分布式人体运动加速度信息无线获取系统方案设计与实现

王改翠

（宝鸡职业技术学院陕西宝鸡721013）

人体运动信息的获得和处理指的是将人体运动作为研究的对象，实现人体运动过程中加速度、速度、位移等信息的精准获取，并且对获得的信息实现处理及分析，此方面也是现代医学及生物等科学领域研究过程中的主要技术，并且其还是计算机领域中的测试技术[1]。比如，现代有部分体育项目正在和电子信息技术、计算机技术及智能算法相互结合，全面实现人体运动客观性的精密计算。如何有效获得及时、精准及全面的运动参数，并且对获得信息进行有效使用，是提高体育运动成绩的主要手段[2]。在航空航天中，其需要在特殊环境中进行研究低气压、加速及高噪音等情况对人体的损伤，并且研究利用对环境的改善及提高人体运动能力，从而有效提高人体的适应能力。以上都需要将人体运动信息获取为基础，从而能够提高运动信息获得的及时性及精准度[3]。因为传统人体加速度信息获取系统的种种劣势，本文就全面分析分布式人体运动加速度信息的无线获取系统设计。

1 人体运动加速度信息的获取方式

图1为人体运动加速度信息获取的全面内容，其主要是将测量技术及检测技术为基础，从而实现人体运动信息获取方法的不断创新。

图1 人体运动加速度信息获取的全面内容

人体运动信息获取的方式较多，主要包括：其一，足底压力分布检测技术。在现代医学不断发展的过程中，相关研究人员希望能够全面掌握人体足底压力的分布。比如，德国就发明了足底压力分布测量平台，其能够对平面及弯曲的表面承受动态压力分布进行精准的测量及记录，通过电容式传感器实现[4]，图2为人体足底压力的分布图。

图2 人体足底压力的分布图

其二，加速度传感器。在现代MEMS技术不断发展的过程中，各种的加速度传感器技术越来越成熟，并且在实际测试中使用，在使用过程中，其在人体环节需要测试的节点中固定，从而就能够实现人体加速度信息的获取。

大量相关实验表示，人体运动加速度信息能够将人体运动过程中的特点充分的展现出来，目前，人体运动加速度信息被广泛应用到多个领域中，比如体育训练、步态及动作识别、运动及健康管理等。其一，体育训练。人体在运动过程中的指定部位及关节点加速度信息能够将人体信息充分的反映出来，皮划艇属于快节奏及高速度的耐力性体能项目，运动员利用相互的协调用力，使用桨推动船进行前进。以此就能够看出来，其能够获得运动人员训练过程中的加速度信息，通过多次的反复训练及信息反馈，从而使运动人员掌握及配合用力的节奏[5]。图3为皮划艇运动过程中加速度计使用的电路构成。

图3 皮划艇运动过程中加速度计使用的电路构成

其二，步态与动作识别。此种技术目前备受相关人员的关注，其能够在低视频及远距离中进行识别，并且步态无法伪装及隐藏。为了能够避免在复杂环境中多种因素的影响，就出现了人体运动加速度信息步态识别，使数据处理难度有所降低[6]。图4为步态与运动识别传感器的模块设计。

图4 步态与运动识别传感器的模块设计

其三，运动和健康管理。在现代MEMS技术不断发展的过程中，就出现了大量小体积及低功耗的加速度传感器芯片，从而促进了人体运动加速度信息的使用范围。相关研究人员利用在人体各个部位实现加速度传感器的安装，能够得到人体在运动过程中的加速度信息，将人体运动的参数信息充分的展现出来[7]。图5为运动状态及运动量分析软件的界面。

图5 运动状态及运动量分析软件的界面

2 运动加速度信息无线获取系统的整体设计

人体在运动过程中的特征参数及运动状态就会不断呈现出来，其中相关身体关节加速度信息在医疗诊断、运动健康及体育运动等方面具有重要的使用价值，本文系统设计过程中，使用速度传感器实现人体加速度信息的获取，对系统硬件设计进行了简化，并且还能够有效提高系统的使用范围。之后，通过无线通信装置实现数据的传输，并且对收集的加速度信息进行实时的分析和处理，使人体加速度运动获取的可靠性及精准性[8]。图6为分布式人体运动加速度信息的无线获取系统设计框架。

图6 分布式人体运动加速度信息的无线获取系统设计框架

系统主要包括主控系统及信息收集系统，其中主控系统属于本文所设计系统的核心，其主要目的就是实现信息收集系统的协调和控制，并且以应用需求实现收集命令的传递，从而进行同步控制，而且内部还具有大容量信息存储器，其主要目的就是对其中关节点加速度信息进行收集和存储，并且对计算机进行传递分析和处理[9]。信息收集系统主要在人体关键节点中安装，其主要目的就是对人体运动速度、位移、力及加速度等信息进行收集，利用无线通信模块对主控系统进行传递。

2.1 系统硬件设计

本文所研究的系统硬件构成主要包括两个系统，分为加速度信息获取子系统和加速度信息分析处理系统[10]。图7为加速度信息获取系统的模块设计。

图7 加速度信息获取系统的模块设计

为了能够将系统在运行过程中的能源消耗，并且降低系统占用的体积，硬件系统在设计过程中只包括无线收发、加速度传感器、MCU 3个模块。利用MMA三轴模拟输出加速度传感器进行设计，其主要是通过温度补偿、单机低通滤波及信号调理等技术，能够满足人体加速度收集需求[11]。图8为三轴加速度传感器芯片对加速度方向的检测示意图，其中左边图中的芯片向上，右图中的芯片为倒立。

图8 三轴加速度传感器芯片对加速度方向的检测示意图

并且本文还提出了全新的设计结构方式，详见图9。

图9 脚部加速度信息收集系统的结构设计

此种安装方式能够创新传统收集系统在安装过程中对正常的运动造成影响。

其中脚部系统主要包括无线通信模块、MUC模块、电源管理模块及加速度传感器模块[12]，图10为脚部加速度传感器系统模块的组成。

图10 脚部加速度传感器系统模块的组成

本文系统通信使用无线通信模块，利用半导体无线通信方案实现，其中实现功率放大器、频率发生器、调制解调器及晶体振荡器的结合，从而提高无线通讯模块的设计简单性，还能够降低系统在使用过程中的损耗[13]，图11为系统无线通信模块的组成结构。

图11 系统无线通信模块的组成结构

2.2 系统软件设计

本文所设计的系统软件设计主要包括上位机和下位机的数据分析处理软件，本节还是以脚部安装系统为例讲述系统软件的设计及工作流程[14]，图12为脚部系统的工作流程。

图12 脚部系统的工作流程

通过图12可以看出来，在脚部系统工作工作过程中，首先要实现其初始化，之后等待其他系统的同步信号，然后系统MCU都进入到睡眠模式，从而降低系统功耗。在实现数据收集过程中，首先要将睡眠过程中的MCU唤醒，之后将AD转换器开启实现AD转换，然后使MCU进入到睡眠模式，从而实现数据的收集和打包，之后对数据进行分析[15-16]。

3 结束语

本文实现了分布式人体运动加速度信息无线获取系统的设计，其主要使用传感器加速度的信息获取方式实现人体中多个节点加速度信息的获取，并且通过现代使用的无线通信模块实现人体加速度信息的收集和系统中各个子系统的相互通信，从而实现系统的优化设计。最后，对本文所设计的系统进行实验测试，在十个人身上安装本文设计的系统，通过测试结果表示，使用无线通信实现数据传输，能够使系统简单，在测试过程中佩戴方便，并且还能够降低系统的功能消耗，具有重要的使用价值。