基于CC3200的Wi-Fi無線組網式跌倒檢測系統※

高天星, 趙旭強, 馬忠梅

(北京理工大學 計算機學院，北京 100081)

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基于CC3200的Wi-Fi無線組網式跌倒檢測系統※

高天星, 趙旭強, 馬忠梅

(北京理工大學 計算機學院，北京 100081)

摘要:TI公司的CC3200是一款基于ARM Cortex-M4處理器核的微控制器，是TI SimpleLink產品線上的一員，其具有既方便又強大的Wi-Fi網絡通信能力。本文利用CC3200這些特性，結合MMA7260加速度傳感器，設計了一種新型的以Wi-Fi作為組網模式的無線加速度檢測系統，其主要應用方向為檢測人的跌倒等情況。

關鍵詞:CC3200；Wi-Fi；跌倒檢測

引言

近些年來，由于智能移動設備的飛速發展，Wi-Fi這種無線互聯技術被廣泛應用在各種各樣的生活場景中，如辦公室、咖啡廳、校園、家庭等。因此，使用Wi-Fi技術，可以以最方便快捷的方式接入到互聯網，或與其他智能移動設備互聯。在這一背景下，衍生了許多具有Wi-Fi能力的MCU，使用它們可以方便地實現物理控制功能，進行物理數據的采集。此外，通過Wi-Fi以無線的方式向智能終端傳遞數據，可以獲得更好的交互效果。

SimpleLink Wi-Fi CC3200是由TI公司研制的低功耗MCU平臺，SimpleLink Wi-Fi技術可以方便地編寫運行在CC3200上的Wi-Fi數據傳輸程序，大大降低了過去將MCU與Wi-Fi結合開發的復雜度與成本。CC3200芯片上有豐富的資源可供使用，因此將其作為開發平臺，自制了一套無線加速度傳感器采集系統，通過對加速度的實時監控，可以方便地檢測出老年人是否意外摔倒。

1平臺介紹

1.1Simplelink Wi-Fi CC3200

CC3200是內置 Wi-Fi模塊的微控制器，TI專為物聯網的開發與應用設計了這塊集成芯片。在這塊芯片上集成了高性能的ARM Cortex-M4處理器內核和Wi-Fi網絡處理器，CC3200的網絡通信能力穩定可靠，并擁有完整的安全協議。不僅如此，CC3200平臺還提供了完整的開發軟件、開發樣例、調試工具與文檔，是十分理想的開發平臺[1]。

ARM Cortex-M4處理器的運行頻率為80 MHz，并外接多種外設，包括快速并行接口、SPI、UART串口、ADC模塊等。芯片中的ROM存儲了相關外設驅動程序。此外，CC3200的網絡處理子系統包含一個802.11b/g/n射頻模塊,以滿足各頻段Wi-Fi的連接需要。而在網絡處理芯片的軟件部分，其內置了TCP/IP等協議棧，極大方便了接入互聯網的軟件操作。

1.2MMA7260加速度傳感器

MMA7260是一款低功耗、低成本的高靈敏加速度傳感器。通過調整芯片，選擇性地輸入電平，可以設定4種不同的高靈敏度模式，這些模式以加速度量程區分，包括±1.5 g、±2 g、±4 g 和±6 g，在1.5 g范圍內，敏感度可以達到800 mV/g。另外它體積非常小，采用6 mm×6 mm×1.45 mm QFN 封裝，并擁有睡眠模式以節電。以上這些特性，讓MMA7260非常適合運用于以電池供電的手持設備上[2]。

TI-RTOS是由TI開發的可裁減嵌入式實時操作系統，此操作系統是在一個名為SYS/BIOS的實時多線程內核基礎之上構建的，提供了實時多任務搶占式調度機制，并包含了硬件抽象和實時性能分析，可以有效地優化目標機的內存和CPU使用。在內核層之上，TI-RTOS不僅提供了一套設備驅動，還附加了諸如文件系統、網絡層等組件，使開發者可以將精力集中在應用的開發上[3]。

2系統設計

2.1網絡拓撲

系統的整體網絡拓撲如圖1所示，作為數據的接收方和交互終端由Android智能設備擔任，其可以是智能手機、平板等，目前攜帶無線網卡的Android智能設備，均可以在系統設置中開啟共享網絡選項，使設備變為一個無線熱點，令其他同樣采用802.11標準的無線設備可以接入。

圖1　系統網絡拓撲

因熱點AP具有一對多的連接能力，本系統采取了兩個接有MMA7260傳感器的CC3200作為Station接入熱點AP。而當選取的智能設備擁有3G上網能力時，甚至可以將數據通過3G網絡傳入位于因特網的云端，令其他觀測者獲取。采用這一拓撲結構有以下優點：

① 采用雙CC3200，極大提高了采集數據的穩定性與容錯性,即使一臺設備宕機或斷開連接，另一臺也可以正常工作。

② 使系統可攜帶。通常情況下，AP熱點由無線路由器擔任，但是對于摔倒檢測，始終令用戶隨身攜帶無線路由是不現實的，而諸如手機等智能設備是方便攜帶的。由MMA7260與CC3200組成的傳感器設備體積小，可以將其別在衣物上以便使用。

2.2接口連接

MMA7260與CC3200的連接方式如圖2所示，接入3.3 V電壓并令Sleep引腳保持高電平。g-Select1與g-Select2引腳懸空，表示選擇模式00，即為量程1.5g模式。此外，圖2中用到了6個10 kΩ電阻，這些電阻起到調整電壓的作用。CC3200的ADC引腳P58、P59、P60的輸入電壓范圍為1.5 V，如果超過這個電壓值，ADC模塊將不會檢測到電壓變化，始終判定為1.5 V[4]，而MMA7260的輸出電壓可以達到2.85 V，使用電阻并聯后輸入電壓減少至一半，即可正常檢測傳感器數據。

圖2　MMA7260與CC3200連接圖

2.3軟件設計

應用部署在TI-RTOS上，利用TI-RTOS的多線程能力，可以將運行在CC3200微控制器上的軟件分為采集任務、網絡任務、發送任務。其中，采集任務用來驅動ADC接口，收集由MMA7260傳感器得到的三軸加速度數據；網絡任務用于在CC3200啟動時與Android設備AP建立連接；而發送任務用于將采集的數據發送給AP。

當MCU啟動后，會由TI-RTOS創建3個線程，分別運行以上描述的3個任務，在這3個線程中，網絡連接的優先級最高，因為連接網絡的操作是整個檢測系統的運行基礎。采集任務和數據發送任務同步運行，由ADC采集到的三軸加速度數據存儲在公共緩沖區中，數據發送任務從公共緩沖區提取數據，并通過TCP/IP協議以數據包形式發送。

同樣，在Android設備AP上運行接收程序，這一程序周而復始地運行，采集從MCU設備傳送過來的數據，并將數據進行解析處理顯示在屏幕上。如果設備支持3G網絡，可以同時將數據上傳到物聯網云平臺，以支持遠程設備監視。

3軟件實現

3.1采集任務

CC3200提供了API以供開發者調用，所以可以很容易地獲取到CC3200的采集數據。

CC3200的ADC模塊的內存映射地址由DriverLib給出，本程序使用到的符號分別為ADC_BASE基地址、ADC_CH_1、ADC_CH_2、ADC_Ch1偏移地址。使用前對ADC模塊進行初始化，代碼如下：

MAP_ADCTimerConfig(ADC_BASE,2^17);

MAP_ADCTimerEnable(ADC_BASE);

MAP_ADCEnable(ADC_BASE);

MAP_ADCChannelEnable(ADC_BASE, ADC_CH_1);

首先使用MAP_ADCTimerConfig與MAP_ADCTimerEnable函數對ADC模塊的定時器進行設置與使能，這里使能了全部17個位作為時間戳的長度，并使用MAP_ADCChannelEnable使能ADC通道。

ADC模塊的采樣數據存儲于ADC模塊的FIFO數據寄存器中，在其32位的長度中，2～13位為采樣數據，使用DriverLib中提供的MAP_ADCFIFORead函數即可獲取相應通道FIFO數據寄存器的long型數值。之后，將采樣的X、Y、Z軸的數值向右移2位，并用掩碼去掉時間戳等多余信息，按照電壓比換算，進一步轉換為電壓值，存儲在全局數組中，以供發送程序采集使用。

3.2網絡任務

網絡任務按順序共分為3部分：第一部分在SimpleLink軟件層，將相關的網絡器件狀態調整為默認態，并調用sl_Start函數以就緒設備；第二部分為連接部分，使用函數sl_WlanConnect進行對AP的連接，將AP的SSID作為參數傳入；第三部分將設置一個循環來監聽g_ulStatus的狀態，當g_ulStatus同時滿足已獲取IP和網絡已連接狀態，說明網絡已成功連接，跳出循環使程序繼續運行。

3.3發送任務

發送任務程序采用TCP/Socket實現，MCU端作為TCP Client，首先連接運行位于AP設備上的TCP Server。使用SlSockAddr_t結構體存儲TCP Server的IP地址與端口號，并在調用連接函數sl_Connect時作為參數傳入。

數據發送代碼如下：

while (1){

sprintf(g_cBsdBuf, " x: %f y: %f z: %f ",

(((float)((pulAdcSamples1[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096,

(((float)((pulAdcSamples2[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096,

(((float)((pulAdcSamples3[4] >> 2 ) & 0x0FFF))*1.4)/4096);

// sending packet

iStatus = sl_Send(iSockID, g_cBsdBuf, 38, 0 );

}

因sl_Send每次只能發送一個數據包，故使用while循環來發送多個數據包，iSockID為建立特定Socket連接后提供的標識符，g_cBsdBuf和sTestBufLen為發送數據的緩沖區和發送長度。

3種任務通過函數的形式封裝，并使用由TI-RTOS提供的osi_TaskCreate對任務進行注冊，待系統啟動時，操作系統會自動調度3種任務。優先級最高的網絡任務優先執行，待其結束后，優先級稍低的采集任務和發送任務開始執行，兩種任務都是常駐的循環程序，所以需要在它們的循環中調用osi_Sleep函數使任務停轉，以保證另一任務可以搶占，讓多任務可以并行。在微控制器上運行的所有程序的流程圖如圖3所示。

圖3　軟件整體流程圖

3.4接收模塊

接收模塊程序在Android智能終端上實現，將其作為Android應用來實現，當應用程序啟動時，建立一個端口號為5001的TCP Server以供CC3200的TCP模塊進行連接。當連接建立成功后，Server端源源不斷地從Socket數據流讀取數據，每條數據以換行符作為分隔，包含了加速度傳感器的三軸加速度信息。

在界面上將不斷輸出變化的三軸傳感器數值，并將數值連帶時間戳寫入日志中以供觀測和統計。

4跌倒檢測

在進行跌倒測試前可以進行串口數據測試，以確定設備正常工作并得到傳感器的各狀態數值。在發送任務中使用提供的PinMuxConfg函數進行初始化，并調用UART_PRINT函數，即可按一定格式進行串口輸出。在計算機上安裝FTDI驅動之后連接CC3200，可以在設備管理器中得到設備串口號。此時，打開串口工具Trea Term，并設置波特率為115 200 bps，待CC3200連接AP正常工作后，可以看到串口終端中的數據顯示，包括X、Y、Z三個加速度方向的電壓值。

實現硬件連接、組網與程序之后，對設備進行部署，首先將傳感器佩戴在人體的臀部，這一部位相對比較穩定，在平時行進、彎腰等動作時不會對檢測造成明顯影響，并將其標志面向上與地面平行作為標準狀態。作為采集終端的AP熱點Android設備，可以置于衣物口袋中以保證連接，并每隔100 ms將數據寫入文件中。之后，進行每段時長為10 s的人體靜止、行進和摔倒動作，將文件中記錄的300條三軸電壓變化數據導入Excel表格，并做了折線圖繪制。

① 在第一個10 s內，人體保持靜止，其三軸加速度變化如圖4所示。

圖4　靜止狀態三軸電壓變化

② 在第二個10 s內，人體行進，其三軸加速度變化如圖5所示。

圖5　行進狀態三軸電壓變化

③ 在第三個10 s內，人體跌倒并倒地側臥，其三軸加速度變化如圖6所示。

圖6　跌倒狀態三軸電壓變化

通過對以上數據進行分析，可以得知在靜止狀態下，CC3200獲取的X、Y、Z三軸的電壓維持在0.65 V、0.75 V和1.05 V。而在人的行進狀態下，三軸電壓的浮動值不超過0.4 V。通過可以進一步計算出各個方向的角度值，在人體跌倒時，Z軸(即垂直方向)在一定時間(1~2 s)內大幅度下降，代表人體位置大幅下墜，其電壓的振幅超過0.5 V，通過這一條件的判斷，即可得知人體可能摔倒，并發出警告。

結語

本文利用SimpleLink Wi-Fi CC3200平臺，與MMA7260加速度傳感器結合，設計了一套新型組網方式下的加速度檢測系統。其無線的連接方式使檢測系統的部署與測試更加靈活，而通過Android智能終端提供的數據顯示與采集為分析數據帶來了極大的便利，通過分析人體摔倒時的規律，可以很好地起到跌掉檢測和報警的作用。

參考文獻

[1] Texas Instruments.CC3200 SimpleLink Wi-Fi and Internet-of-Things Solution, a Single-Chip Wireless MCU[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc3200.pdf.

[2] 陳鈺琨.LM4F232pQD與MMA7260加速度傳感器的跌倒檢測[J] .單片機與嵌入式系統應用, 2013(6): 49-52.

[3] Texas Instruments.TI-RTOS 2.14 User’s Guide[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ug/spruhd4j/spruhd4j.pdf.

[4] Texas Instruments.CC3200 SimpleLink Wi-Fi and Internet of Things Solution, a Single Chip Wireless MCU Technical Reference Manual[EB/OL].[2015-09].http://www.ti.com/lit/ug/swru367b/swru367b.pdf.

高天星、趙旭強(碩士研究生)，馬忠梅(副教授)：主要研究方向為嵌入式系統和物聯網應用。

Wi-Fi Wireless Fall Detection System Design Based on CC3200※

Gao Tianxing,Zhao Xuqiang,Ma Zhongmei

(School of Computer Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 10081,China)

Abstract：The CC3200 MCU is produced by TI company based on ARM Cortex-M4,which belongs to TI SimpleLink product line.CC3200 has powerful Wi-Fi network communication ability.In this paper,a new wireless acceleration detection system is designed using CC3200 and MMA7260 acceleration sensor,which takes Wi-Fi as the networking model.The system can be used for the falling detection.

Key words:CC3200;Wi-Fi;fall detection

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-09-11)

中圖分類號:TP368

文獻標識碼:A