基于無線微慣性傳感器的人體運(yùn)動信息獲取系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用.pdf

1、隨著中國老齡化人口的日漸增多,老年人的護(hù)理監(jiān)護(hù)變得尤為重要。因為老年人的跌倒往往會造成帶來一系列并發(fā)癥,使得他們的生活質(zhì)量嚴(yán)重下降,其康復(fù)恢復(fù)也將耗費(fèi)大量人力物力。對于采取運(yùn)動理療的病人,對他們的運(yùn)動監(jiān)護(hù)和運(yùn)動參量的量化監(jiān)控也是變得非常重要。運(yùn)動監(jiān)護(hù)能夠為醫(yī)生,特別是康復(fù)工程醫(yī)生提供有價值的診斷信息。臨床的某些康復(fù)和疾病需要進(jìn)行運(yùn)動干預(yù),而運(yùn)動干預(yù)的過程和效果也需要進(jìn)行一定的量化評估?，F(xiàn)有的技術(shù)手段有很多可以評估人體運(yùn)動情況和進(jìn)行運(yùn)動監(jiān)

2、護(hù)。比如基于計算機(jī)視覺的跟蹤監(jiān)控,運(yùn)動捕捉系統(tǒng),甚至有基于聲音檢測的運(yùn)動監(jiān)護(hù)方法,但這些技術(shù)手段明顯具有成本高,計算復(fù)雜度大,設(shè)備體積龐大,而且一般只有少數(shù)專業(yè)的實(shí)驗室才可能配置。
　　 隨著MEMS(Micro-Electro-Mechanical)技術(shù)的進(jìn)步,加速度,陀螺儀,磁力計等慣性傳感器的體積正變得越來越小,靈敏度和信噪比越來越高,功耗和成本也大大的下降。結(jié)合無線數(shù)據(jù)通信技術(shù),可做成無線穿戴式設(shè)備,形成一個具有運(yùn)動信息

3、感知能力的人體傳感器網(wǎng)絡(luò),能夠長時間地對人體運(yùn)動進(jìn)行監(jiān)測,為醫(yī)生提供豐富的運(yùn)動生理信息。而其無線穿戴式的特點(diǎn),在未來加上網(wǎng)絡(luò)技術(shù),遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療及監(jiān)護(hù)也可成為現(xiàn)實(shí)。由于硬件成本的不斷降低,這種技術(shù)的普適性也在不斷加強(qiáng),其為大規(guī)模健康數(shù)據(jù)樣本的獲取提供了新途徑。
　　 基于上述研究背景,本文以非視頻獲取人體運(yùn)行信息為主要設(shè)計思想,采用TI的低功耗芯片MSP430為控制器設(shè)計了集成加速度計,陀螺儀,磁力計具有9軸慣性數(shù)據(jù)的無線微型傳感

4、器人體運(yùn)動獲取系統(tǒng)。加速計采用了芬蘭VTI公司生產(chǎn)的SCA3000系列,能夠測量空間三維方向的直線加速度大小,范圍可達(dá)正負(fù)4g,完全能夠測量人體運(yùn)動產(chǎn)生的加速度。它通過SPI口將數(shù)字量化好的數(shù)據(jù)輸入到節(jié)點(diǎn)的MCU上。而MEMS陀螺儀則使用一個雙軸陀螺儀和單軸陀螺儀的方案來組合一個3維陀螺儀,可以同時測量空間方位三個方向上的旋轉(zhuǎn)角速度向量值,其分別采用的是Invensense公司生產(chǎn)了IDG,ISZ系列陀螺儀,其輸出為模擬電壓值,需要經(jīng)過

5、MCU進(jìn)行數(shù)字量化。磁力計采用了是PNI的Micro3系列模塊,具有SPI口的數(shù)字化輸出,大大降低系統(tǒng)的開發(fā)難度。這三組傳感器的數(shù)據(jù)組合在一起可以更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動。系統(tǒng)電源方案則采用了與節(jié)點(diǎn)外形一樣,附有鋰電池的圓形充電電路板為節(jié)點(diǎn)上的高PSRR穩(wěn)壓電源芯片TPS719提供外部電源輸入,從而為整個節(jié)點(diǎn)板提供穩(wěn)定高效的電源。同時,節(jié)點(diǎn)的上的nR2905射頻芯片外接了PCB板環(huán)形天線將高頻信號以電磁波的形式輻射出去。整個圓

6、形節(jié)點(diǎn)的直徑只有23mm,并具有電源和SPI口數(shù)據(jù)擴(kuò)展接口,具有體積小,可擴(kuò)展性強(qiáng),佩戴低負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的無線工作頻段在900M到930MHz之間。配套的無線基站則負(fù)責(zé)接收來自節(jié)點(diǎn)的無線慣性節(jié)點(diǎn)信號?；镜脑O(shè)計也是以MSP430系列單片機(jī)和nRF905射頻芯片為中心,具有COM口數(shù)據(jù)輸出接口。MCU的負(fù)責(zé)控制射頻芯片nRF905收發(fā),并根據(jù)PC機(jī)從COM口發(fā)送過來的配置指令進(jìn)行闡釋,設(shè)置射頻芯片工作模式和轉(zhuǎn)發(fā)這些配置指令給節(jié)點(diǎn)。在后期

7、的基站硬件改進(jìn)升級中添加了USB轉(zhuǎn)UART模塊,為基站配置了USB數(shù)據(jù)接口,改進(jìn)計算機(jī)接口的普適性,也縮小的基站的體積大小。
　　 系統(tǒng)的軟件部分分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)板與基站板上的MCU對射頻芯片的收發(fā)控制以及數(shù)據(jù)的接受存儲,節(jié)點(diǎn)-基站之間的通信交互控制實(shí)現(xiàn)。在多節(jié)點(diǎn)傳感器使用中,中心節(jié)點(diǎn)還必須承擔(dān)廣播信息與協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)工作的功能。上位機(jī)軟件則負(fù)責(zé)對RS232串口上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時解析,保存與波形顯示

8、工作,并提供通信交互界面來配置節(jié)點(diǎn),補(bǔ)發(fā)丟失數(shù)據(jù)包作用。采集數(shù)據(jù)時,節(jié)點(diǎn)會把數(shù)據(jù)發(fā)送之后備份到片上Flash上,后續(xù)數(shù)據(jù)處理時,上位機(jī)軟件通過線性掃描實(shí)時傳輸保存的數(shù)據(jù)文件將實(shí)時發(fā)送中丟失的數(shù)據(jù)包號發(fā)送到基站,基站再通過協(xié)議把丟失的包號發(fā)送給節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)MCU在接受到丟失包號請求重發(fā)命令后會在Flash進(jìn)行二叉法查詢數(shù)據(jù),向基站發(fā)送沒有發(fā)送成功的數(shù)據(jù)。軟件采用MFC面向?qū)ο蠓绞骄帉?具有高擴(kuò)展性,可在程序添加需要的數(shù)據(jù)處理模塊。
　

9、　 本文所采用的數(shù)據(jù)為慣性傳感器件所產(chǎn)生,為驗證系統(tǒng)的正確性以及評估系統(tǒng)噪聲對數(shù)據(jù)正確性的影響,必須對器件進(jìn)行相關(guān)校準(zhǔn)。本文對加速度計采用了重力場校準(zhǔn),將節(jié)點(diǎn)固定在精密刻度盤上并以5度遞增傾斜來獲得每個傾斜角度的數(shù)據(jù),試驗結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均值能輸出與節(jié)點(diǎn)的重力加速度輸入保持較好的線性度。由于試驗條件的有限性,1g外的系統(tǒng)測試有待于后續(xù)工作的展開。陀螺儀數(shù)據(jù)的驗證校準(zhǔn)則借助于精密轉(zhuǎn)臺,將其固定在精密轉(zhuǎn)臺后以50度/秒的遞增轉(zhuǎn)速獲得部分

10、標(biāo)定數(shù)據(jù),試驗結(jié)果表明在正負(fù)700度/秒的范圍內(nèi),系統(tǒng)陀螺儀的輸入輸出能滿足一定的線性度。兩個實(shí)驗表明系統(tǒng)的參數(shù)測量具有一定的準(zhǔn)確度。
　　 利用本文采集到佩戴者的頭部加速度信號,本文成功開發(fā)了基于身體運(yùn)動信號輸出的非常規(guī)交互游戲一套。游戲采用了著名開源游戲引擎ppracer進(jìn)行編寫。佩戴在頭部的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時捕獲到頭部移動的加速度信號,并將其實(shí)時發(fā)送到基站和計算機(jī)上。上位機(jī)進(jìn)行簡單的FIR濾波后從時域提取特征值進(jìn)行聯(lián)合閾值判斷

11、頭部運(yùn)動情況(左右,靜止),將運(yùn)動情況反映到游戲輸入端,完成游戲的非常規(guī)交互過程。該應(yīng)用旨在為各種自主運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練理療提供一種新的引導(dǎo)方式。運(yùn)用本文所設(shè)計的平臺,還可以進(jìn)行跌倒運(yùn)動監(jiān)護(hù)。通過檢測加速計,陀螺儀瞬間產(chǎn)生的波峰信號以及加速計的重力場翻轉(zhuǎn),長時間靜止來進(jìn)行跌倒監(jiān)護(hù)。最后,本文還簡要介紹了運(yùn)動重建的情況。
　　 完成好上述系統(tǒng)平臺搭建工作后,配合項目組其他成員開發(fā)的足底壓力采集平臺,本文成功了采集到8例帕金森等運(yùn)動異?；?/p>