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項目方案解決書項目名稱：人體姿態(tài)檢測小組成員：趙旭 管晨霞 孟志彬目錄一、 引言.31.1 項目背景31.2 問題的提出41.3研究目的與意義.51.4參考資料.5二、系統(tǒng)的架構(gòu).52.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.52.2子系統(tǒng)列表.6三、各模塊的實現(xiàn).73.1傳感器模塊.83.2 下位機的實現(xiàn).133.3 上位機的實現(xiàn).183.4 數(shù)據(jù)庫.23四、總結(jié).24一、 引言1.1 項目背景21世紀被稱為“銀發(fā)世紀”，世界范圍內(nèi)的老齡化浪潮滾滾而來。人口的老齡化是一種全球性的發(fā)展趨勢，中國也不例外。隨著中國經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，人們的平均壽命在不斷延長。按聯(lián)合國分析世界人口結(jié)構(gòu)所用的定義，65歲以上的老年人和60歲以上的老年人分別占總?cè)丝诘?和10的社會稱為老齡化社會。而根據(jù)中國人口信息研究中心的調(diào)查統(tǒng)計，2000年中國60歲以上人口比例為1031，65歲以上人口占總?cè)丝诘谋壤秊?171，按照國際標準來衡量，中國已經(jīng)步入老齡化社會，而且在今后幾十年其老齡化趨勢將愈加明顯。發(fā)達國家的老齡化是建立在工業(yè)高度發(fā)達的基礎(chǔ)上，工業(yè)化所積累的財富為老齡化問題的緩解提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障，而中國的老齡化是由于人口生育率的下降及人均壽命延長的結(jié)果，超前于經(jīng)濟的發(fā)展。另外，隨著人們與外界交流的日益密切，價值觀念與生活方式也發(fā)生了轉(zhuǎn)變。社會學家把家中有老人但無子女或子女都不在老人身邊的家庭稱為“空巢家庭”。近些年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，居住方式的變化，家庭結(jié)構(gòu)的小型化，以及人口流動的加速，子女數(shù)的減少，代際居住的分離傾向，人口預期壽命的延長，其老人家庭空巢率正在不斷的加大。近10年來，我國空巢家庭一直呈上升之勢，1987年全國空巢家庭與老年人家庭的比例是167，2000年全國第五次人口普查數(shù)據(jù)表明，“空巢家庭”戶占到老年家庭的2283，而2004年上升到25.8%。在一些大城市，空巢家庭問題更為突出。2004年，北京市空巢家庭的比例為34%，上海市為34.8%，廣州市為30%，天津市為36.5%。尤其值得注意的是，單身獨居老人在老年人口中的比例，也由1999年的3.8%上升到2004年的112。隨著獨生子女的父母步入老年，空巢家庭將成為我國老年人家庭的主要形式，預期到了2030年空巢老年人家庭的比例將達到90，屆時我國老年人家庭將空巢化。1.2問題的提出在上一節(jié)中已經(jīng)討論討論了兩個趨勢，一個是人口老齡化的趨勢，一個是老年人口中家庭空巢化的趨勢。在越來越多的老年空巢家庭當中，許多老人的健康保障存在問題。對于作為監(jiān)護人的獨生子女父母這一代，既要撫養(yǎng)和教育子女，又要贍養(yǎng)和照顧四位老人對他們無疑是非常沉重的負擔。對于社會來說，中國是在經(jīng)濟尚不發(fā)達的階段出現(xiàn)人口的老齡化，社會化福利服務體系的發(fā)展水平還比較落后，現(xiàn)階段國家和社會還無法建立設(shè)施先進、服務系統(tǒng)、項目齊全的社會福利服務體系。而對于老人本身而言，他們也希望能夠在自己的家里安居晚年。因此，老年人由誰來監(jiān)護和護理已經(jīng)成為了一個社會問題。1.3研究目的與意義 當今計算機通信技術(shù)和傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)應用到了社會生活的個個方面，比如工業(yè)控制以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，但在人們?nèi)粘Ｉ钪袘孟鄬^少，尤其是在老年人監(jiān)護系統(tǒng)中。我們希望能夠利用計算機通信技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計一套老年人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)，通過固定在人體四肢上的傳感器來實時捕捉人體姿態(tài)的變化，然后通過計算機網(wǎng)絡技術(shù)將傳感器的數(shù)據(jù)傳到計算機控制端，來完成對人體姿態(tài)的檢測，以此來判斷人姿態(tài)的變化。1.4參考資料基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測技術(shù)的研究與應用無線傳感器在人體關(guān)節(jié)運動姿態(tài)檢測中的應用基于CC2430的ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點設(shè)計PC機與MSP430串口通信實現(xiàn)的方法基于MSP430的無線應用二、系統(tǒng)的架構(gòu)2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖室內(nèi)方案：室外方案：2.2子系統(tǒng)列表 表名：子系統(tǒng)列表子系統(tǒng)列表子系統(tǒng)功能概述子系統(tǒng)之間的關(guān)系傳感器傳感器主要使用的是三軸加速度傳感器，分別固定在四肢的關(guān)節(jié)處，利用壓力感應出關(guān)節(jié)的變化，同時借助無線模塊和ZigBee協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。傳感器位于用戶身上，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)實時的通過ZigBee協(xié)議發(fā)送到單片機內(nèi)，單片機將接收到的數(shù)據(jù)處理分析，再通過串口通信傳送到PC端，PC端的軟件將實時顯示人體姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時動態(tài)的模擬出此時的人體姿態(tài)三維圖像，同時PC端還會將相關(guān)數(shù)據(jù)以及三維動態(tài)視頻自動的保存到數(shù)據(jù)庫中，可實現(xiàn)歷史查詢功能。下位機主要是基于單片機的控制系統(tǒng)，與傳感器通信需要使用ZigBee協(xié)議，將傳感器發(fā)送來的信號通過串口通信傳送給PC。上位機上位機主要是人機交互界面，將用戶姿態(tài)的相關(guān)參數(shù)一一列出，并且能夠?qū)崟r顯示人體三維姿態(tài)圖像。數(shù)據(jù)庫保存檢測到的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的人體姿態(tài)三維動畫。三、各模塊的實現(xiàn)3.1傳感器模塊 3.1.1傳感器的放置與測量1、手臂上三軸加速度傳感器如圖所示在人體各個關(guān)節(jié)上建立相對坐標系，一豎直方向為z軸，確定該軸的豎直方向的運動狀態(tài)，然后以水平方向建立x軸和y軸。在手臂上可以按兩個傳感器s1和s2，分別測量兩個關(guān)節(jié)處得三軸加速度。先有s1測出其三軸加速度！由此可以確定整個大臂的運動狀態(tài)！再由大臂s1到s2距離可以計算出s2點的運動狀態(tài)。然后由s2側(cè)出的三軸加速度，則可以確定整個小臂的運動狀態(tài)！ 2、腿部的運動狀態(tài)腿部相應的和手臂有些相似但需要安放三個傳感器，在腳踝上安放一個加速度傳感器，以軸為基點建立三軸坐標，同樣，以豎直方向為z軸，以水平方向建立x和y軸，可以測量小腿的三軸方向上的加速度 ，同樣根據(jù)小腿的長度，可以確定膝關(guān)節(jié)處點的運動狀態(tài)。相應膝關(guān)節(jié)上也，以膝蓋為基點建立水平方向的x和y軸，以豎直方向建立z軸，通過測量三個方向的加速度，確定大腿運動狀態(tài)，同樣在臀部關(guān)節(jié)處安裝加速度傳感器，可以測量臀部以上身體的大體運動狀態(tài)！3、腰椎部傳感器 通過測定腰椎部得加速度變化，可以測定整個腰部的姿態(tài)變化，其實這個部分是最重要的。腰椎部是整個身體的聯(lián)系，腰部還可以確定肩部關(guān)節(jié)這個基點的位置，可以通過身體的各個部位之間的距離確定各個點的位置。3.1.2、元件：1、傳感器飛思卡爾開發(fā)的基于 MEMS (微機電系統(tǒng))的三軸向低重力加速計 MMA7260Q，是一款低成本微型電容式加速度傳感器。該芯片采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術(shù)，是一款單芯片設(shè)備，具有三軸向檢測功能，以極高的靈敏度讀取低重力水平的墜落、傾斜、移動、放置、震動和搖擺，使便攜式設(shè)備能夠智能地響應位置、方位和移動的變化。MMA7260Q 封裝尺寸很小，只需較小的板卡空間，另外還提供快速啟動和休眠模式。這些特性使 MMA7260Q 成為采用電池供電便攜式電子產(chǎn)品的理想之選。MMA7260Q 的可選靈敏度允許在 1.5 g、2g、4g 和 6g 的不同范圍內(nèi)進行設(shè)計。它的 3A睡眠模式、500A 低運行電流、1.0ms 的快速啟動響應時間以及 6mm6 mm1.45mm的 QFN 小巧包裝等其他特性，使圍繞 MMA7260Q 的設(shè)計活動輕松方便、經(jīng)濟高效。 MMA7260Q傳感器 MMA7260Q 芯片廣泛應用于各領(lǐng)域，對于不同的應用，重力加速度級別應該有不同的選擇。 自由落體檢測：12g，應用于移動硬盤驅(qū)動、手機、PC 筆記本和 MP3 播放器。 傾斜控制：12g，應用于移動識別、用戶界面滾動和游戲。搖擺：810g，應用于電機穩(wěn)定性。測震學：0.0022g，應用于地震檢波器和地震開關(guān)。震動檢測：28g，應用于裝運處理。步程計：1020g 應用于跑步和生理學。由此可見，人體跌倒檢測適用的是 12g 的級別。MMA7260Q 三軸加速傳感器是檢測物件運動和方向的傳感器，它根據(jù)物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。各軸的信號在不運動或不被重力作用的狀態(tài)下（0g）,其輸出為1.65V。如果沿著某一個方向活動，或者受到重力作用，輸出電壓就會根據(jù)其運動方向以及設(shè)定的傳感器靈敏度而改變其輸出電壓。用 MSP430 單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換器讀取此輸出信號就可以檢測起方向。2、無線收發(fā)元件這次使用的信號發(fā)送模塊是RF2420，該模塊是使用TI-Chipcon公司的CC2420無線通信芯片開發(fā)而成。是符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，工作在2400-2483.5MHZ 的ISM 頻段，電池消耗低，同時分別給每個發(fā)射模塊設(shè)置地址或是唯一識別的協(xié)議頭，以此有利于數(shù)據(jù)的傳輸，將傳感器傳出的信號傳輸?shù)絉F2420接收并發(fā)送到MSP430的信號接收模塊！且給每個傳感器分配地址。匯總到單片機處理，再傳給pc機處理！RF2420特點：(1) 采用TI公司的CC2420無線芯片，工作在2400-2483.5 MHz的ISM和SRD頻段.-采用直接序列擴頻方式.-工作速率250kbps，碼片速率2 MChip/s.-使用O-QPSK調(diào)制方式.-高靈敏度（-95dBm）.-較低的電流消耗（RX :13.3 mA TX:17.4 mA).-抗鄰頻道干擾能力強(39dB)-內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器.-采用低電壓供電(2.13.6V).-輸出功率編程可控.(2) IEEE802.15.4-2003標準MAC層硬件支持.-前導碼與同步字段自動生成與檢測.-CRC-16自動生成與檢測.-空閑信道檢測.-能量檢測、接收信號強度與鏈路質(zhì)量指示.-MAC層安全保護(CTR,CBCMAC,CCM)支持.(3) 采用4線SPI標準接口,便于MCU配置.(4) 獨立的128字節(jié)RX和128字節(jié)TX數(shù)據(jù)FIFO.(5) 模塊采用PCB天線，直線收發(fā)距離20-50米，模塊尺寸32mm*47mm3.2 下位機的實現(xiàn)MSP430系列單片機是目前工業(yè)界中性價比高、功耗低的Flash 16位RSIC微控制器。因此我們的方案是基于MSP430和 CC2420的傳感器信息自動采集系統(tǒng)，主要包括傳感器模塊、無線模塊、PC終端、室內(nèi)定位等。圖一為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)通過無線模塊發(fā)送和接收外部無線射頻信號，MSP430單片機控制數(shù)據(jù)的接收、處理、傳輸，將數(shù)據(jù)打包后通過串口通信傳送至PC機。1、MSP430與傳感器的通信(1) 信息接收： MSP430通過CC2420無線接收來自傳感器的信息，同時通過ZigBee協(xié)議的地址分配識別人體不同部位的傳感器信息包括：上肢、腰部、下肢。 （2）室內(nèi)定位：采用射頻識別技術(shù)。射頻識別技術(shù)利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別和定位的目的。這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。在室內(nèi)東西南北各安裝一個讀卡器，讀卡器與腰部的CC2430中間進行自動交換信息，然后讀卡器將這些信息通過Zigbee傳到與MSP430連接的CC2430，進而通過串口通信傳給PC機。2、MPS430單片機與PC機的通信（1）硬件部分：MSP430單片機通過RS-232接口電路與上位機進行通信，接收上位機傳來的控制指令，并可將采集的信號上傳至上位機。如圖1-1，串行口的電平轉(zhuǎn)換器（MAX232ACPE）實現(xiàn)單片機電平與RS232電平的相互轉(zhuǎn)換。（2）下位機(MSP430單片機)程序設(shè)計包括初始化設(shè)計、串口中斷服務設(shè)計和主處理程序設(shè)計主處理程序包含初始化、設(shè)置串口工作方式、對接收到的數(shù)據(jù)進行處理以及封裝需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。下面是它的程序代碼。#include #include sp3220.h/定義串口操作變量char nRev_UART1;/ 串口 1 的接收標志char UART1_TX_BUF60;/ 串口 1 的發(fā)送緩沖區(qū)char UART1_RX_BUF60;/ 串口 1 的接收緩沖區(qū)int nTX1_Len;char nRX1_Len;char nRX1_Len_temp;char nTX1_Flag;int nSend_TX1;void main(void)int nRes_UART1; int nRes = 0; char UART1_RX_Temp60; int i; int n;WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 關(guān)閉看門狗 _DINT(); / 關(guān)閉中斷 Init_CLK(); / 初始化時鐘 Init_Port(); / 初始化端口 Init_UART1(); / 初始化串口1_EINT(); / 打開中斷for(;) / 進入處理循環(huán) if(nRev_UART1 = 1) /如果有接收中斷 nRev_UART1 = 0; for(i = 0;i nRX1_Len;i+) UART1_RX_Tempi = UART1_RX_BUFi; / 將接收到的數(shù)據(jù)拷貝到臨時緩沖區(qū)。nRes = ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len);switch(nRes) case 1： nTX1_Len = 3;/ 設(shè)置中斷標志，進入發(fā)送中斷程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0;break;case 2： nTX1_Len = nRX1_Len + 3;/ 設(shè)置中斷標志，進入發(fā)送中斷程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0;break;case -1: nTX1_Len = 6;/ 設(shè)置中斷標志，進入發(fā)送中斷程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0; break;在上面的程序中主要根據(jù)“ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len)”對得到的結(jié)果進行處理，向PC發(fā)送響應數(shù)據(jù)，如果接收到的數(shù)據(jù)有錯誤，則發(fā)送“ERROR”。數(shù)據(jù)封裝完成后，設(shè)置“nTx1_Len”的長度，并通過“IFG2 |= UTXIFG1;”發(fā)送中斷，從而使中斷處理程序進行數(shù)據(jù)發(fā)送.上面程序中“ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len)”主要處理接收到的數(shù)據(jù)并返回相應的代碼以使主程序處理。3.3 上位機的實現(xiàn)3.3.1 開發(fā)工具的選擇 PC端上的上位機將采用VC編寫，VC+6.0是Microsoft公司推出的一個基于Windows系統(tǒng)平臺、可視化的集成開發(fā)環(huán)境，它的源程序按C+語言的要求編寫，并加入了微軟提供的功能強大的MFC(Microsoft Foundation Class)類庫。MFC中封裝了大部分Windows API函數(shù)和Windows控件，它包含的功能涉及到整個Windows操作系統(tǒng)。MFC不僅給用戶提供了Windows圖形環(huán)境下應用程序的框架，而且還提供了創(chuàng)建應用程序的組件，這樣，開發(fā)人員不必從頭設(shè)計創(chuàng)建和管理一個標準Windows應用程序所需的程序，而是從一個比較高的起點編程，故節(jié)省了大量的時間。另外，它提供了大量的代碼，指導用戶編程時實現(xiàn)某些技術(shù)和功能。因此，使用VC+提供的高度可視化的應用程序開發(fā)工具和MFC類庫，可使應用程序開發(fā)變得簡單。 VC+由于本身計算能力和處理數(shù)據(jù)能力不強，而MATLAB在這些方面功能很強大，它是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，VC+和Matlab互聯(lián)可用Matcom軟件和Matlab自身的引擎函數(shù)庫實現(xiàn)。3.3.2 關(guān)鍵代碼的實現(xiàn)1、串口通信：MSComm控件是微軟開發(fā)的專用通信控件，封裝了串口的所有功能，使用很方便，但在實際應用中要小心對其屬性進行配置。以下是用到的一些重要的方法：CommPort：設(shè)置串口號，類型 short :1-comm1 2-comm2.Settings：設(shè)置串口通信參數(shù)，類型 CString :B波特率，P奇偶性（N無校驗，E偶校驗，O奇校驗），D字節(jié)有效位數(shù)，S停止位。PortOpen：設(shè)置或返回串口狀態(tài)，類型 BOOL：TURE打開，F(xiàn)ALSE關(guān)閉。InputMode:設(shè)置從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的格式，類型 long： 0-Text 1-Bin。Input:從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，類型 VARIANT。InBufferCount:接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)，類型：short。InBufferSize:接收緩沖區(qū)的大小，類型：short。Output:向發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，類型：VARIANT。OutBufferCount:發(fā)送緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)，類型：short。OutBufferSize:發(fā)送緩沖區(qū)的大小，類型：short。InputLen:設(shè)置或返回Input讀出的字節(jié)數(shù)，類型：short。CommEvent:串口事件，類型：short。程序示例：串口初始化if (!m_comm.GetPortOpen()m_comm.SetPortOpen(TURE); /*打開串口*/m_comm.SetSettings(4800,n,8,1); /*串口參數(shù)設(shè)置*/m_comm.SetInpu