基于体感网的可穿戴运动监测系统

　　摘要：可穿戴运动监测系统可方便地实现人体的运动姿态检测以及运动功能评估。本系统采用高集成度惯性传感器及近距离无线通信技术构建体感网，同步采集人体多个部位加速度和角速度信号，实现可穿戴的多节点运动监测。系统可应用于与人体运动功能相关的研究，如帕金森病人运动功能评估等。

　　引言

　　本文设计实现了包含5个传感器节点的可穿戴运动监测系统。通过将传感器节点置于被试者的双脚脚踝、双手手腕和腰部，采集人体运动过程中的加速度和角速度等运动信号。此后，将采集到的信号上传至上位机，进行数据分析，计算与运动功能相关的运动参量，比如步态、平衡能力等。

　　本系统应用范围较广，例如：可用于运动障碍疾病的病情评估和监护,如帕金森、脑卒中等疾病;可用于运动员运动动作分析，科学指导运动员训练。

　　1 系统方案总述

　　系统由PC机、1个网关节点和5个终端节点组成(见图1)。

　　网关节点：通过USB口与PC机相连，采用串行通讯协议与上位机进行命令和数据通信;通过近距离无线通信方式与各终端节点进行命令和数据通信。

　　终端节点：负责数据的采集、存储和上传。通过绷带固定在人体特定部位。待机情况下各个节点处于无线接收状态，等待接收网关节点的广播命令，实现数据的同步采集和存储。

　　用户通过PC机软件发出命令，系统根据命令运行。数据采集结束后，PC机发送数据上传命令，使网关节点通过点对点轮询的方式依次将数据传至上位机并保存。本文主要介绍网关节点和终端节点构成的可穿戴系统设计。

　　2 硬件设计

　　2.1 终端节点设计

　　终端节点采用TI公司的超低功耗单片机MSP430F149作为主控单元，采用MPU6050六轴惯性传感器检测加速度和角速度信号，选用Nordic公司的NRF24L01作为无线通信模块，可以实现30米的有效通信距离。采用3.7V锂电池供电，经过稳压器稳压后系统工作电压3.0V(见图2)。核心模块的详细介绍如下。

　　(1)主控模块采用MSP430F149作为控制中心，负责整个系统各部分功能的协调和控制。除了其在8MHz时钟下运行时300μA左右的超低工作电流，同时还还提供了两个定时器A和B，2个UART和SPI复用的异步串行通信接口、48个I/O口、完全满足系统对接口资源的需求。此外MSP430F149 的60KB片内Flash 和2KB的SRAM完全满足本系统对程序存储和数据交换的空间需求。

　　(2)电源模块，网关节点由5.0V USB口供电，经TLV70033低压差线性稳压器转成3.3V供系统使用。终端节点由3.7V锂电池供电，通过TLV70030进行稳压，转成3.0V供系统使用。

　　(3)传感器模块采用MPU6050六轴惯性传感器，其突出优势在于整合了三轴加速度计和三轴陀螺仪，不仅免去了组合二者的轴间差问题，还大大降低了封装空间，为便携式或可穿戴设备提供了最小包装体积。

　　(4)存储模块采用W25Q256高速Flash，在传感器50Hz的采样率下，可以连续存储约15.5个小时数据。

　　(5)无线通信模块采用NRF24L01无线通信芯片，最高2Mbps的通信速率、30米的通信距离、6个接收通道以及SPI接口，非常方便系统开发。

　　2.2 网关节点设计

　　网关节点主要由四部分组成：电源模块、MCU主控模块、无线通信模块、串口通信模块。其中电源模块、主控模块和无线通信模块与终端节点的核心芯片一样，硬件原理一致，不再赘述。串口通信模块采用PL2303将串口数据转换成USB数据，实现与PC机的通信。网关节点通过5.0伏USB口供电，经过稳压器稳压后系统电压为3.3V。

　　3 软件设计

　　系统的软件部分分为网关节点软件设计，终端节点软件设计和网络拓扑结构设计。

　　3.1 网关节点软件设计

　　网关节点程序分为主程序和中断服务程序。