分布式人體運動加速度信息無線獲取系統方案設計與實現

王改翠

（寶雞職業技術學院陜西寶雞721013）

人體運動信息的獲得和處理指的是將人體運動作為研究的對象，實現人體運動過程中加速度、速度、位移等信息的精準獲取，并且對獲得的信息實現處理及分析，此方面也是現代醫學及生物等科學領域研究過程中的主要技術，并且其還是計算機領域中的測試技術[1]。比如，現代有部分體育項目正在和電子信息技術、計算機技術及智能算法相互結合，全面實現人體運動客觀性的精密計算。如何有效獲得及時、精準及全面的運動參數，并且對獲得信息進行有效使用，是提高體育運動成績的主要手段[2]。在航空航天中，其需要在特殊環境中進行研究低氣壓、加速及高噪音等情況對人體的損傷，并且研究利用對環境的改善及提高人體運動能力，從而有效提高人體的適應能力。以上都需要將人體運動信息獲取為基礎，從而能夠提高運動信息獲得的及時性及精準度[3]。因為傳統人體加速度信息獲取系統的種種劣勢，本文就全面分析分布式人體運動加速度信息的無線獲取系統設計。

1 人體運動加速度信息的獲取方式

圖1為人體運動加速度信息獲取的全面內容，其主要是將測量技術及檢測技術為基礎，從而實現人體運動信息獲取方法的不斷創新。

圖1 人體運動加速度信息獲取的全面內容

人體運動信息獲取的方式較多，主要包括：其一，足底壓力分布檢測技術。在現代醫學不斷發展的過程中，相關研究人員希望能夠全面掌握人體足底壓力的分布。比如，德國就發明了足底壓力分布測量平臺，其能夠對平面及彎曲的表面承受動態壓力分布進行精準的測量及記錄，通過電容式傳感器實現[4]，圖2為人體足底壓力的分布圖。

圖2 人體足底壓力的分布圖

其二，加速度傳感器。在現代MEMS技術不斷發展的過程中，各種的加速度傳感器技術越來越成熟，并且在實際測試中使用，在使用過程中，其在人體環節需要測試的節點中固定，從而就能夠實現人體加速度信息的獲取。

大量相關實驗表示，人體運動加速度信息能夠將人體運動過程中的特點充分的展現出來，目前，人體運動加速度信息被廣泛應用到多個領域中，比如體育訓練、步態及動作識別、運動及健康管理等。其一，體育訓練。人體在運動過程中的指定部位及關節點加速度信息能夠將人體信息充分的反映出來，皮劃艇屬于快節奏及高速度的耐力性體能項目，運動員利用相互的協調用力，使用槳推動船進行前進。以此就能夠看出來，其能夠獲得運動人員訓練過程中的加速度信息，通過多次的反復訓練及信息反饋，從而使運動人員掌握及配合用力的節奏[5]。圖3為皮劃艇運動過程中加速度計使用的電路構成。

圖3 皮劃艇運動過程中加速度計使用的電路構成

其二，步態與動作識別。此種技術目前備受相關人員的關注，其能夠在低視頻及遠距離中進行識別，并且步態無法偽裝及隱藏。為了能夠避免在復雜環境中多種因素的影響，就出現了人體運動加速度信息步態識別，使數據處理難度有所降低[6]。圖4為步態與運動識別傳感器的模塊設計。

圖4 步態與運動識別傳感器的模塊設計

其三，運動和健康管理。在現代MEMS技術不斷發展的過程中，就出現了大量小體積及低功耗的加速度傳感器芯片，從而促進了人體運動加速度信息的使用范圍。相關研究人員利用在人體各個部位實現加速度傳感器的安裝，能夠得到人體在運動過程中的加速度信息，將人體運動的參數信息充分的展現出來[7]。圖5為運動狀態及運動量分析軟件的界面。

圖5 運動狀態及運動量分析軟件的界面

2 運動加速度信息無線獲取系統的整體設計

人體在運動過程中的特征參數及運動狀態就會不斷呈現出來，其中相關身體關節加速度信息在醫療診斷、運動健康及體育運動等方面具有重要的使用價值，本文系統設計過程中，使用速度傳感器實現人體加速度信息的獲取，對系統硬件設計進行了簡化，并且還能夠有效提高系統的使用范圍。之后，通過無線通信裝置實現數據的傳輸，并且對收集的加速度信息進行實時的分析和處理，使人體加速度運動獲取的可靠性及精準性[8]。圖6為分布式人體運動加速度信息的無線獲取系統設計框架。

圖6 分布式人體運動加速度信息的無線獲取系統設計框架

系統主要包括主控系統及信息收集系統，其中主控系統屬于本文所設計系統的核心，其主要目的就是實現信息收集系統的協調和控制，并且以應用需求實現收集命令的傳遞，從而進行同步控制，而且內部還具有大容量信息存儲器，其主要目的就是對其中關節點加速度信息進行收集和存儲，并且對計算機進行傳遞分析和處理[9]。信息收集系統主要在人體關鍵節點中安裝，其主要目的就是對人體運動速度、位移、力及加速度等信息進行收集，利用無線通信模塊對主控系統進行傳遞。

2.1 系統硬件設計

本文所研究的系統硬件構成主要包括兩個系統，分為加速度信息獲取子系統和加速度信息分析處理系統[10]。圖7為加速度信息獲取系統的模塊設計。

圖7 加速度信息獲取系統的模塊設計

為了能夠將系統在運行過程中的能源消耗，并且降低系統占用的體積，硬件系統在設計過程中只包括無線收發、加速度傳感器、MCU 3個模塊。利用MMA三軸模擬輸出加速度傳感器進行設計，其主要是通過溫度補償、單機低通濾波及信號調理等技術，能夠滿足人體加速度收集需求[11]。圖8為三軸加速度傳感器芯片對加速度方向的檢測示意圖，其中左邊圖中的芯片向上，右圖中的芯片為倒立。

圖8 三軸加速度傳感器芯片對加速度方向的檢測示意圖

并且本文還提出了全新的設計結構方式，詳見圖9。

圖9 腳部加速度信息收集系統的結構設計

此種安裝方式能夠創新傳統收集系統在安裝過程中對正常的運動造成影響。

其中腳部系統主要包括無線通信模塊、MUC模塊、電源管理模塊及加速度傳感器模塊[12]，圖10為腳部加速度傳感器系統模塊的組成。

圖10 腳部加速度傳感器系統模塊的組成

本文系統通信使用無線通信模塊，利用半導體無線通信方案實現，其中實現功率放大器、頻率發生器、調制解調器及晶體振蕩器的結合，從而提高無線通訊模塊的設計簡單性，還能夠降低系統在使用過程中的損耗[13]，圖11為系統無線通信模塊的組成結構。

圖11 系統無線通信模塊的組成結構

2.2 系統軟件設計

本文所設計的系統軟件設計主要包括上位機和下位機的數據分析處理軟件，本節還是以腳部安裝系統為例講述系統軟件的設計及工作流程[14]，圖12為腳部系統的工作流程。

圖12 腳部系統的工作流程

通過圖12可以看出來，在腳部系統工作工作過程中，首先要實現其初始化，之后等待其他系統的同步信號，然后系統MCU都進入到睡眠模式，從而降低系統功耗。在實現數據收集過程中，首先要將睡眠過程中的MCU喚醒，之后將AD轉換器開啟實現AD轉換，然后使MCU進入到睡眠模式，從而實現數據的收集和打包，之后對數據進行分析[15-16]。

3 結束語

本文實現了分布式人體運動加速度信息無線獲取系統的設計，其主要使用傳感器加速度的信息獲取方式實現人體中多個節點加速度信息的獲取，并且通過現代使用的無線通信模塊實現人體加速度信息的收集和系統中各個子系統的相互通信，從而實現系統的優化設計。最后，對本文所設計的系統進行實驗測試，在十個人身上安裝本文設計的系統，通過測試結果表示，使用無線通信實現數據傳輸，能夠使系統簡單，在測試過程中佩戴方便，并且還能夠降低系統的功能消耗，具有重要的使用價值。