基于物聯(lián)網(wǎng)的人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)是信息設(shè)備，通過(guò)高頻檢測(cè)裝置、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光檢測(cè)器和其他信息設(shè)備。根據(jù)約定的協(xié)議，連接到網(wǎng)絡(luò)，交換和通信信息，并進(jìn)行智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)和管理。物聯(lián)網(wǎng)利用無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(有線、無(wú)線)建立連接,而ZigBee便是一種新興的短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),相對(duì)于藍(lán)牙、WIFI等無(wú)線通信技術(shù)而言,其具有低功耗、低延遲、較長(zhǎng)電池壽命等特點(diǎn),在低速率物聯(lián)網(wǎng)中必將扮演非常重要的角色。然而現(xiàn)階段ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究還并不充分。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的家庭環(huán)境下的生命狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)能提供老人日常信息管理、人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、警情報(bào)告等功能,為其與廣域網(wǎng)互連提供了基礎(chǔ)。1用戶生活狀態(tài)檢測(cè)及設(shè)備設(shè)計(jì)ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)和若干個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起一個(gè)網(wǎng)絡(luò),之后的節(jié)點(diǎn)用自組織的方式來(lái)加入,網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是RFD(全功能設(shè)備),該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于傳輸距離較近、環(huán)境干擾大、時(shí)間要求高、數(shù)據(jù)量大的地方。根據(jù)星型網(wǎng)絡(luò)的這一特征,利用CC2430為實(shí)際處理核心設(shè)計(jì)一套以無(wú)線人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)器為節(jié)點(diǎn),以PC機(jī)連接協(xié)調(diào)器為中心控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)字家庭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。人體健康數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程為:無(wú)線人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)器集成FreescaleMMA7260三軸加速度儀,由老年人或殘障人士隨身攜帶,將人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)經(jīng)由射頻端以無(wú)線方式實(shí)時(shí)發(fā)送到協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器通過(guò)解碼方式獲知各個(gè)終端運(yùn)動(dòng)信息后,轉(zhuǎn)發(fā)到PC端服務(wù)程序,為應(yīng)采取的進(jìn)一步救護(hù)措施提供參考。1.1硬件安裝1.1.1cc20及晶振電路中心控制節(jié)點(diǎn)通常具有較強(qiáng)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力,可以把它看做是一個(gè)具有足夠能量、足夠的內(nèi)存資源和計(jì)算能力的增強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)。因此,本文中ZigBee中心控制節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)由CC2430模塊、串口模塊、晶振模塊、電源模塊、液晶顯示模塊、輸入輸出模塊以及發(fā)射天線組成,如圖1所示。CC2430是一種真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高系統(tǒng)性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。CC2430結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一種工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8KB的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊,并且有三種不同的版本,根據(jù)32、64和128KB的閃存空間來(lái)優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。中心控制節(jié)點(diǎn)電路如圖2所示,使用了一個(gè)非平衡天線,若連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C341和電感L341、L321、L331以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成,整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換,R221和R261為偏置電阻,電阻R221主要用來(lái)為32MHz的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。用一個(gè)32MHz的石英諧振器(X1)和兩個(gè)電容(C191和C211)構(gòu)成一個(gè)32MHz的晶振電路。用一個(gè)32.768kHz的石英諧振器(Y5)和兩個(gè)電容(C441和C431)構(gòu)成一個(gè)32.768kHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電,C241和C421電容是去耦合電容,用來(lái)電源濾波,以提高芯片工作的穩(wěn)定性。1.1.2加速度傳感器傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)嵌入式系統(tǒng),由于受到體積、價(jià)格和電源等因素的限制,其數(shù)據(jù)處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力均相對(duì)較弱,通信距離也相對(duì)有限。ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)由CC2430模塊,三軸加速度計(jì)傳感器、晶振模塊、電源模塊、液晶顯示模塊、輸入輸出模塊以及發(fā)射天線組成,如圖3所示。本文將三個(gè)軸向加速度作為研究對(duì)象,節(jié)點(diǎn)選用由美國(guó)Freescale公司推出加速度傳感器MMA7260芯片,該微型電容式加速傳感器融合了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù),并提供了四種加速度測(cè)量范圍,是一款低成本單芯片三軸加速度傳感器。MMA7260傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量三軸低量級(jí)下降、傾斜、移動(dòng)、定位、撞擊和振動(dòng),在本設(shè)計(jì)中采用MMA7260來(lái)測(cè)量人體活動(dòng)時(shí)三維的加速度信號(hào)。MMA7260的輸出信號(hào)分別連接到CC2430的P0.0,P0.1,P0.2三個(gè)I/O口。MMA7260電路原理如圖4所示。1.2終端控制模塊中心控制節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示,其主要功能有:a)不斷監(jiān)測(cè)新設(shè)備的加入,并分配各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的PORT號(hào);b)等待串行端口數(shù)據(jù),將加入網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)終端的復(fù)合格式的數(shù)據(jù),上傳到PC機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù);c)通過(guò)發(fā)送控制指令到指定節(jié)點(diǎn),執(zhí)行對(duì)終端的控制。終端節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖6所示,其主要功能包括:a)初始化各個(gè)部分,加入網(wǎng)絡(luò);b)定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù),判斷姿態(tài)信息,傳送到AP(accesspoint)控制器節(jié)點(diǎn);c)通過(guò)液晶屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;d)執(zhí)行AP的控制命令。1.3佩戴者低加速度檢測(cè)在人體姿態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中,重力將成為影響各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程的主要因素。比如在摔倒過(guò)程中,對(duì)象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。如果能夠通過(guò)一定的方法,對(duì)使用者的摔倒?fàn)顟B(tài)進(jìn)行建模并提取對(duì)象加速度、速度和位移三個(gè)方面的特征,就能夠利用這些參數(shù)對(duì)使用者的身體姿態(tài)進(jìn)行分析。如圖7所示建立直角坐標(biāo)系,X、Y、Z軸相互正交,任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y、Z三個(gè)方向上的分量變化。不失一般性,使用者如圖7所示情況,正確佩戴摔倒探測(cè)器且處于靜止或水平勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,Z軸方向的加速度為重力加速度(g),其他兩個(gè)方向上加速度為0。當(dāng)佩戴者發(fā)生摔倒時(shí),如果僅考慮初始狀態(tài)和最終狀態(tài)就可以發(fā)現(xiàn),理想情況下Z軸分量發(fā)生從最大值(1g)變化為0,而X或Y軸的分量則從0變化為最大(1g),具體是X軸還是Y軸發(fā)生這一變化,則由佩戴者摔倒后的姿態(tài)決定:平臥為X軸變化,側(cè)臥為Y軸變化。如果身體姿態(tài)介于平臥和側(cè)臥之間,則X和Y軸的加速度分量將滿足X2+Y2???????√=1gX2+Y2=1g(站立情況下這個(gè)矢量和為0),仍然能夠通過(guò)計(jì)算分析得出與站立不同的加速度分布。但是在實(shí)際情況中,僅根據(jù)加速度分量的改變很難分辨臥倒姿態(tài)的形成原因,容易出現(xiàn)很多假陽(yáng)性(檢測(cè)到摔倒而實(shí)際沒(méi)有摔倒)或假陰性(未檢測(cè)到摔倒而實(shí)際出現(xiàn)摔倒)。因此,需要算法作進(jìn)一步改進(jìn),盡可能降低假陰性和假陽(yáng)性率。一般來(lái)說(shuō),假陽(yáng)性情況可以通過(guò)對(duì)加速度在時(shí)間域進(jìn)行一次積分求速度、兩次積分求位移的方式,全方位分析佩戴者身體姿態(tài)變化加以篩選;而假陰性情況除采用上面的全面姿態(tài)分析外,還需要佩戴者自主參與(觸發(fā)報(bào)警按鍵)才能有效提高檢出效率。因此,建立人體摔倒過(guò)程的運(yùn)動(dòng)模型,提取摔倒過(guò)程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)是準(zhǔn)確檢測(cè)摔倒并發(fā)布報(bào)警信息的關(guān)鍵。MMA7260QT加速度傳感器能夠測(cè)量載體在X、Y、Z三個(gè)方向上的加速度參數(shù),通過(guò)計(jì)算其對(duì)時(shí)間的一次和兩次積分便能夠從加速度、速度和位移三個(gè)方面獲取物體姿態(tài)變化的具體信息。參照摔倒檢測(cè)算法,如果發(fā)現(xiàn)研究對(duì)象出現(xiàn)摔倒動(dòng)作時(shí),通過(guò)一定的報(bào)警處理機(jī)制,便能夠?qū)崿F(xiàn)使摔倒者及時(shí)獲得救助。2側(cè)臥狀態(tài)的電壓區(qū)間測(cè)量本文將MMA7260加速度傳感器的實(shí)測(cè)電壓劃分為(0.1~0.6,0.7~1.1,1.2~2.1,2.2~3.5)四個(gè)利用模糊值來(lái)確定的經(jīng)驗(yàn)值區(qū)間,當(dāng)X、Y、Z分別處于某一區(qū)間時(shí),確定一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這種區(qū)間劃分相對(duì)不是很準(zhǔn)確,因此利用MATLAB對(duì)狀態(tài)采樣值進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和精確計(jì)算。首先分別對(duì)預(yù)先設(shè)定的8個(gè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)作了20組電壓值數(shù)據(jù)的采樣,8個(gè)狀態(tài)分別為:站立、右側(cè)臥、左側(cè)臥、俯臥、平躺、慢跑、摔倒、倒立(其他狀態(tài)均作為未知狀態(tài)處理),然后分別將三個(gè)軸向的電壓值分別以X、Y、Z軸的順序輸入。站立狀態(tài)的數(shù)據(jù)輸入后其結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所采用的站立狀態(tài)的X、Y、Z軸電壓區(qū)間分別為1.2≤X≤2.1,1.2≤Y≤2.1,2.2≤Z≤3.5。而采用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)分析后的結(jié)果如圖8所示,X軸電壓采樣值位于1.5≤X≤1.7之間,Y軸電壓采樣值位于1.6≤Y≤1.9之間,Z軸電壓采樣值位于2.9≤Z≤3.0之間。在99%以上的情況下,各個(gè)軸向的電壓采樣值都是處于這個(gè)區(qū)間之內(nèi),因此,利用這個(gè)原理對(duì)多設(shè)備進(jìn)行多時(shí)間段采樣綜合分析,來(lái)判定出最準(zhǔn)確、失真率最低的電壓區(qū)間值。由于在采集側(cè)臥狀態(tài)時(shí)受到一切微小動(dòng)作的干擾,使X軸向的電壓變化相對(duì)較大,用這個(gè)方法在判斷非完全靜止的狀態(tài)時(shí)會(huì)受到很大的外部因素的影響。經(jīng)過(guò)MATLAB計(jì)算得到的其他幾種狀態(tài)的電壓區(qū)間對(duì)比如表1所示。3測(cè)試結(jié)果本文方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警等系統(tǒng)功能。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)傳輸速率可達(dá)毫秒級(jí),能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求;有效傳輸距離為20m左右,足夠支持家庭及敬老院等社區(qū)環(huán)境。系統(tǒng)對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的判斷準(zhǔn)確率為99%,而對(duì)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者突發(fā)性的狀態(tài)的判斷稍微欠佳,約為84%,這是因?yàn)樵谂袛噙\(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者突發(fā)性狀態(tài)時(shí),受到較多外界因素的影響。通過(guò)MATLAB對(duì)八種狀態(tài)的電壓值數(shù)據(jù)分析和研究,相對(duì)于預(yù)先設(shè)定的電壓值范圍,經(jīng)過(guò)MATLAB分析后的電壓值區(qū)間更加的精確,而且也驗(yàn)證了通過(guò)判斷MMA7260加速度傳感器電壓值變化來(lái)確定狀態(tài)變化這種方法的正確性。筆者認(rèn)為,以下三個(gè)方面內(nèi)容仍需進(jìn)一步研究:a)考慮更多的外部