基于MMA7260的人員腳步聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 彭，孫宏志，周文軍，韓亮亮

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，北京 100083）

在人獨(dú)特的生理特征和行為特征中，人員的腳步聲作為一種新興的生物識(shí)別技術(shù)正受到越來(lái)越多的研究者的關(guān)注。較之人臉、指紋、虹膜等其他的生物特征[1]，人員的腳步聲具有在非接觸或者隱蔽的狀態(tài)下進(jìn)行人身份鑒別等優(yōu)點(diǎn)。由于人的生理特征比較穩(wěn)定，不易被竊取，因此在生物識(shí)別中具有更大的優(yōu)勢(shì)及準(zhǔn)確性。現(xiàn)今生物識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸成為一種公認(rèn)的應(yīng)用較為廣泛的身份認(rèn)證技術(shù)[2]。

而生物識(shí)別技術(shù)是在大量的原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此本文就人員的腳步聲的采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用MMA7260三軸加速度傳感器采集人員的腳步聲信號(hào)，經(jīng)過(guò) STM32101C8T6微控制器（MCU）的處理將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)顯示。該采集系統(tǒng)外形小巧，易于安裝，能夠準(zhǔn)確地采集到人員的腳步聲信號(hào)，為后續(xù)的腳步聲的特征提取及多人腳步聲信號(hào)分離提供大量的原始數(shù)據(jù)。

1 人員腳步聲采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

人員腳步聲信號(hào)采集系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)MMA7260三軸加速度傳感器同時(shí)采集人員腳步聲3個(gè)方向的加速度信號(hào)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)STM32的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)。在與上位機(jī)的通信過(guò)程中，STM32將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊或者串口發(fā)送到上位機(jī)上，供上位機(jī)處理。硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由微控制器軟件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)兩部分組成。單片機(jī)軟件系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩部分，如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)程序中，首先需要配置好信號(hào)采集過(guò)程中用到的A/D驅(qū)動(dòng)、DMA驅(qū)動(dòng)和存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)等。在應(yīng)用程序中，主要是編寫(xiě)A/D采集程序及與上位機(jī)通信程序。在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，將采集到的腳步聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并將模擬信號(hào)波形顯示出來(lái)。

圖2 軟件系統(tǒng)框圖

2 腳步聲采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32101C8T6與MMA7260

STM32F101C8T6基于ARM 32 bit的Cortex-M3內(nèi)核，其具有豐富的外設(shè)：2個(gè) SPI接口，3個(gè) USART接口，10通道的A/D，并且具有DMA、定時(shí)器等，可以滿足本系統(tǒng)的需求。因此選取STM32F101C8T6 MCU作為主控制芯片。

MMA7260Q[3]是一種低成本、單芯片、三軸向、高靈敏度的加速度傳感器，基于表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，集成信號(hào)調(diào)理電路、單極點(diǎn)低通濾波器和溫度補(bǔ)償部分，并且具有4種不同的靈敏度選擇模式。本設(shè)計(jì)采用MMA7260來(lái)測(cè)量人走路時(shí)三維的加速度信號(hào)[4]。MMA7260的功能如圖3所示[5]，X、Y、Z 3個(gè)相互垂直方向上的加速度由G-Cell傳感單元感知，經(jīng)過(guò)容壓變換器、增益放大、濾波器和溫度補(bǔ)償后，以電壓信號(hào)輸出。

圖3 MMA7260功能框圖

2.2 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

人員腳步聲采集系統(tǒng)以STM32101C8T6 MCU為核心，STM32 的工作電壓（VDD）為 2.2～3.6 V，MMA7260 的正常工作電壓范圍也是2.2～3.6 V，因此選擇3節(jié)1.2 V電池進(jìn)行供電，能夠滿足系統(tǒng)要求。

MMA7260的3個(gè)加速度輸出管腳分別與STM32的A/D轉(zhuǎn)換器中的3個(gè)通道相連。由于MMA7260內(nèi)部使用開(kāi)關(guān)電容作為濾波器，為降低時(shí)鐘帶來(lái)的噪聲，在輸出通道上采用RC濾波，在輸出通道上使用1 kΩ的電阻和0.1 μF的電容構(gòu)成RC濾波器。為了更加準(zhǔn)確地采集到人員腳步聲加速度信號(hào)，在硬件電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，還應(yīng)保證MMA7260與STM32的物理連接距離最短，在板卡元器件布局過(guò)程中，將MMA7260放在板卡的背面，STM32放在板卡的正面，兩者正對(duì)放置，保證了硬件連線最短。這樣既減少了寄生電阻、寄生電容的產(chǎn)生，同時(shí)也防止了加速度信號(hào)的衰減和噪聲的干擾。

為了能讓采集系統(tǒng)和上位機(jī)通信，在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用MCU的USART外設(shè)外接MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，引出RS-232接口通過(guò)串口線與上位機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)，預(yù)留了 SPI接口，可以外接 UTC1212SE無(wú)線發(fā)射模塊，方便地與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

硬件電路的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該按照硬件板卡所要實(shí)現(xiàn)的功能及總體功耗來(lái)選取適當(dāng)?shù)钠骷M(jìn)行設(shè)計(jì)。為了達(dá)到硬件板卡的小型化及低功耗的目的，在選擇元器件時(shí)都選用貼片形式，而整個(gè)板卡34 mm×26 mm的尺寸也是比較小巧的，方便了硬件板卡的安裝及放置。在選擇芯片時(shí)都選用了帶有休眠功能的芯片，在沒(méi)有腳步聲信號(hào)到來(lái)時(shí)，芯片都處于低功耗狀態(tài)；腳步聲信號(hào)到來(lái)時(shí)自動(dòng)喚醒芯片，進(jìn)行腳步聲信號(hào)的采集，有效地降低了系統(tǒng)功耗。

3 腳步聲采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)硬件電路圖配置相應(yīng)的I/O端口：配置USART引腳；設(shè)置g-Select1和g-Select2為 0、1； 將 MMA7260的測(cè)量范圍調(diào)整到 4 g，精度調(diào)整到 300 mV/g；X軸、Y軸和 Z軸 3個(gè)方向上分別配置成與STM32101C8T6的第7個(gè)、第8個(gè)和第9個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道等。

當(dāng)MMA7260采集到人員腳步聲3個(gè)方向的加速度信號(hào)時(shí)，STM32101C8T6內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器開(kāi)始采樣，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA傳輸存儲(chǔ)于內(nèi)存中。

圖4 單片機(jī)軟件流程圖

本系統(tǒng)采用了1 000 Hz的采樣頻率。在實(shí)驗(yàn)中， X軸、Y軸和Z軸3個(gè)方向上均記錄5 000個(gè)數(shù)據(jù)， 每個(gè)數(shù)據(jù)占用2 B，3個(gè)方向的數(shù)據(jù)總共需要30 KB的存儲(chǔ)空間。為了保證采集信號(hào)時(shí)間的準(zhǔn)確性，在軟件設(shè)計(jì)中選用了STM32101C8T6的TIMER1來(lái)產(chǎn)生定時(shí)器中斷。每1 ms產(chǎn)生一次定時(shí)器中斷，在中斷程序中開(kāi)始采集腳步聲信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)區(qū)。其流程圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，當(dāng)上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)以后，首先判斷協(xié)議頭數(shù)據(jù)是否正確，若正確，則連續(xù)接收后面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)全部接收完成以后，將3個(gè)方向的加速度數(shù)字信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。轉(zhuǎn)換完成后分別將3個(gè)方向上的模擬量繪圖顯示出來(lái)，整個(gè)程序流程圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了采集到準(zhǔn)確的腳步聲信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)中采集了大量的原始腳步聲信號(hào)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境在噪聲比較小的封閉教室內(nèi)進(jìn)行，將硬件板卡的背面（即有MMA7260那面）與地面緊密接觸。測(cè)試對(duì)象分為單人和多人幾組進(jìn)行，在單人測(cè)試過(guò)程中測(cè)試對(duì)象以T=0.5 s左右的步頻行走5 s；多人測(cè)試過(guò)程中所有的人也都以T=0.5 s左右的步頻行走5 s，但每個(gè)人的開(kāi)始行走的起始點(diǎn)不同。

單人腳步聲測(cè)試以Y軸方向的加速度信號(hào)為例，測(cè)得的加速度信號(hào)如圖6所示。圖6中縱坐標(biāo)代表加速度信號(hào)的強(qiáng)度，橫坐標(biāo)代表行走時(shí)間。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腳步聲信號(hào)具有一定的周期性，每隔0.5 s左右能夠檢測(cè)到一次腳步聲信號(hào)；腳步聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間與人員的行走方式有一定的關(guān)系；人員離傳感器距離越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，腳步聲信號(hào)的強(qiáng)度逐漸降低。

圖6 單人腳步聲信號(hào)

多人腳步聲測(cè)試Y軸方向的加速度信號(hào)為例，測(cè)得的加速度信號(hào)如圖7所示。圖中縱坐標(biāo)代表加速度信號(hào)的強(qiáng)度，橫坐標(biāo)代表行走時(shí)間。測(cè)試結(jié)果表明：多人的腳步聲信號(hào)混雜在一起，在噪聲比較小的環(huán)境中能夠明顯看出多人腳步聲信號(hào)的整體輪廓；在腳步聲比較密集時(shí)，混雜在一起的腳步聲信號(hào)波形也比較密集，在腳步聲比較稀疏時(shí)，混雜在一起的腳步聲信號(hào)波形也比較的稀疏；每個(gè)人的腳步聲信號(hào)強(qiáng)度也有些差異。采集到的大量的原始數(shù)據(jù)，為后續(xù)的多人腳步聲信號(hào)的分離提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖7 多人腳步聲信號(hào)

本文設(shè)計(jì)的人員腳步聲采集系統(tǒng)板卡小巧，易于放置，系統(tǒng)整體功耗低，能夠不間斷地長(zhǎng)時(shí)間工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集到人員的腳步聲信號(hào)。采集得到的大量的原始信號(hào)為后續(xù)的單人腳步聲的特征提取及多人腳步聲的信號(hào)分離都提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在下一步的工作中，將利用采集到的原始信號(hào)分離出單一的腳步聲信號(hào)。

[1]薛召軍.步態(tài)識(shí)別研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2008，25（5）：1217-1221.

[2]田捷，楊鑫.生物特征識(shí)別技術(shù)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3] Freescale.MMA7260Q data sheet[EB/OL].http：//www.freeseale.com/webapp/sps/prod-sunmaary.jsp?code=MMA7260Q&srch=1，2006-03-02.

[4] 李爽，羅志增，孟明.基于加速度傳感器的下肢運(yùn)動(dòng)信息獲取方法[J].機(jī)電工程，2009，26（1）：5-7，16.

[5] 侯向鋒，劉蓉.加速度傳感器 MMA7260在步態(tài)特征提取中的應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（3）：508-509.