組成(見圖1)。

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點：通過USB口與PC機相連，采用串行通訊協(xié)議與上位機進行命令和數(shù)據(jù)通信；通過近距離無線通信方式與各終端節(jié)點進行命令和數(shù)據(jù)通信。

　　終端節(jié)點：負責數(shù)據(jù)的采集、存儲和上傳。通過繃帶固定在人體特定部位。待機情況下各個節(jié)點處于無線接收狀態(tài)，等待接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點的廣播命令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集和存儲。

　　用戶通過PC機軟件發(fā)出命令，系統(tǒng)根據(jù)命令運行。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，PC機發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，使網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過點對點輪詢的方式依次將數(shù)據(jù)傳至上位機并保存。本文主要介紹網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點構(gòu)成的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1 終端節(jié)點設(shè)計

　　終端節(jié)點采用TI公司的超低功耗單片機MSP430F149作為主控單元，采用MPU6050六軸慣性傳感器檢測加速度和角速度信號，選用Nordic公司的NRF24L01作為無線通信模塊，可以實現(xiàn)30米的有效通信距離。采用3.7V鋰電池供電，經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后系統(tǒng)工作電壓3.0V(見圖2)。核心模塊的詳細介紹如下。

　　(1)主控模塊采用MSP430F149作為控制中心，負責整個系統(tǒng)各部分功能的協(xié)調(diào)和控制。除了其在8MHz時鐘下運行時300μA左右的超低工作電流，同時還還提供了兩個定時器A和B，2個UART和SPI復(fù)用的異步串行通信接口、48個I/O口、完全滿足系統(tǒng)對接口資源的需求。此外MSP430F149 的60KB片內(nèi)Flash 和2KB的SRAM完全滿足本系統(tǒng)對程序存儲和數(shù)據(jù)交換的空間需求。

　　(2)電源模塊，網(wǎng)關(guān)節(jié)點由5.0V USB口供電，經(jīng)TLV70033低壓差線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)成3.3V供系統(tǒng)使用。終端節(jié)點由3.7V鋰電池供電，通過TLV70030進行穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)成3.0V供系統(tǒng)使用。

　　(3)傳感器模塊采用MPU6050六軸慣性傳感器，其突出優(yōu)勢在于整合了三軸加速度計和三軸陀螺儀，不僅免去了組合二者的軸間差問題，還大大降低了封裝空間，為便攜式或可穿戴設(shè)備提供了最小包裝體積。

　　(4)存儲模塊采用W25Q256高速Flash，在傳感器50Hz的采樣率下，可以連續(xù)存儲約15.5個小時數(shù)據(jù)。

　　(5)無線通信模塊采用NRF24L01無線通信芯片，最高2Mbps的通信速率、30米的通信距離、6個接收通道以及SPI接口，非常方便系統(tǒng)開發(fā)。

　　2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要由四部分組成：電源模塊、MCU主控模塊、無線通信模塊、串口通信模塊。其中電源模塊、主控模塊和無線通信模塊與終端節(jié)點的核心芯片一樣，硬件原理一致，不再贅述。串口通信模塊采用PL2303將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與PC機的通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過5.0伏USB口供電，經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后系統(tǒng)電壓為3.3V。

　　3 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件部分分為網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計，終端節(jié)點軟件設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點程序分為主程序和中斷服務(wù)程序。

　　3.1.1 主程序

　　上電后，主程序進行各模塊初始化，包括時鐘初始化、串口配置、開啟總中斷、無線通信配置為發(fā)送模式，進入主循環(huán)。在主循環(huán)中通過判斷命令標志位ComFlag來執(zhí)行相應(yīng)的操作。當ComFlag為“1”、“2”和“3”時，通過無線模塊以廣播形式分別發(fā)送“開始”、“結(jié)束”和“擦除”命令，之后標志位ComFlag置0，繼續(xù)主循環(huán)。當ComFlag為“4”時，通過無線模塊發(fā)送“上傳”命令，之后切換無線收發(fā)狀態(tài)為接收模式，開始接收終端節(jié)點數(shù)據(jù)。流程圖如圖4所示。

　　無線數(shù)據(jù)接收流程為：無線通信切換成接收模式，數(shù)據(jù)按照“幀”格式接收，為了保證數(shù)據(jù)的有效性，對每一幀數(shù)據(jù)進行校驗。每幀數(shù)據(jù)包含30字節(jié)有效數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)幀尾添加1位校驗位。采用奇偶校驗法，在接收到一幀數(shù)據(jù)后，將前30字節(jié)數(shù)據(jù)按位想加，判斷和的奇偶，并與終端節(jié)點計算的數(shù)據(jù)幀校驗位結(jié)果進行對比，若校驗一致，則去除校驗位，將有效數(shù)據(jù)通過串口上傳至PC機，并進行數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)的統(tǒng)計，然后向終端節(jié)點發(fā)送“success”，通知終端節(jié)點當前數(shù)據(jù)幀接收成功。若校驗不一致，則發(fā)送“fail”，通知終端節(jié)點重新發(fā)送當前數(shù)據(jù)幀。終端節(jié)點在采集存儲數(shù)據(jù)時候會記錄數(shù)據(jù)個數(shù)，在收到“上傳”命令后首先發(fā)送數(shù)據(jù)個數(shù)，用以進行數(shù)據(jù)上傳結(jié)束的判斷。當接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)與采集的個數(shù)一致時數(shù)據(jù)上傳結(jié)束，流程如圖5所示。

　　3.1.2 中斷程序

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過串口中斷來進行上位機命令的識別。當通過串口接收到字符串之后，進入串口中斷，在串口中斷服務(wù)程序里，首先進行命令字符串的匹配，然后給命令標志位ComFlag賦值，如圖6所示。

　　3.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計

　　3.2.1 主程序

　　上電，進行時鐘模塊、定時器模塊、SPI接口、IIC接口以及無線通信模塊的初始化配置，將無線通信模塊配置為接收模式，然后進入主循環(huán)。在主循環(huán)中通過判斷標志位“ComFlag”來執(zhí)行相應(yīng)的操作。當ComFlag為“1”時，打開定時器中斷，讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入Flash。當ComFlag為“2”時，關(guān)閉定時器中斷，停止數(shù)據(jù)采集。當ComFlag為“3”時將Flash數(shù)據(jù)全部擦除。當ComFlag為“4”時進入無線發(fā)送狀態(tài)，將數(shù)據(jù)從Flash讀出并發(fā)送。詳見圖6。

　　3.2.2 無線接收中斷服務(wù)程序

　　當接收無線數(shù)據(jù)時，通過“IRQ”引腳可觸發(fā)單片機外部中斷。在中斷服務(wù)程序中進行無線命令字符串的匹配，并給標志位ComFlag賦值。當接收到上傳命令后會進行ID匹配，與本機地址一致時，將ComFlag賦值。此部分的程序流程與網(wǎng)關(guān)節(jié)點的中斷服務(wù)程序流程基本一樣，請參考圖5。

　　3.2.3 定時器中斷服務(wù)程序

　　當收到“開始”命令后，打開定時器中斷，開始讀取傳感器數(shù)據(jù)，每次讀取為12字節(jié)數(shù)據(jù)，在讀取后將數(shù)據(jù)寫入Flash，記錄Flash地址。用Flash寫入的最終地址減去初始地址進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。具體見圖7。

　　3.2.4 無線數(shù)據(jù)發(fā)送流程

　　與網(wǎng)關(guān)節(jié)點的接收流程對應(yīng)，終端節(jié)點進入無線發(fā)送狀態(tài)后，從Flash中讀取30字節(jié)數(shù)據(jù)，按位相加，將和的奇偶性作為校驗標志，添加至每幀數(shù)據(jù)尾部，打包發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。進入無線接收狀態(tài)，等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點應(yīng)答信號，若收到“Success”則表示當前幀發(fā)送成功，繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，若收到“Fail”則需重新發(fā)送當前數(shù)據(jù)幀。每幀數(shù)據(jù)發(fā)送成功后Flash地址增加。當Flash讀取到記錄的最終地址時候表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。詳見圖8。

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　無線通信模塊負責網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點間命令的廣播和數(shù)據(jù)的傳輸，是本系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的配置是體感網(wǎng)的設(shè)計的關(guān)鍵。

　　NRF24L01擁有6個接收通道0-5，可以同時接收6路數(shù)據(jù)，每個接收通道擁有獨立的接收地址。用NRF24L01實現(xiàn)“開始”、“結(jié)束”和“擦除”命令的廣播傳輸以及“上傳”命令的定點傳輸，需要配置每個節(jié)點的本機地址及接收通道地址，這是無線通信模塊的關(guān)鍵設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖9所示。

　　通過終端節(jié)點地址和網(wǎng)關(guān)節(jié)點地址的配置來進行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。每個終端節(jié)點的通道1接收地址跟網(wǎng)關(guān)節(jié)點本機地址一致，實現(xiàn)命令的廣播發(fā)送和接收，從而保證每個終端節(jié)點的同步性。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的通道1-5接收地址分別跟五個終端節(jié)點的本機地址一一對應(yīng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳時候的點對點輪詢傳輸，用5個接收通道可以避免網(wǎng)關(guān)接收地址的切換配置，提高數(shù)據(jù)接收效率。

　　4 系統(tǒng)實驗測試

　　如圖所示，將系統(tǒng)節(jié)點佩戴在人體雙腳腳踝、雙手手腕和腰部進行實驗。

　　測試者完成十米折返行走實驗。測試者首先靜止站立，然后直線行走約10米，到達折返點后靜止站立一段時間，然后轉(zhuǎn)身，再靜止一段時間，之后正常行走至出發(fā)位置。實驗數(shù)據(jù)采用Matlab軟件進行濾波平滑。圖12和圖13反映了左腳腳踝傳感節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)。

　　從圖12和13中可以明顯看到加速度和角速度信號能夠有效反映被試者的步態(tài)周期性，可計算步數(shù)，腳的邁步時間等信息。

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，性能指標可以滿足人體運動信號的采集要求。該系統(tǒng)目前已經(jīng)被蘇州大學(xué)第二附屬醫(yī)院用于進行帕金森患者的運動功能評估研究。

　　參考文獻：

　　[1]張燕輝，陳彪.運動功能檢測對帕金森病早期診斷的意義[J].腦與神經(jīng)疾病雜志，2005，13(2)：155-156

　　[2]黃棉波.基于無線微慣性傳感器的人體運動信息獲取系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[D].廣州：南方醫(yī)科大學(xué)，2011

　　[3]孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社有限公司，2005

　　[4]曹玉珍，蔡偉超，程旸.基于 MEMS 加速度傳感器的人體姿態(tài)檢測技術(shù)[J].納米技術(shù)與精密工程，2010(1)：37-41

　　[5]王粉花，年忻，郝國梁，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生命狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用研究，2010 (9)： 3375-3377

　　[6]錢朋安，葛運建，唐毅，等.加速度計在人體運動檢測中的應(yīng)用[C].

　　全國第16屆計算機科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用(CACIS)學(xué)術(shù)會議論文集.2004

　　[7]Salarian A，Russmann H， Vingerhoets F J G，et al.Gait assessment in Parkinson‘s disease： toward an ambulatory system for long-term monitoring[J].Biomedical Engineering，IEEE Transactions on，2004，51(8)：1434-1443

　　[8]Simoes M A.Feasibility of Wearable Sensors to Determine Gait Parameters[D].University of South Florida， 2011

　　[9]King L A，Salarian A，Mancini M，et al.Exploring outcome measures for exercise intervention in people with Parkinson’s disease[J].Parkinson’s Disease，2013