基于Zigbee的無線體感系統的設計與實現

【摘要】介紹了一套基于Zigbee通信技術實現的無線體感系統。設計方案由前端傳感器單元組建傳感網絡，采用ADXL345傳感單元完成肢體運動信息的采集，采用PVDF壓電薄膜脈搏傳感器完成脈搏信息的采集；然后利用Zigbee通信技術搭建無線通信網絡，采用CC2430通信模塊完成傳感器數據至ARM處理器的傳送；利用嵌入式ARM Cortex A8平臺對來自不同傳感器的不同信息進行處理，并將信息還原在Linux的圖形界面下。

【關鍵詞】體感ADXL345傳感器Zigbee無線通信嵌入式ARM

Zigbee技術自從2003年提出了完整的協議之后，國內外對于Zigbee技術的研究與應用已經十分的成熟。其中在工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、家庭與樓宇自動化、醫用設備控制等方面尤為突出，主要的代表項目有哈爾濱工業大學秦鵬、劉建偉對Zigbee無線網絡的研究；在國外Cees Links、Janine E. Mooney也對于Zigbee的無線組網技術等有了很透徹的研究。最近幾年，隨著體感的興起，日本任天堂、索尼、微軟等游戲公司分別適時推出的新一代的游戲設備，如Wii、Ps Move、Kinect等。然而目前體感技術只在游戲領域得到了廣泛應用。

隨著人們對于健身的追求不斷提高，將Zigbee技術融入到傳感器網絡中也逐漸成為了一個很明顯的趨勢。比較典型的項目有北京工業大學韓德強、劉立哲、顧春雷設計的基于Windows Phone 7的體感健身系統。但這一項目需要特定的Windows Phone手機的支持，對于其推廣存在一定的限制。

本系統針對運動健身時的單調乏味以及運動過量會對身體造成過大損傷的實際情況，采用Zigbee技術與體感技術無線體感技術的結合，實現對人體四肢運動姿態的捕捉與識別、對脈搏和血壓進行實時檢測的功能；同時采用嵌入式ARM Cortex A8開放處理平臺，有效的削減了Windows Phone手機帶來的局限性。

一、系統整體結構框架設計

整個系統結構可分為三個基本部分：（1）傳感器采集模塊，由血壓、脈搏傳感器和三軸加速度傳感器構成，完成對肢體運動信息與體征信息的采集；（2）Zigbee無線通信模塊，采用CC2430組建多對一的通信網絡，將傳感器采集的數據信息傳送至嵌入式處理單元；（3）嵌入式處理單元，采用ARM Cortex A8平臺，通過Qt編程處理實現人機交互的功能。

系統首先由傳感器采集到最原始數據，通過濾波放大、波形調整、A/D轉換等完成初步處理，然后通過I2C數據總線，傳送給Zigbee終端設備；而Zigbee網絡通過對終端設備分別不同的設備ID來識別與接收來自不同終端的信息，完成數據的空中傳送，再將數據通過串口的形式傳送至嵌入式ARM處理平臺；最后在ARM平臺上通過編程完成對數據的最終處理與顯示。

二、傳感網絡的搭建

傳感網絡的搭建主要由體征信息采集與運動信息采集兩部分組成。其中體征信息的采集可由SC0073脈搏傳感器實現；而運動信息的采集則可通過放置在人體上的微型傳感器加速度傳感器ADXL345實現。結構框圖如圖1所示：

由于脈搏信號具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點，而且處于嚴重的背景噪聲之中，故在SC0073微型動態脈搏微壓傳感器將脈搏的跳動變換為電壓的變化之后，還需要經過模擬電路進行預處理。預處理主要由放大電路、濾波電路等來完成。對于肢體運動信息的采集，可通過ADXL345加速度傳感器的前端感應器件感測加速度的大小，然后由感應電信號器件轉為可識別的電信號，這個信號是模擬信號。ADXL345中集成了A/D轉換器，可以將此模擬信號數字化，輸出的是16位的二進制補碼。經過數字濾波器的濾波后在控制和中斷邏輯單元的控制下訪問32級FIFO，通過串行接口讀取數據。

在傳感器模塊采集到數據信息之后，通過I2C的通信方式，將數據傳送到Zigbee的終端節點設備中，準備進行無線發送。

三、無線通信網絡的組建

Zigbee的通信協議標準確定了其網絡所針對的幾個基本對象：Zigbee協調器、Zigbee路由器（小規模網絡時可以舍去）和Zigbee終端設備。

本文的設計方案采用TI的Z-STACK的協議棧， Z-STACK符合ZigBee2006規范，支持多種平臺，還支持多種豐富的新特性。針對Z-STACK和CC2430的特點，以及肢體運動信號采集的實時要求，本系統采用星形網絡結構，只用到了Zigbee協調器、Zigbee終端設備兩層。其中協調器作為整個系統的核心部件，負責建立并驅動整個網絡，選擇合適的射頻信道、唯一的網絡標識等。而終端設備作為網絡命令的執行節點，終端傳感節點上電后，先進行初始化操作、串綁定后直接進于休眠模式，然后通過定時來讀取運動信號，之后按照串命令方式發送生理數據，數據處理完畢后繼續進入等待狀態，直到下一次定時到時該節點再次被激活。當多個節點同時向終端節點發送數據請求時，可能由于來不及響應處理而丟掉一些請求數據包，此時終端節點需要再重發幾次數據發送請求，假如該數據發送請求沒有得到響應，終端節點需要重新發送綁定請求查找協調器節點。

系統測試#9；在完成硬件平臺的搭建與軟件的調試之后，將傳感器固定在四肢上，對整個系統的功能進行的調試。在調試的過程中，對各個通信節點的數據進行逐個加入，逐一調試，如圖3。

如圖4所示，為整個系統的實物功能演示。通過4個Zigbee節點作為終端發送，一個Zigbee節點作為協調器接收數據，然后通過串口將協調器的數據傳送至ARM嵌入式平臺進行處理與顯示。

五、結束語

在當前的信息社會中，無線通信技術作為一種實用的、有效的通信方式，已經在越來越多的領域內得到了廣泛的應用。本系統結合了傳感器技術、Zigbee無線網絡技術與無線體感技術，組成一個完善的、獨立的體域網（Body Area Network，BAN）。利用加速度傳感器與脈搏傳感器采集數據，通過ARM Cortex A8嵌入式平臺分析與處理數據，最后良好的GUI界面設計提供較好用戶體驗。整個系統的測試結果表明，整個系統的實用性與穩定性都有較好的保障，可以在醫療康復領域、消費電子領域等得到進一步的推廣與應用。

參考文獻

[1]秦鵬，劉建偉. Zigbee無線網絡的研究[D碩士].哈爾濱工程大學. 2008

[2]陳新雋，劉曉平，多MEMS傳感器的嵌入式姿態測量系統設計. 2011年機械電子學學術會議論文集9月

[3]張海鵬，黨幼云.基于MEMS傳感器的人體運動捕捉系統[A].西安工程大學學報2012 1674-649X（2012）01-0082-05

[4]李長庚.基于ARM和ZigBee的WSN節點設計與實現[A].計算機工程2010 1000-3428（2010）17-0135-03

[5]王沖.基于加速度傳感器的無線人體動作測量設備[A].單片機與嵌入式系統應用. 2011年第8期

[6]華晶，賈晶，何火嬌.基于Qt的嵌入式GUI在ARM上的移植[J].計算機與現代化1006-2475（2009）10-0117-03

[7]熊小華，何能通.無線傳感器網絡節點定位算法的研究綜述[A].機電工程1001-4554（2009）02-0013-05

[8]高守瑋. Zigbee技術實踐教程———基于CC2430/ 31的無線傳感器網絡解決方案[M].北京：北京航空工業出版社.2009