基于CC3200的Wi-Fi无线组网式跌倒检测系统※

高天星, 赵旭强, 马忠梅

(北京理工大学 计算机学院，北京 100081)



基于CC3200的Wi-Fi无线组网式跌倒检测系统※

高天星, 赵旭强, 马忠梅

(北京理工大学 计算机学院，北京 100081)

摘要:TI公司的CC3200是一款基于ARM Cortex-M4处理器核的微控制器，是TI SimpleLink产品线上的一员，其具有既方便又强大的Wi-Fi网络通信能力。本文利用CC3200这些特性，结合MMA7260加速度传感器，设计了一种新型的以Wi-Fi作为组网模式的无线加速度检测系统，其主要应用方向为检测人的跌倒等情况。

关键词:CC3200；Wi-Fi；跌倒检测

引言

近些年来，由于智能移动设备的飞速发展，Wi-Fi这种无线互联技术被广泛应用在各种各样的生活场景中，如办公室、咖啡厅、校园、家庭等。因此，使用Wi-Fi技术，可以以最方便快捷的方式接入到互联网，或与其他智能移动设备互联。在这一背景下，衍生了许多具有Wi-Fi能力的MCU，使用它们可以方便地实现物理控制功能，进行物理数据的采集。此外，通过Wi-Fi以无线的方式向智能终端传递数据，可以获得更好的交互效果。

SimpleLink Wi-Fi CC3200是由TI公司研制的低功耗MCU平台，SimpleLink Wi-Fi技术可以方便地编写运行在CC3200上的Wi-Fi数据传输程序，大大降低了过去将MCU与Wi-Fi结合开发的复杂度与成本。CC3200芯片上有丰富的资源可供使用，因此将其作为开发平台，自制了一套无线加速度传感器采集系统，通过对加速度的实时监控，可以方便地检测出老年人是否意外摔倒。

1平台介绍

1.1Simplelink Wi-Fi CC3200

CC3200是内置 Wi-Fi模块的微控制器，TI专为物联网的开发与应用设计了这块集成芯片。在这块芯片上集成了高性能的ARM Cortex-M4处理器内核和Wi-Fi网络处理器，CC3200的网络通信能力稳定可靠，并拥有完整的安全协议。不仅如此，CC3200平台还提供了完整的开发软件、开发样例、调试工具与文档，是十分理想的开发平台[1]。

ARM Cortex-M4处理器的运行频率为80 MHz，并外接多种外设，包括快速并行接口、SPI、UART串口、ADC模块等。芯片中的ROM存储了相关外设驱动程序。此外，CC3200的网络处理子系统包含一个802.11b/g/n射频模块,以满足各频段Wi-Fi的连接需要。而在网络处理芯片的软件部分，其内置了TCP/IP等协议栈，极大方便了接入互联网的软件操作。

1.2MMA7260加速度传感器

MMA7260是一款低功耗、低成本的高灵敏加速度传感器。通过调整芯片，选择性地输入电平，可以设定4种不同的高灵敏度模式，这些模式以加速度量程区分，包括±1.5 g、±2 g、±4 g 和±6 g，在1.5 g范围内，敏感度可以达到800 mV/g。另外它体积非常小，采用6 mm×6 mm×1.45 mm QFN 封装，并拥有睡眠模式以节电。以上这些特性，让MMA7260非常适合运用于以电池供电的手持设备上[2]。

TI-RTOS是由TI开发的可裁减嵌入式实时操作系统，此操作系统是在一个名为SYS/BIOS的实时多线程内核基础之上构建的，提供了实时多任务抢占式调度机制，并包含了硬件抽象和实时性能分析，可以有效地优化目标机的内存和CPU使用。在内核层之上，TI-RTOS不仅提供了一套设备驱动，还附加了诸如文件系统、网络层等组件，使开发者可以将精力集中在应用的开发上[3]。

2系统设计

2.1网络拓扑

系统的整体网络拓扑如图1所示，作为数据的接收方和交互终端由Android智能设备担任，其可以是智能手机、平板等，目前携带无线网卡的Android智能设备，均可以在系统设置中开启共享网络选项，使设备变为一个无线热点，令其他同样采用802.11标准的无线设备可以接入。

图1　系统网络拓扑

因热点AP具有一对多的连接能力，本系统采取了两个接有MMA7260传感器的CC3200作为Station接入热点AP。而当选取的智能设备拥有3G上网能力时，甚至可以将数据通过3G网络传入位于因特网的云端，令其他观测者获取。采用这一拓扑结构有以下优点：

① 采用双CC3200，极大提高了采集数据的稳定性与容错性,即使一台设备宕机或断开连接，另一台也可以正常工作。

② 使系统可携带。通常情况下，AP热点由无线路由器担任，但是对于摔倒检测，始终令用户随身携带无线路由是不现实的，而诸如手机等智能设备是方便携带的。由MMA7260与CC3200组成的传感器设备体积小，可以将其别在衣物上以便使用。

2.2接口连接

MMA7260与CC3200的连接方式如图2所示，接入3.3 V电压并令Sleep引脚保持高电平。g-Select1与g-Select2引脚悬空，表示选择模式00，即为量程1.5g模式。此外，图2中用到了6个10 kΩ电阻，这些电阻起到调整电压的作用。CC3200的ADC引脚P58、P59、P60的输入电压范围为1.5 V，如果超过这个电压值，ADC模块将不会检测到电压变化，始终判定为1.5 V[4]，而MMA7260的输出电压可以达到2.85 V，使用电阻并联后输入电压减少至一半，即可正常检测传感器数据。

图2　MMA7260与CC3200连接图

2.3软件设计

应用部署在TI-RTOS上，利用TI-RTOS的多线程能力，可以将运行在CC3200微控制器上的软件分为采集任务、网络任务、发送任务。其中，采集任务用来驱动ADC接口，收集由MMA7260传感器得到的三轴加速度数据；网络任务用于在CC3200启动时与Android设备AP建立连接；而发送任务用于将采集的数据发送给AP。

当MCU启动后，会由TI-RTOS创建3个线程，分别运行以上描述的3个任务，在这3个线程中，网络连接的优先级最高，因为连接网络的操作是整个检测系统的运行基础。采集任务和数据发送任务同步运行，由ADC采集到的三轴加速度数据存储在公共缓冲区中，数据发送任务从公共缓冲区提取数据，并通过TCP/IP协议以数据包形式发送。

同样，在Android设备AP上运行接收程序，这一程序周而复始地运行，采集从MCU设备传送过来的数据，并将数据进行解析处理显示在屏幕上。如果设备支持3G网络，可以同时将数据上传到物联网云平台，以支持远程设备监视。

3软件实现

3.1采集任务

CC3200提供了API以供开发者调用，所以可以很容易地获取到CC3200的采集数据。

CC3200的ADC模块的内存映射地址由DriverLib给出，本程序使用到的符号分别为ADC_BASE基地址、ADC_CH_1、ADC_CH_2、ADC_Ch1偏移地址。使用前对ADC模块进行初始化，代码如下：

MAP_ADCTimerConfig(ADC_BASE,2^17);

MAP_ADCTimerEnable(ADC_BASE);

MAP_ADCEnable(ADC_BASE);

MAP_ADCChannelEnable(ADC_BASE, ADC_CH_1);

首先使用MAP_ADCTimerConfig与MAP_ADCTimerEnable函数对ADC模块的定时器进行设置与使能，这里使能了全部17个位作为时间戳的长度，并使用MAP_ADCChannelEnable使能ADC通道。

ADC模块的采样数据存储于ADC模块的FIFO数据寄存器中，在其32位的长度中，2～13位为采样数据，使用DriverLib中提供的MAP_ADCFIFORead函数即可获取相应通道FIFO数据寄存器的long型数值。之后，将采样的X、Y、Z轴的数值向右移2位，并用掩码去掉时间戳等多余信息，按照电压比换算，进一步转换为电压值，存储在全局数组中，以供发送程序采集使用。

3.2网络任务

网络任务按顺序共分为3部分：第一部分在SimpleLink软件层，将相关的网络器件状态调整为默认态，并调用sl_Start函数以就绪设备；第二部分为连接部分，使用函数sl_WlanConnect进行对AP的连接，将AP的SSID作为参数传入；第三部分将设置一个循环来监听g_ulStatus的状态，当g_ulStatus同时满足已获取IP和网络已连接状态，说明网络已成功连接，跳出循环使程序继续运行。

3.3发送任务

发送任务程序采用TCP/Socket实现，MCU端作为TCP Client，首先连接运行位于AP设备上的TCP Server。使用SlSockAddr_t结构体存储TCP Server的IP地址与端口号，并在调用连接函数sl_Connect时作为参数传入。

数据发送代码如下：

while (1){

sprintf(g_cBsdBuf, " x: %f y: %f z: %f ",

(((float)((pulAdcSamples1[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096,

(((float)((pulAdcSamples2[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096,

(((float)((pulAdcSamples3[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096);

// sending packet

iStatus = sl_Send(iSockID, g_cBsdBuf, 38, 0 );

}

因sl_Send每次只能发送一个数据包，故使用while循环来发送多个数据包，iSockID为建立特定Socket连接后提供的标识符，g_cBsdBuf和sTestBufLen为发送数据的缓冲区和发送长度。

3种任务通过函数的形式封装，并使用由TI-RTOS提供的osi_TaskCreate对任务进行注册，待系统启动时，操作系统会自动调度3种任务。优先级最高的网络任务优先执行，待其结束后，优先级稍低的采集任务和发送任务开始执行，两种任务都是常驻的循环程序，所以需要在它们的循环中调用osi_Sleep函数使任务停转，以保证另一任务可以抢占，让多任务可以并行。在微控制器上运行的所有程序的流程图如图3所示。

图3　软件整体流程图

3.4接收模块

接收模块程序在Android智能终端上实现，将其作为Android应用来实现，当应用程序启动时，建立一个端口号为5001的TCP Server以供CC3200的TCP模块进行连接。当连接建立成功后，Server端源源不断地从Socket数据流读取数据，每条数据以换行符作为分隔，包含了加速度传感器的三轴加速度信息。

在界面上将不断输出变化的三轴传感器数值，并将数值连带时间戳写入日志中以供观测和统计。

4跌倒检测

在进行跌倒测试前可以进行串口数据测试，以确定设备正常工作并得到传感器的各状态数值。在发送任务中使用提供的PinMuxConfg函数进行初始化，并调用UART_PRINT函数，即可按一定格式进行串口输出。在计算机上安装FTDI驱动之后连接CC3200，可以在设备管理器中得到设备串口号。此时，打开串口工具Trea Term，并设置波特率为115 200 bps，待CC3200连接AP正常工作后，可以看到串口终端中的数据显示，包括X、Y、Z三个加速度方向的电压值。

实现硬件连接、组网与程序之后，对设备进行部署，首先将传感器佩戴在人体的臀部，这一部位相对比较稳定，在平时行进、弯腰等动作时不会对检测造成明显影响，并将其标志面向上与地面平行作为标准状态。作为采集终端的AP热点Android设备，可以置于衣物口袋中以保证连接，并每隔100 ms将数据写入文件中。之后，进行每段时长为10 s的人体静止、行进和摔倒动作，将文件中记录的300条三轴电压变化数据导入Excel表格，并做了折线图绘制。

① 在第一个10 s内，人体保持静止，其三轴加速度变化如图4所示。

图4　静止状态三轴电压变化

② 在第二个10 s内，人体行进，其三轴加速度变化如图5所示。

图5　行进状态三轴电压变化

③ 在第三个10 s内，人体跌倒并倒地侧卧，其三轴加速度变化如图6所示。

图6　跌倒状态三轴电压变化

通过对以上数据进行分析，可以得知在静止状态下，CC3200获取的X、Y、Z三轴的电压维持在0.65 V、0.75 V和1.05 V。而在人的行进状态下，三轴电压的浮动值不超过0.4 V。通过可以进一步计算出各个方向的角度值，在人体跌倒时，Z轴(即垂直方向)在一定时间(1~2 s)内大幅度下降，代表人体位置大幅下坠，其电压的振幅超过0.5 V，通过这一条件的判断，即可得知人体可能摔倒，并发出警告。

结语

本文利用SimpleLink Wi-Fi CC3200平台，与MMA7260加速度传感器结合，设计了一套新型组网方式下的加速度检测系统。其无线的连接方式使检测系统的部署与测试更加灵活，而通过Android智能终端提供的数据显示与采集为分析数据带来了极大的便利，通过分析人体摔倒时的规律，可以很好地起到跌掉检测和报警的作用。

参考文献

[1] Texas Instruments.CC3200 SimpleLink Wi-Fi and Internet-of-Things Solution, a Single-Chip Wireless MCU[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc3200.pdf.

[2] 陈钰琨.LM4F232pQD与MMA7260加速度传感器的跌倒检测[J] .单片机与嵌入式系统应用, 2013(6): 49-52.

[3] Texas Instruments.TI-RTOS 2.14 User’s Guide[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ug/spruhd4j/spruhd4j.pdf.

[4] Texas Instruments.CC3200 SimpleLink Wi-Fi and Internet of Things Solution, a Single Chip Wireless MCU Technical Reference Manual[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ug/swru367b/swru367b.pdf.

高天星、赵旭强(硕士研究生)，马忠梅(副教授)：主要研究方向为嵌入式系统和物联网应用。

Wi-Fi Wireless Fall Detection System Design Based on CC3200※

Gao Tianxing,Zhao Xuqiang,Ma Zhongmei

(School of Computer Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 10081,China)

Abstract：The CC3200 MCU is produced by TI company based on ARM Cortex-M4,which belongs to TI SimpleLink product line.CC3200 has powerful Wi-Fi network communication ability.In this paper,a new wireless acceleration detection system is designed using CC3200 and MMA7260 acceleration sensor,which takes Wi-Fi as the networking model.The system can be used for the falling detection.

Key words:CC3200;Wi-Fi;fall detection

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2015-09-11)

中图分类号:TP368

文献标识码:A