基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的人體動(dòng)作信息采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　實(shí)現(xiàn)整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功能，其核心就是ZigBee協(xié)議棧，本文采用的是美國(guó)TI公司推出的Z-stack協(xié)議棧[5]。在Z-stack協(xié)議中添加了操作系統(tǒng)抽象層OSAL(Operating System Abstraction Layer)，該層好比一個(gè)簡(jiǎn)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的方式是建立一個(gè)多任務(wù)鏈表，鏈表中存放著協(xié)議棧每層的處理函數(shù)名，即指向每層處理函數(shù)的指針，并賦給每個(gè)處理函數(shù)連續(xù)的任務(wù)ID號(hào)。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，就會(huì)不斷地遞增任務(wù)ID號(hào)來(lái)查詢某任務(wù)是否有事件觸發(fā)，同時(shí)每一個(gè)觸發(fā)事件都伴隨一些數(shù)據(jù)傳遞，系統(tǒng)將事件和它的數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)消息，為此OSAL層維護(hù)了一個(gè)消息隊(duì)列，每一個(gè)任務(wù)處理事件時(shí)會(huì)調(diào)用消息接收函數(shù)來(lái)取得自己的數(shù)據(jù)包。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)以及樹狀網(wǎng)絡(luò)。由于人體動(dòng)作信息測(cè)量的終端節(jié)點(diǎn)相互距離短，測(cè)試環(huán)境在室內(nèi)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)，數(shù)據(jù)容量需求小，所以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速率較快的星形網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。

　　3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　3.1終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　(1)硬件組成

　　本文系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均采用TI公司的CC2530芯片設(shè)計(jì)。這款芯集成了一個(gè)高性能的RF收發(fā)器與一個(gè)增強(qiáng)型8051微處理器、8 KB的RAM、32/64/128/256 KB閃存以及一套強(qiáng)大的外設(shè)集[7]。終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該節(jié)點(diǎn)模塊主要由傳感器模塊、CPU內(nèi)核、RF射頻模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、DMA控制模塊、電源模塊以及晶振模塊組成。其中加速度傳感器模塊采用飛思卡爾公司的MMA7361L加速度傳感器，這是一種低功耗、高精度、模擬量輸出的三軸加速度傳感器，本實(shí)驗(yàn)采用1.5 g精度模式，其精度為800 mV/g。

　　(2)軟件設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)要滿足低功耗、采集速度快、保證一定的精度要求等特點(diǎn)。本系統(tǒng)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)平臺(tái)采用IAR Systems公司的IAR 2007開發(fā)平臺(tái)。編程采用模塊化思想,分別有加速度傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、DMA驅(qū)動(dòng)模塊、通信協(xié)議模塊以及中斷處理模塊。為將讀取的加速度模擬量值轉(zhuǎn)換為可存儲(chǔ)的數(shù)字量值，需要開啟A/D轉(zhuǎn)換，與傳感器三軸連接的GPIO口必須設(shè)置為ADC外設(shè)引腳。為了減輕CPU內(nèi)核的負(fù)擔(dān)，降低轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高收發(fā)速率，本實(shí)驗(yàn)采用直接存取訪問(DMA)控制器將加速度值從A/D轉(zhuǎn)換模塊不經(jīng)過CPU直接傳送到RF接收緩存器中，再傳送給協(xié)調(diào)器單元[8]。終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖3所示。

　　MMA7361L三軸加速度器所測(cè)得的加速度值為模擬量，經(jīng)過A/D裝換后得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，本實(shí)驗(yàn)用線性插值法計(jì)算出與實(shí)測(cè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)的加速度值。具體公式如下：

　　其中Dig為測(cè)得模擬量; A為所求的加速度值; U為電壓,其量程為0 V~3.3 V; G為重力加速度,其量程為-1.5 g~1.5 g;C為常數(shù),該A/D轉(zhuǎn)換的有效位共9位,故29為512。

　　3.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

　　協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)與終端節(jié)點(diǎn)類似，協(xié)調(diào)器軟件實(shí)現(xiàn)主要分為網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)上傳功能。網(wǎng)絡(luò)管理包括了創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò),允許新的終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并分配16位網(wǎng)絡(luò)地址，接收網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，向網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送操作命令，綁定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等操作。數(shù)據(jù)上傳則是與上位機(jī)的通信模塊，在接收到了某終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后立即送至上位機(jī),才能使上位機(jī)同步的做出加速度值變化曲線圖。為此，協(xié)調(diào)器沿用DMA控制器將RF收發(fā)緩沖器的數(shù)據(jù)不通過CPU內(nèi)核直接發(fā)送至UART串口，這樣可以保證傳輸速率同時(shí)不加重CPU負(fù)擔(dān)[9]。協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)過程如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)，所以要在確認(rèn)與3個(gè)節(jié)點(diǎn)都通信成功以后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

　　4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件是在Visual Studio開發(fā)環(huán)境下自定義編寫的。軟件界面上能顯示協(xié)調(diào)器向上位機(jī)串口所發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后分別可顯示出各終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)短地址以及對(duì)應(yīng)的三軸加速度X、Y、Z實(shí)時(shí)變化的數(shù)值，最后在每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圖框中顯示三軸的變換曲線趨勢(shì)圖，以紅、藍(lán)、綠三色線分別表示不同的方向。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，圖中有A、B、C 3個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)，分別固定在人體的手臂以及兩腿腳踝處。前兩幅曲線圖采集的是走路時(shí)左右腳的加速度值變換，圖中的波峰波谷振動(dòng)區(qū)域就是抬腳落地的過程，平穩(wěn)區(qū)則是腳和地面接觸的過程;第三幅曲線圖采集的是手臂來(lái)回?cái)[動(dòng)加速度值變化曲線，可以從X、Y方向上明顯看出周期性變化，Z方向也有小幅變化，不明顯的原因是Z方向幾乎垂直于手臂擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平面。

　　將ZigBee網(wǎng)絡(luò)用于采集人體動(dòng)作信息，介紹了采集網(wǎng)絡(luò)以及檢測(cè)平臺(tái)的總體方案，ZigBee協(xié)議棧的工作原理及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，終端節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器的軟硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)星形拓?fù)淠軌蜉^好地采集到各節(jié)點(diǎn)加速度值并上傳，通過自定義編寫的監(jiān)測(cè)軟件可以觀察加速度值的變化曲線，從而分析人體動(dòng)作的變化。該系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體動(dòng)作信息的采集，利用該采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次開發(fā)，分析動(dòng)作類別，模擬出人體的運(yùn)動(dòng)軌跡，可應(yīng)用于更廣闊的平臺(tái)。