穿戴式人體運(yùn)動實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

疏婷婷，周金霞

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

人體的運(yùn)動狀態(tài)非常復(fù)雜，受到很多內(nèi)在和外在因素的影響。通過某種方式跟蹤人體的運(yùn)動，實(shí)時收發(fā)人體運(yùn)動時的重要數(shù)據(jù)，根據(jù)收發(fā)的數(shù)據(jù)重構(gòu)人體的運(yùn)動姿態(tài)是一種最有效、最便捷的方法來識別和監(jiān)控人體運(yùn)動。描述人體運(yùn)動姿態(tài)的參數(shù)有多種，如運(yùn)動過程中的位移、速度、加速度等物理數(shù)據(jù)；有心肌功能、肺功能、呼吸功能方面的生理數(shù)據(jù)。人體運(yùn)動數(shù)據(jù)的實(shí)時捕捉是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，而且數(shù)據(jù)的分布面比較大，數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性也較弱，采用速度較快的處理芯片和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，對提高對人體運(yùn)動姿態(tài)的實(shí)時分析和信息捕捉能力有很大幫助。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括電源模塊、單片機(jī)處理模塊、加速度傳感器模塊、壓力傳感器模塊、信號調(diào)理電路、信號處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，系統(tǒng)總圖如圖1所示。單片機(jī)模塊是進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理的核心，加速度傳感器模塊和壓力傳感器模塊是對人體運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行采集的模塊，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行濾波和降噪，單片機(jī)接收經(jīng)過調(diào)理的信號，并對信號進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示端顯示。

圖1 系統(tǒng)總模塊圖

1.1 加速度傳感器模塊

加速度傳感器模塊采用ADXL345芯片，可通過三線或四線的SPI總線與STM32單片機(jī)的SPI接口連接。ADXL345是一款完整的3軸加速度測量系統(tǒng)，其可選擇的加速度測量范圍有±2g、±4g、±8g、和±16g，能夠檢測出不到 1°的傾斜角度變化，不僅能夠測量運(yùn)動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度，也能夠測量靜態(tài)加速度，還能夠用作傾斜傳感器。ADXL傳感器的檢測軸如圖2所示。將ADXL加速度傳感器放在人體需要測量的部位，得到人體需要測量部位的加速度和角加速度數(shù)據(jù)，用于判斷人體位姿變化。

圖2 ADXL345加速度傳感器檢測軸

1.2 壓力傳感器模塊

將壓力傳感器放在人體的腳部位置，所以傳感器應(yīng)不影響人的步行行為。選用Tekscan公司生產(chǎn)的FlexiforceA201薄膜型壓力傳感器，其厚度為0.203mm，傳感器材料采用柔性材質(zhì)，所以該傳感器具有良好的適應(yīng)性，能夠方便布置而不干擾人的行為。

1.3 信號與數(shù)據(jù)處理模塊

信號調(diào)理電路的主要工作是完成信號的調(diào)理、濾波、放大、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌?shù)據(jù)處理的主要方法包括小波分析和Kalman濾波等，Kalman濾波有時需要對噪聲信號構(gòu)建明確的模型，所以采用小波分析法對采集的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行去噪處理更為方便。

STM32F103ZET6是STM32系列單片機(jī)中的一種，是基于ARM的32位增強(qiáng)型通用性微控制器，集成了AD轉(zhuǎn)換功能，可直接進(jìn)行AD數(shù)據(jù)的采集。STM32單片機(jī)需要對其功能進(jìn)行配置才能正常使用，所以功耗也就比較低，使用STM32進(jìn)行控制的場合逐漸增加。其部分性能參數(shù)如表1所示。

表1STM32F103ZET6部分性能參數(shù)

1.4 顯示器模塊

顯示器模塊可采用LCD液晶顯示，也可直接使用計算機(jī)顯示器，將STM32單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)可直接通過USART總線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，計算機(jī)能夠通過串口調(diào)試助手接收從單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，使用計算機(jī)顯示器更加方便使用和對數(shù)據(jù)的后期處理，如將接收到的數(shù)據(jù)用相關(guān)軟件計算得出人體的真實(shí)位姿等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：STM32時鐘初始化、加速度傳感器和壓力傳感器初始化、顯示器初始化、數(shù)據(jù)采集過程、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)處理和顯示與發(fā)送，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3 結(jié)語

人體的運(yùn)動狀態(tài)受到很多內(nèi)在和外在因素的影響，其數(shù)據(jù)的實(shí)時捕捉也是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程。文章設(shè)計的系統(tǒng)硬件包括電源模塊，單片機(jī)處理模塊，加速度傳感器模塊，壓力傳感器模塊，信號調(diào)理電路，信號處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。采用STM32F103ZET6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理。加速度傳感器模塊和壓力傳感器模塊分別采用ADXL345芯片和FlexiforceA201薄膜型壓力傳感器。傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行濾波和降噪，單片機(jī)接收并使用小波分析處理經(jīng)過調(diào)理的信號，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示器端顯示和將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收器。

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