王改翠

（寶雞職業(yè)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(xiàn)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(xiàn)處理及分析，此方面也是現(xiàn)代醫(yī)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)，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(huán)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(huán)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(tǒng)人體加速度信息獲取系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)容，其主要是將測量技術及檢測技術為基礎，從而實現(xiàn)人體運動信息獲取方法的不斷創(chuàng)新。

圖1 人體運動加速度信息獲取的全面內(nèi)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(xiàn)代醫(yī)學不斷發(fā)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(fā)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(tài)壓力分布進行精準的測量及記錄，通過電容式傳感器實現(xiàn)[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(xiàn)代MEMS技術不斷發(fā)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(huán)節(jié)需要測試的節(jié)點中固定，從而就能夠實現(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(jié)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(jié)奏及高速度的耐力性體能項目，運動員利用相互的協(xié)調(diào)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(jié)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(tài)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(tài)無法偽裝及隱藏。為了能夠避免在復雜環(huán)境中多種因素的影響，就出現(xiàn)了人體運動加速度信息步態(tài)識別，使數(shù)據(jù)處理難度有所降低[6]。圖4為步態(tài)與運動識別傳感器的模塊設計。

圖4 步態(tài)與運動識別傳感器的模塊設計

其三，運動和健康管理。在現(xiàn)代MEMS技術不斷發(fā)展的過程中，就出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)信息充分的展現(xiàn)出來[7]。圖5為運動狀態(tài)及運動量分析軟件的界面。

圖5 運動狀態(tài)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(tǒng)的整體設計

人體在運動過程中的特征參數(shù)及運動狀態(tài)就會不斷呈現(xiàn)出來，其中相關身體關節(jié)加速度信息在醫(yī)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(tǒng)設計過程中，使用速度傳感器實現(xiàn)人體加速度信息的獲取，對系統(tǒng)硬件設計進行了簡化，并且還能夠有效提高系統(tǒng)的使用范圍。之后，通過無線通信裝置實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)設計框架

系統(tǒng)主要包括主控系統(tǒng)及信息收集系統(tǒng)，其中主控系統(tǒng)屬于本文所設計系統(tǒng)的核心，其主要目的就是實現(xiàn)信息收集系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，并且以應用需求實現(xiàn)收集命令的傳遞，從而進行同步控制，而且內(nèi)部還具有大容量信息存儲器，其主要目的就是對其中關節(jié)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(tǒng)主要在人體關鍵節(jié)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(tǒng)進行傳遞。

2.1 系統(tǒng)硬件設計

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

圖7 加速度信息獲取系統(tǒng)的模塊設計

為了能夠將系統(tǒng)在運行過程中的能源消耗，并且降低系統(tǒng)占用的體積，硬件系統(tǒng)在設計過程中只包括無線收發(fā)、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(diào)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(tǒng)的結構設計

此種安裝方式能夠創(chuàng)新傳統(tǒng)收集系統(tǒng)在安裝過程中對正常的運動造成影響。

其中腳部系統(tǒng)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(tǒng)模塊的組成。

圖10 腳部加速度傳感器系統(tǒng)模塊的組成

本文系統(tǒng)通信使用無線通信模塊，利用半導體無線通信方案實現(xiàn)，其中實現(xiàn)功率放大器、頻率發(fā)生器、調(diào)制解調(diào)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(tǒng)在使用過程中的損耗[13]，圖11為系統(tǒng)無線通信模塊的組成結構。

圖11 系統(tǒng)無線通信模塊的組成結構

2.2 系統(tǒng)軟件設計

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

圖12 腳部系統(tǒng)的工作流程

通過圖12可以看出來，在腳部系統(tǒng)工作工作過程中，首先要實現(xiàn)其初始化，之后等待其他系統(tǒng)的同步信號，然后系統(tǒng)MCU都進入到睡眠模式，從而降低系統(tǒng)功耗。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)AD轉換，然后使MCU進入到睡眠模式，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和打包，之后對數(shù)據(jù)進行分析[15-16]。

3 結束語

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