基于ZigBee 的可穿戴多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計

趙 陳，宋泊明*

（徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 徐州）

引言

肢體功能障礙在我國發(fā)病率高[1]，康復(fù)周期長，因此需要居家康復(fù)。準確評估肢體功能對康復(fù)過程影響極大，而傳統(tǒng)的量表評估方式依賴醫(yī)生主觀評價，且難以居家開展。因此，本文提出一種基于ZigBee 的可穿戴多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點，可以采集患者運動過程中的三軸加速度與肌電信號并通過無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)分析，從而構(gòu)成一種簡單、有效的肢體功能障礙評估手段。

Zigbee 協(xié)議[2]是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有成本低、能量消耗小和傳輸速率低等優(yōu)勢。基于ZigBee 技術(shù)，本文采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)芯片CC2530 作為多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計的主控芯片，結(jié)合ADXL345 加速度傳感器、肌電傳感器，完成了可穿戴多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計。以ZigBee 為基礎(chǔ)的可穿戴傳感器設(shè)計[3]，不僅可以將醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備小型化、便攜化，還可以將其應(yīng)用到低成本、多功能、易于擴展等方面[4]。

1 硬件設(shè)計

本文采用CC2530 和ADXL345 芯片、肌電傳感器[5]實現(xiàn)三軸加速度及肌電信號的采集和數(shù)值轉(zhuǎn)換，為人體姿態(tài)識別奠定基礎(chǔ)。首先，通過ADXL345 加速度傳感器采集手臂運動時的三軸加速度，然后通過IIC 接口將信號傳輸給單片機進行處理和發(fā)送。為了保證ADXL345 芯片的正常工作，將電源和地信號連接到單片機的相應(yīng)引腳，并將INT1、INT2 分別與單片機的INT0、INT1 相連，以便及時觸發(fā)中斷并通知單片機進行處理。同時，將ADXL345 芯片的SDA(數(shù)據(jù)線)、SCL(時鐘線)分別與單片機的某一腳相連，以便傳輸采集到的三軸加速度和肌電信號數(shù)據(jù)。此外，還使用了肌電傳感器來采集肌電模擬信號，并將該信號通過模擬電路與單片機連接。肌電傳感器通過檢測人體的表面肌電信號(SEMG)，將微弱的人體表面肌電信號進行放大和濾波，輸出模擬量形式的信號，以AVDD5 為基準電壓，方便做肌電信號的分析與研究。而單片機則可以通過接口電路將肌電傳感器的輸出信號接收并處理。

采集到的數(shù)據(jù)是模擬信號，通過CC2530 單片機內(nèi)置ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。本文以AVDD5 為基準電壓，以確保模數(shù)轉(zhuǎn)換器的取樣精度。將肌電模擬信號輸入到CC2530 的P0.1 端，然后進入內(nèi)置的ADC 輸入端，將數(shù)字化的數(shù)據(jù)由CC2530 的無線射頻模塊發(fā)送至上位機。

2 數(shù)據(jù)傳輸

2.1 主控芯片CC2530

本系統(tǒng)采用TI 公司新一代的ZigBee 單片機CC2530[6]作為主要信號處理與無線傳輸設(shè)備，具有低功耗、小尺寸和低數(shù)據(jù)傳輸量的特點。

2.2 CC2530 與ADXL345 傳感器連接

設(shè)計中主控芯片CC2530 與ADXL345 加速度傳感器[7]通過IIC 接口進行通信。其數(shù)據(jù)線SDA 和串行時鐘線SCL 分別與CC2530 的P0.1 和P0.0 引腳相連。如圖1 是ADXL345 加速度傳感器IIC 通訊方式的連接電路。當(dāng)ADXL345 處于IIC 模式通信時，CS 引腳需要拉高至V_(DD I/O)，使用簡單的2 線式連接。同時，ALT ADDRESS 引腳若處于高電平，與任一V_(DD I/O)引腳連接，則IIC 地址為0x1D。若ALT ADDRESS引腳接地，則IIC 地址為0x53。

圖1 ADXL345 傳感器IIC 方式連接電路

2.3 CC2530 與AD8221 傳感器連接

為了減輕匯聚節(jié)點與上位機的數(shù)據(jù)處理壓力，數(shù)據(jù)采集后在本地進行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和無線傳輸?shù)取?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段，將采集到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，加速度換算公式：

無線傳輸階段，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送給上位機。兩個CC2530 芯片之間通過ZigBee 模塊進行無線傳輸。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。發(fā)送的數(shù)據(jù)包括三軸加速度與肌電信號數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見表1。

3 測試與結(jié)果

本課題實驗，測試者將傳感器佩戴在手臂上進行三個動作的測試，一個是手臂前屈90°，一個是手臂前屈180°，一個是手臂外展90°。將肌電傳感器、ADXL345 傳感器以及一個CC2530 芯片均綁在手臂上，通過ZigBee 協(xié)議與另外一個CC2530 進行通信，再將其通過USB 方式與電腦相連接，進行三軸加速度與肌電信號的采集。

采集肌電信號則是通過將電極放置在目標肌肉上，通過肌電放大器和數(shù)據(jù)采集卡采集信號。如果有多塊肌肉共同作用，則選取其中最主要的肌肉進行采集。由于傳感器數(shù)量有限，往往需要分開采集。手臂前屈時起主要作用的肌肉是肱二頭肌和喙肱肌。手臂外展時起主要作用的是三角肌前部纖維和崗上肌。見圖3。

圖3 手臂運動肌肉群圖

打開串口準備接收數(shù)據(jù)，打開CC2530 芯片上的USB/BAT 開關(guān)將軟件與傳感器串口完成連接。本實驗波特率設(shè)置為32 800 HZ，數(shù)據(jù)位為8。串口連接完成后，點擊打開串口，接收數(shù)據(jù)。測試者由自然垂直的手臂，依次進行三項手臂上抬的動作測試，均先加速后減速。動作結(jié)束后，將串口接收的數(shù)據(jù)換算保存后進行分析。

由圖4 至圖6 中三個動作呈現(xiàn)出的加速度值變化曲線發(fā)現(xiàn)，隨著手臂動作先加速后減速，三軸加速度值變化符合認知規(guī)律。圖4 至圖6 中顯示了肌電信號值在手臂運動過程中的變化曲線。手臂自然垂直時，肌電信號值約為1.500 mV。由圖中三個動作呈現(xiàn)出肌電信號曲線變化圖發(fā)現(xiàn)，隨著手臂動作先加速后減速，肌電信號值在相應(yīng)情況下也呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢。

圖4 手臂前屈90°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

圖5 手臂前屈180°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

圖6 手臂外展90°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

結(jié)束語

本文論述了采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)芯片CC2530 作為多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計的主控芯片，通過IIC 通信方式與ADXL345 加速度傳感器相連，同時結(jié)合肌電傳感器及ZigBee 技術(shù)，完成了可穿戴多元數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計。實驗測試證明，該傳感器傳輸可靠性好，系統(tǒng)可擴展性較強，對保障人民群眾的身體健康、便利患者的日常生活、提升醫(yī)務(wù)人員的工作效率和醫(yī)院的現(xiàn)代化信息化管理水平都有著重要的意義。