【摘要】基于MEMS的加速度计和陀螺仪，本文设计了一种人体活动的无线检测装置，可以实时获取人体活动的加速度、角速度信息。传感器数据经IIC总线汇集到MSP430单片机，封装成数据帧以后，经过ZigBee无线模块发送到PC机上，完成对数据的分析、显示和存储。ZigBee模块接口可实现多个检测装置的组网，完成对人体多个关节活动的检测。无线通讯方式提高了可穿戴性，实现无约束状态下人体活动检测。
【关键词】人体活动;惯性传感器;无线传输
Abstract：A wireless device was designed based on MEMS accelerometers and gyroscopes to detect human activities.The device could acquire acceleration and angular velocity information of human activities in real time.The sensor data were collected to MSP430 by IIC buses，sent to PC frame by frame through ZigBee modules，then analyzed，displayed and stored.Several devices could be connected into a wireless network with ZigBee modules to detect activity of multiple joints.Wireless communication improved wearable performance and realized human activity detection under free behavior.
Key words：human activity;inertial sensor;wireless transferring
人体活动是神经系统和肌肉骨骼系统综合运动功能的反应，活动信息不仅可以表述人体运动轨迹，而且可用于研究人体与周边环境的关系。因此，人体活动的检测、分析已经成为人机交互领域重要的研究内容[1]。检测到的人体行为信息，可以帮助计算机或机器人更好地完成任务。具体应用领域包括：健身训练和康复、医疗保健、紧急救援和定位跟踪等[1～3]。人们一直尝试利用不同的技术手段实现人体活动的信息获取。图像、视频是广泛使用的手段，但深受设备安装和移动的局限[4]。为了实现无约束状态下的人体活动检测，基于惯性传感器检测和无线数据传输的方案，越来越受到重视。本设计采用MEMS工艺的微型加速度计和陀螺仪，采集人体活动信息，成本低、功耗低、灵敏度高、功能完善。采用ZigBee无线网络传输数据，节省前端采集系统的空间。最终设计完成的无线检测装置，能够长期检测和记录人体活动信息。
1.总体方案
系统的总体设计方案如图1所示。通过加速度计和陀螺仪采集人体活动的加速度和角速度，传感器数据采用IIC接口汇集到MSP430单片机。ZigBee无线传输模块带有RS-485总线，可实现组网功能，将人体多个关节的活动信息实时传输到PC机上进行分析和显示。考虑到检测过程中尽量不影响人体活动状态，检测装置尽可能小巧轻便，无线传输方式极大提高了检测过程中人体活动的范围。检测装置的硬件部分由惯性传感器、MSP430F149单片机、ZigBee无线传输模块、供电电路、串口电路等组成;软件部分由Visual Stdio 2010软件编程实现。
本文选用ST公司的加速度计LSM303DLHC，它属于容感式加速度计，具有如下特点：（1）小而薄的3mm×5mm×1mmLGA封装;（2）分辨率随g的提高而提高，±16g时高达13位;（3）输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI或IIC数字接口访问;（4）-40℃～85℃的温度范围，输出受温度影响很小;（5）可以承受10000g的冲击;
选用ST公司的L3GD20陀螺仪。它采用了硅超微精密环形传感器设计，具有如下特点：（1）宽测量范围2000dps;（2）数据输出为16bit，可通过SPI或IIC数字接口访问;（3）工作温度范围为-40℃～85℃，极小的±2%温漂，能进行有效的温度补偿;（4）嵌入电源关闭和睡眠模式、嵌入温度传感器、嵌入FIFO。
图1 人体活动信息检测装置总体框架
2.信息采集
采集装置采用MSP430F149单片机，它是TI公司研发的一款超低功耗16位单片机，具有工作电压低、功耗低、数据处理能力强、内置丰富等优点，非常适用于各种要求功耗低的场合[5]。该设计中MSP430F149单片机工作流程如图2所示：初始化LSM303DLHC加速度计、L3GD20陀螺仪，准备采集和读取数据;读取和发送数据，当一帧数据发送完成将TI置1，否则继续发送数据;最后给数据加上帧头、数据通道数和帧尾形成完整的一帧数据，一帧数据发送完成后，继续下一帧数据的接收和发送。
图2 MSP430F149单片机采集信息程序流
采用的LSM303GHLC与L3GD20传感器支持IIC总线数字输出，故运用MSP430F149单片机USART0串行通信模块的IIC模式进行数据读取。IIC总线支持连续读取[6]，为了加快数据的读取速度，采用了6字节数据连续读取。表1所示为IIC连续读取的时序图。
表1 IIC连续读取时序图
根据LSM303DLHC与L3G20的IIC总线协议，以及IIC连续读取的时序图，用C语言编写IIC总线的读取程序如下：
限于篇幅，下面仅给出LSM303DHLC的初始化子程序：
3.数据传输
ZigBee技术是一种新型短距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低、传输速率不高的场合，可在各种电子设备之间进行周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输，形成自组织、多跳的无线通信网络[7]。本设计中单片机采集转换的信号经过MAX485收发器输送到ZigBee中进行数据传输。为了保证系统的稳定性，MAX485收发器采用了工业级电路如图3所示，图中J3的1和2脚分别接ZigBee模块的485（+）和485（-）脚。为方便开发，选用带有ZigBee协议的无线通信模块，如图4所示，组网配置成功后可以直接通信。
图3 MAX485收发电路
图4 ZigBee 无线模
图3MAX485收发电路为使数据能够可靠的传输到PC机串口，自定义了数据通信协议格式。数据以帧为单位进行无线传输，然后在PC机中解算出来。帧头0xA5标示数据帧的起始，帧尾0xAE标示数据帧的结束。帧头后面是数据通道数，便于解算时区分是哪个通道的数据。通道数后面是12字节的数据域，是IIC总线模式读取的加速度和陀螺仪数据。单片机串口波特率采用115200bps，8位数据位，无奇偶校验，无控制位。
用C语言编写的具体程序如下：
4.结果显示
本设计运用Windows操作系统提供的串口通信机制，调用相应的API函数进行编程实现通信，接收并处理ZigBee传输到PC机的数据。首先安装CP4002芯片的官方USB驱动，在PC机中虚拟出一个串口;然后在Visual Stdio 2010开发环境中对文件I/O函数进行操作。运用API函数收发数据不需要直接面对硬件，简化了开发流程。软件设计流程为：调用CreateFile（）函数打开串口，使用WriteFile（）函数发送数据，使用ReadFile（）函数接收数据。读取的数据首先进行CRC校验，如果经校验数据错误，则将数据丢弃，发送命令让单片机重新发送数据。如经校验数据正确，则将数据放入一个循环队列暂作缓存，以供调用。运用Ontimer（）定时器每隔10ms读取一次串口接收到的数据，经线性转换后显示。
本设计加速度的单位是g，输出值范围为0x0000～0xFFFF，测量值范围是-2g～+2g。角速度的单位是dps，输出值范围为0x0000～0xFFFF，测量值范围是-250dps～+250dps。如果接收数据位为x，输出范围设为a，测量范围设为b，则实际测量值y的折算公式为：y=x/a*b。对于加速度计，a和b分别为65535和4，则y=x/16383;对于陀螺仪，a和b分别为65535和500，则y=x/131.072。
图形显示部分运用NTGraph控件，首先对各控件先初始化，确定坐标单位和范围，绘图之前清除预存信息，避免出现曲线重合现象。调用Polyline（）函数，将折算后的实际测量值用曲线连接起来，动态实时显示结果如图5、图6。
图5 加速度的波形
图6 陀螺仪的波形
5.结论
本文结合人机交互的大背景，探讨了人体活动检测的方法和途径，设计了相应的装置。显示结果证明系统能快速准确地检测人体活动信息，实时分辨率高。采用ZigBee无线模块传输数据，提高了可穿戴性，向实际应用更加接近。
参考文献
[1]Bulling A，Blanke U，Schiele B.A tutorial on human activity recognition using body-worn inertial sensors[J].ACM Computing Surveys（CSUR），2014，46（3）：33.
[2]Zeng H，Zhao Y.Sensing movement：Microsensors for body motion measurement[J].Sensors，2011，11（1）：638-660.
[3]Grzonka S，Karwath A，Dijoux F，et al.Activity-based estimation of human trajectories[J].IEEE Transactions on Robotics，2012，28（1）：234-245.
[4]刘蓉.人体运动信息获取及物理活动识别研究[D].华中科技大学，2009.
[5]苏维嘉，王旭辉.基于MSP430单片机的数据采集系统[J].现代电子技术，2007，30（23）：117-119.
[6]王前，吴淑泉，刘喜英.基于FPGA的IIC总线接口实现方法[J].微电子技术，2002，30（3）：21-23.
[7]董海涛，屈玉贵，赵保华.Zigbee无线传感器网络平台的设计与实现[J].电子技术应用，2008，33（12）：124-126.
基金项目：武汉理工大学华夏学院科研基金项目（11027）;湖北省自然科学基金（No.2012FFB05004）;武汉理工大学自主创新研究基金（No.2012-II-017，No.2013-IV-063）。
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