无线可穿戴身体姿态监测系统的研究与实现

吴雨桐, 田均成, 宋占伟

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

0　引　言

随都市生活节奏的加快、 工作压力的增加以及伏案工作时间的延长, 社会生活中越来越多的学生和白领人群出现了颈椎、 腰椎等因为坐姿不正引起的疾病[1-3]。针对于上述出现的问题和疾病的发展趋势, 笔者提出了一种新型的无线可穿戴人体身体姿态监测解决方案, 预防疾病的发生。

笔者设计的系统通过佩戴在身上的可穿戴终端把被监护对象的身姿坐姿、 运动计步、 体感游戏等身体姿态参数进行提取 。这些姿态数据经过计步器算法、 身姿检测算法的处理,通过设备的低功耗蓝牙4.0模块发送到具备蓝牙连接功能的手机APP(Application)客户端上, 将姿态信息、 计步信息显示在相应的APP客户端界面。适应了当下移动互联网和移动医疗发展的潮流, 未来还可通过互联网平台、 大数据和云计算等服务把相应的健康信息传递到家人的手机或传输到医院的数据库终端, 为医生等提供疾病相关的日常数据支撑, 并在长期不良坐姿的情况下进行及时提醒和预防, 达到矫正身姿、 加强锻炼、 保证自身健康的目的[4-6]。

1　系统整体设计

系统的硬件采用TI CC2540处理器, 芯片层级整合了完善的低功耗蓝牙4.0通讯协议栈, 用于姿态监测传感器选用意法半导体的LIS3DH采集人体x、y、z3轴加速度数据, 和手机端APP进行通信、 显示、 交互； 软件实现采用动态阈值更新, 运动情况下3轴至少一轴会出现加速度正负向变化, 因此通过峰值检测和加速度的动态阈值决策算法, 完成身体姿态的监测、 提醒和计步功能。

2　硬件系统设计

2.1　硬件设备的选型

TI CC2540处理器是常用的一款低功耗的系统级别的单晶片, 处理器从整体层面组合了包含微控制器核心SoC、 主机控制端及应用程序。CC2540处理器包含性能优异的无线射频传送接收器及达到工业测试环境标准的8051内核的微控制器, 外设包括21个可编程通用IO口, 2个串口, 1个全速的USB2.0接口, 8通道数模转化器, AES-128加密层级, 整体系统的功耗控制可以实现一个纽扣型电池低功耗模式运行数月的时间, 是对于可穿戴类型低功耗设备的理想选择。CC2540内部集成数据传输蓝牙4.0协议, 此协议实现硬件设备和手机客户端APP之间数据的传输、 算法通信和交互[7-9]。采用低功耗单模芯片可实现和其他单模芯片以及双模芯片进行通信。

LIS3DH传感器是ST公司推出的数字形式数据输出的3轴加速度传感器, 工作时的电流消耗最低可达到2 μA。尺寸为3×3×1 mm。LIS3DH传感器的测量范围是±2 g/±4 g/±8 g/±16 g的全量程, 可给CC2540的处理器核心输出精准的数字型的测量信号。经测试, 传感器可以长时间保持比较良好的的稳定数据输出和正常的功耗范围, 在睡眠唤醒模式的条件下, 对于数据采集、 姿态监测的链路仍然可保持在线状态, 当触发的事件情况存在时, 将传感器状态从芯片的睡眠唤醒模式启动, 可达到提高数字型数据输出速率的目的。

2.2　硬件系统整体设计

该套可穿戴设备, 其脱机工作部分硬件电路设计主要包括CC2540核心板最小系统、 LIS3DH传感器电路、 电源电路和触摸开关电路等。其中CC2540核心板设计参考TI 公司官方网站相关资料进行设计实现。其中硬件设计原理图如图1所示, 画好印制电路板(PCB: Printed Circuit Board)打样版图如图2所示。

图1　硬件设计原理图Fig.1　Hardware design schematic

图2　PCB打样版图Fig.2　PCB proofing layout

3　软件系统设计

3.1　软件算法实现

峰值检测： 运动情况下3轴总有至少一轴出现加速度正负向变化, 即常见的加速度的峰值, 因此峰值检测对于检测单位步行和人体姿态检测至关重要, 对于峰值次数的计算则是在软件上通过设定变量计数的方式实现。峰值检测结果如图3所示。

动态阈值检测： LIS3DH连续的记录并且更新人体x、y、z轴加速度的最大值和最小值, 采样更新的计数次数是50次。将所得到的(Max+Min)/2称为“动态阈值”。对LIS3DH进行采样, 将每50次采样前后得到的阈值进行比较, 超过即可判断个体处于迈出步伐的状态。对于此阈值, 相当于每50次采样实现一次更新, 所以最终得到的阈值是动态的、 变化的, 随采集实时更新。类似的阈值更新选择系统优点是对于动态更新的数据具有一定的自校准性, 实现动态调整。动态阈值检测示意图如图4所示。

图3　峰值检测　　　 　　　　　　　　　图4　动态阈值检测　　　 　　　　Fig.3　Peak detection　 　　　　　　　Fig.4　Dynamic threshold detection

步伐和身姿检测条件定义为： 绘制加速度变化曲线、 动态更新阈值曲线, 当加速度数值超过阈值时, 加速度的sample_new

3.2　体感游戏实现

体感游戏是建立在IOS和Android操作系统的APP, 采用cocos2d框架实现游戏界面、 功能的编写。cocos2d是常用的移动游戏开发框架, 多用于构建2D平面游戏等图形界面交互类的应用。未来游戏扩展还可以基于Unity 3D等常用移动开发框架实现3D类型游戏的开发[10]。

4　结　语

笔者提出一种可穿戴形式的姿态监测和记步的电子设备, 给出了硬件系统的具体设计电路, 从硬件形式出发简化系统复杂度的设计具有一定的普遍性和实用性； 结合LIS3DH传感器采集的数据, 相应的姿态监测的软件算法实现功能。此外, 在原有设备基础上, 结合手机客户端APP的实用性, 开发了相应的体感游戏, 使用户可在身体疲劳的阶段通过游戏的方式放松身心、 锻炼身体, 经过数月的实践和用户的反馈, 证明了该可穿戴设备可明显的在日常生活中达到提醒坐姿的目的, 实现运动健身的记步, 同时满足放松身心娱乐的目的, 具有较高的推广和应用价值, 基本实现了预期的目标。

参考文献：

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