郎子鈺 陸中成

（華東理工大學信息學院，上海 200237）

基于Intel Bay Trail微處理器的智能運動輔助系統(tǒng)設計

郎子鈺 陸中成

（華東理工大學信息學院，上海 200237）

基于Intel Bay Trail微處理器、從軟硬件角度設計專為老年人及特殊人群運動需要的智能運動輔助系統(tǒng)，并分別進行實現。其中，采用動作檢測模塊獲取人體骨骼數據，根據動作識別和評分算法對運動者動作進行評價、指導和修正；采用生命特征模塊監(jiān)測心率和體溫，對老年人可能發(fā)生的緊急情況快速反應，保障運動者的健康安全；采用環(huán)境檢測模塊監(jiān)測環(huán)境參數，對運動者所處的環(huán)境進行評估。系統(tǒng)測試結果表明：設計的系統(tǒng)較好地實現了智能運動輔助效果。

Bay Trail微處理器；生命特征檢測；環(huán)境檢測；動作識別

1.引言

隨著人們健康意識的日益增強，人們對于運動的需求也與日俱增，其中包括老年人及一些特殊人群[1]。但是，由于老年人或特殊人群年齡大或自身有障礙，運動時易發(fā)生意外。如果沒有實時監(jiān)測運動環(huán)境，就可能無法得到及時的救助，甚至可能會出現危險。因此，為這些特殊人群提供能實時監(jiān)護的智能運動輔助系統(tǒng)、以避免運動發(fā)生意外已成為許多專家學者的研究熱點[2]。

文獻[3]使用傳感器采集訓練過程中運動員的各種參數，構建數據庫，整合綜合資料、系統(tǒng)評價、訓練規(guī)劃、信息管理4個模塊，設計了一種專為帆板運動員使用的帆板訓練系統(tǒng)。文獻[4]運用虛擬現實技術，通過Kinect實現運動捕捉，建立數據庫，并與訓練者進行比對，為高爾夫學習者設計了一種高爾夫訓練系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)均意在利用高科技為現代運動提供輔助，但其共性是針對某種特定的運動項目，研究智能決策，迄今尚無針對老年人及特殊人群日常運動的智能運動輔助系統(tǒng)。

去年Intel公司發(fā)布了新一代功能強大的凌動處理器Bay Trail[5]，為解決這類問題提供了一個很好的平臺。雖然近年來也不乏一些基于以往Intel處理器的嵌入式系統(tǒng)，但是強調低功耗、小體積的Intel凌動處理器平臺與強調小體積高性能的EP80579系列系統(tǒng)芯片[6]、強調可擴展性能和低功耗的Pentium、core2、Celeron處理器[7-9]以及強調高性能的多核Xeon處理器[10]相比，更適宜于小型輔助系統(tǒng)的開發(fā)[11]。為此，本文基于Intel最新的Bay Trail處理器，使用先進傳感器Kinect[12]和其它多種外部設備，結合動作識別和動作評分算法、環(huán)境評估模型、人體健康模型，開發(fā)出一套適應于老年人及特殊人群的智能運動輔助系統(tǒng)。本文首先根據老年人及特殊人群運動需求，基于Intel Bay Trail核心處理器分別從軟硬件角度出發(fā)設計智能運動輔助系統(tǒng)；其次，分別討論此智能運動輔助系統(tǒng)的軟硬件實現；最后，分析該系統(tǒng)的測試結果，并給出進一步結論。

2.系統(tǒng)設計

由于老年人身體相對脆弱，在運動過程中易受傷，且不少老年人對自身生理特點認知不足，由此引發(fā)盲目運動，容易表現為運動的負作用；而對一些特殊人群，如運動員，他們運動時需要進行特定姿勢的標準化訓練，或初學者需要在沒有教練的情況下完成動作的學習。因此，需要系統(tǒng)具有動作識別、生命特征檢測和應急處理的功能。

近年來隨著極端天氣發(fā)生頻率增加，空氣污染越來越嚴重?？諝馕廴驹絿乐?，人體吸入的有害物質越多，身體受到的傷害也越厲害。尤其是老年或體質較弱人群，更易患肺病或心臟病，對人體健康產生嚴重影響。因此，需要系統(tǒng)具有能實時監(jiān)測當前運動環(huán)境并對其進行實時評估的功能，以及時提醒運動者如果環(huán)境惡劣，應盡量停止戶外活動。

為此，系統(tǒng)采用如圖1所示的設計構架，其中左側為硬件部分，右側為軟件部分。

圖1 系統(tǒng)設計總框架

2.1 硬件設計

系統(tǒng)硬件以采用22nm Silvermont CPU架構的Intel Bay Trail為核心處理器，其特點是執(zhí)行效率和性能比Clover Trail+平臺Atom平板芯片高2倍以上，且可流暢運行Windows 8.1操作系統(tǒng)，功耗極低。系統(tǒng)硬件組成包括如下功能模塊。

（1）動作檢測模塊

動作檢測模塊主要以微軟公司生產的Kinect的3D體感攝影機作為核心輸入設備，提供RGB彩色數據、深度數據和骨骼數據，其同時具有導入即時動態(tài)捕捉、影像辨識、麥克風輸入、語音辨識等功能，與Bay Trail處理器通過USB接口連接，用于檢測運動者的動作。

（2）環(huán)境檢測模塊

把溫度、濕度和PM2.5指標作為判斷環(huán)境是否適合運動的重要指標，則環(huán)境檢測模塊應包括溫度傳感器、濕度傳感器和PM2.5污染物檢測傳感器，用于檢測運動環(huán)境的溫度、濕度及PM2.5等環(huán)境指標，以評判環(huán)境是否適宜于老年人及特殊人群運動，以避免惡劣條件下運動，保障運動者身體健康。其中，溫度傳感器采用美國DALLAS半導體公司的DS18B20，可編程分辨率為9～12位，測溫精度高，轉換時間短。濕度傳感器采用HUMIREL公司的HS1101，具有響應時間快、可靠性高和長期穩(wěn)定的特點。PM2.5傳感器采用SYHITECH公司的DSM501，可靈敏檢測直徑1微米以上的粒子。每個傳感器使用單獨的電路控制，采集到數據后，通過串行接口傳輸給處理核心。

（3）生命特征檢測模塊

生命特征檢測模塊基于MSP430單片機，采集運動者的心電信號，然后通過相應的軟件模塊算法對心電信號進行處理轉換；主要用于檢測運動者心率，以此判斷運動者的運動量是否適宜。

（4）顯示外設

為了使用戶有更加真實生動的運動體驗，系統(tǒng)設計中采用便攜式投影儀作為顯示輸出設備，并通過VGA接口與Intel Bay Trail處理器連接。

（5）快速響應機器人

為了使老人群體可以在安全舒適的環(huán)境下享受運動帶來的樂趣，同時保障他們運動安全，特設計快速響應機器人模塊。快速響應機器人模塊采用ZigBee無線通信進行控制。如果運動者有特別需求，則快速響應機器人模塊收到特定信號，通過路徑識別及時來到運動者身邊，可協助運動者自救，以確保體驗者的健康安全。

（6）3G通信模塊

3 G通信模塊以Intel Bay Trail平臺為基礎擴展出，用于當檢測到異常情況時及時發(fā)送信息通知指定部門。2.2軟件設計

針對運動用戶實際需求，設計與系統(tǒng)相關硬件對應的軟件，主要包括如下的動作識別模塊、環(huán)境評估模塊、生命特征應急模塊和網絡發(fā)送與機器人控制模塊等。

（1）動作識別模塊

動作檢測模塊將硬件動作檢測模塊獲得的數據進行處理，設計采用特征提取方法，通過關節(jié)點位置的交叉和關節(jié)點之間的角度確定進行動作識別、根據動態(tài)時間規(guī)整（Dynamic Time Warping，DTW）算法進行動作評分，并以分數形式表示運動動作完成好壞。

（2）環(huán)境評估模塊

鑒于高溫環(huán)境下運動會引起體溫升高，心率加快；高濕環(huán)境下運動，肌力會受空氣濕度影響，容易引起損傷；而空氣質量又會引起運動者肺部疾病等。因此，環(huán)境評估模塊可將硬件環(huán)境檢測模塊監(jiān)測得到的環(huán)境參數進行相應的處理。若環(huán)境條件惡劣不宜運動，則應及時發(fā)出警告信號。

（3）生命特征應急模塊

生命特征應急模塊將硬件生命特征檢測模塊檢測到的運動者心率，建立心率與運動的對應關系，通過監(jiān)測心率，依據運動者的年齡和期望達到的運動效果為其制定合理的運動安排，起到運動輔助的作用。如發(fā)現運動者心率異常則應立即發(fā)出警告并迅速終止運動，啟動快速響應機器人處理緊急情況，并發(fā)送數據給指定部門以提高救援效果。

（4）網絡發(fā)送與機器人控制模塊

若生命特征應急模塊檢測出異常情況，則網絡發(fā)送與機器人控制模塊應對其做出及時響應。一方面啟動通信程序，通過3G網絡發(fā)送消息給指定的醫(yī)療部門；另一方面通過ZigBee發(fā)送一個啟動字符至機器人，機器人收到啟動字符后，利用光電傳感器實現路徑識別來到運動者身邊，為其提供藥物及自救設備。

3.系統(tǒng)實現

根據系統(tǒng)總體設計和軟硬件設計，分別從硬件、軟件角度實現系統(tǒng)。

3.1 硬件實現

系統(tǒng)硬件實現架構如圖2所示。其中，動作識別模塊信息來自動作檢測核心設備Kinect，其從運動圖像中提取運動者人體骨骼數據，通過USB接口與處理器連接，將提取到的數據返回處理器，作為老年人和特殊人群的動作分析依據。

環(huán)境監(jiān)測模塊包括三個傳感器即溫度、濕度和PM2.5傳感器，每個傳感器采用單獨的電路控制，獨立工作，采集到數據后，共用一個串行接口分三個通道時分復用發(fā)送給處理器。

生命特征檢測模塊包括心率和體溫兩個傳感器。其中心率傳感器通過采集裝置電極片采集人體心電信號進行濾波、放大及A/D轉換和處理，并將處理后的心電信號通過串行接口發(fā)送給處理器，進行實時顯示。

顯示設備投影儀通過VGA接口與Bay Trail處理器連接。

圖2 系統(tǒng)硬件實現架構

3.2 軟件實現

軟件實現流程如圖3所示。首先初始化各模塊包括基于Kinect的動作檢測模塊、生命特征檢測模塊、環(huán)境檢測模塊及通訊模塊，然后判斷是否進入與動作檢測模塊、生命特征檢測模塊和環(huán)境檢測模塊相應的主循環(huán)。

（1）與動作檢測模塊相應的主循環(huán)

首先，通過Kinect設備，調用其SDK工具集，獲得人體骨骼節(jié)點的三維坐標；然后，使用動作判別算法比對實時讀入的骨骼數據與初始化過程中讀入的開始動作數據，若一致，則運動開始，否則跳轉回主循環(huán)繼續(xù)比對開始動作；運動開始后，將讀入數據和標準動作集里的數據一一比對，將偏差輸入打分系統(tǒng)打分；最后，判斷是否做出結束動作，如是，則程序結束。

圖3 系統(tǒng)軟件實現流程

（2）與生命特征檢測模塊相應的主循環(huán)

首先調用串口數據獲得生命特征數據（體溫、心率）；然后根據健康運動的數學模型計算，獲得此時的健康指標；再判斷健康指標是否超標，如不超標，則返回主循環(huán)，繼續(xù)監(jiān)測；如超標，發(fā)送啟動數據給快速響應機器人，機器人自主運行，通過3G網絡發(fā)送此時的生命特征數據給指定位置。

（3）與環(huán)境檢測模塊相應的主循環(huán)

首先調用串口數據獲得環(huán)境參數（溫度、濕度、PM2.5）；然后根據環(huán)境評估模型計算環(huán)境指標；最后判別指標是否超標，是則發(fā)出警報，否則返回主循環(huán)，繼續(xù)監(jiān)測。

以溫度檢測為例分析程序運行過程。首先初始化溫度傳感器DS18B20，設置采樣間隔為0.5秒，然后將采集到的溫度值串行傳輸給上位機，上位機顯示并判斷是否超出了預設參數。若接收到的溫度值連續(xù)10次超出預設參數，則蜂鳴器發(fā)出警報；若沒有超出預設參數，則蜂鳴器不會報警。最后再次進入循環(huán)，如圖4所示。濕度檢測和PM2.5檢測與此類似，故不再贅述。

圖4 溫度檢測子程序框圖

4.系統(tǒng)測試

基于上述系統(tǒng)的設計和實現，分別從動作識別、動作評分、生命特征、環(huán)境及系統(tǒng)總體性能等方面對系統(tǒng)進行測試。

4.1 動作識別測試

動作識別模塊在系統(tǒng)的客戶端，其運行界面如圖5所示。

圖5 客戶端運行界面

為了測試動作識別算法的實際效果，選取5個動作，分別進行20次測試。測試結果如表1所示。表1動作識別測試結果

從測試結果來看，系統(tǒng)對上半身動作的識別效果較好，其中舉起左手、舉起右手和T字形動作的識別率達到了100%；對下半身動作的識別效果不如上半身，但仍然保持了較高的識別率。

4.2 動作評分測試

為了測試動作評分算法的實際效果，一名舞蹈水平普通的運動者將同一段舞蹈以由慢到快的速度重復三遍。以等時間間隔（1s）對實時分數進行采樣，將采集到的分數繪制圖像如圖6所示。

圖6 得分-難度關系圖

從圖6中可以看出，舞蹈速度增加，動作難度也隨之增加，得分明顯分為3個階段，每個階段逐步降低。盡管個別幀的差別較大，但是總體看來，運動者在動作難度較高的情況下得分更低，符合客觀規(guī)律，證明了評分算法的有效性。

4.3 環(huán)境檢測和心率檢測測試

圖7 環(huán)境與心率監(jiān)測數據

圖3是圖5的局部放大。在100次測試中，由系統(tǒng)模塊測量出的心率與由普通大型心電圖儀測量出的心率相比，二者完全相等發(fā)生24次，相差1發(fā)生39次，所有樣本中二者的差值不超過4。顯然，系統(tǒng)溫度和濕度檢測模塊的精度較高，但PM2.5模塊的檢測值與實際稍有差距。

5.結論

基于兼具小體積、低功耗和靈活性的Intel Bay Trail微處理器設計的系統(tǒng)很好地實現了智能運動輔助功能，為運動者尤其是老年人和具有特殊需要的人群提供了一種健康先進的交互式體驗。其主要優(yōu)勢在于：①動作識別率高，測試表明識別率在95%以上；②采用快速的動作識別評分算法，實時性強，能夠及時給予用戶信息反饋；③使用先進傳感器Kinect，實現了較好的視覺效果，給運動者以全新的運動感受；④快速反饋機制保障運動安全，輔助運動者實現健康科學運動。

目前，系統(tǒng)的應用尚待擴展到學生廣播體操教學、舞蹈教學、以及特殊學校的體育教學等。同時，后續(xù)的研究工作將對算法進行優(yōu)化，以更精確地識別復雜動作，并在軟件開發(fā)端擴充數據庫，添加自定義修改動作特征參數的功能以及更多的環(huán)境檢測與生命體征檢測功能，以滿足用戶日益豐富的運動需求。

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（責任編輯 張蓓）

TP212

A

1008－7257（2015）03－0064－04

2015－01－21

郎子鈺（1993－），女，河南洛陽人，華東理工大學信息學院信息工程專業(yè)，研究方向為信號處理、嵌入式系統(tǒng)；陸中成（1958－），男，上海人，華東理工大學副教授，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、人工智能、計算機視覺。