[發明專利]基于無線體域網的可穿戴式多節點三維運動監測系統

有效

• 申請號: 201610021740.2
• 申請日: 2016-01-13
• 公開（公告）號: CN105686833B
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 顧冬云;施黃駿;王凱
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

1.一種基于無線體域網的可穿戴式多節點三維運動監測系統的三維運動監測方法，其特征在于，所述的系統包括：含有傳感器、節點微控制器和藍牙收發模塊的傳感器節點和設置于移動終端上的多節點數據處理模塊及可視化模塊，其中：移動終端通過藍牙方式與多個傳感器節點建立一對多的通信網絡；

所述的傳感器內設有三軸加速度計和三軸陀螺儀，實時采集人體各節段或各關節在X、Y、Z三個方向的加速度和角速度數據，并通過I2C的總線協議傳輸至節點微控制器，節點微控制器通過UART接口將壓縮并打上時間戳后的數據包傳輸給藍牙收發模塊；

所述的多節點數據處理模塊采用多線程架構方式進行多節點數據處理，對多個傳感器節點發送的數據進行解析處理，可視化模塊顯示多節點數據處理模塊的處理結果；

所述的三維運動監測方法，包括以下步驟：

1)傳感器節點將傳感器得到的運動或生理數據通過節點微控制器進行數據壓縮處理，通過節點微控制器中的寄存器為數據加上起始標記、節點編號、傳感器數據類型、時間戳和結束標記；節點微控制器檢測藍牙收發模塊接收到的數據包，判斷其內是否包含正確的控制幀；

2)移動終端搜索判斷是否有上電的傳感器節點，當發現上電的傳感器節點時，則進入數據接收及處理模型，每隔一個搜索周期搜索藍牙設備的情況，當有其他傳感器節點存在時，分別為多節點數據處理模塊的原始數據單元和數據存儲單元各分配一個讀寫鎖；

3)多節點數據處理模塊通過藍牙連接線程，以Mac地址為準與傳感器節點的藍牙收發模塊相連，待連接后返回藍牙套接字并注銷藍牙連接線程；

4)數據存儲線程循環讀取socket流的內容，為原始數據單元加上寫鎖，并將其存儲至第一動態數組內；運動姿態解算線程循環檢測原始數據單元的狀態，當原始數據單元的寫鎖被釋放時，則為原始數據單元加上讀鎖并讀取數據內容，將該數據內容去除幀頭、幀尾和解壓數據內容處理后，為第二動態數組加上寫鎖并按序存入數據存儲單元中，然后解開資源的寫鎖；最后多節點數據處理模塊按需開辟相應的線程，讀取存放處理后的有序數據單元，為其加上寫鎖；

5)根據采集獲取的傳感器節點的加速度變化特征，通過設定加速度的動態閾值，判斷人體步態周期，計算步態時空參數；根據采集獲取的腰背部節點的加速度數據，判斷人體跌倒過程中的三種狀態，即失重、超重和靜止狀態。

2.根據權利要求1所述的三維運動監測方法，其特征是，所述的解析處理包括：

一、對各個節點數據分時依次處理，得到每個節點單獨的時空參數和姿態信息；

二、多個節點數據的融合處理，得到這些節點相互依賴的姿態信息；

所述的姿態信息，通過基于卡爾曼濾波的姿態算法實現，從而提高了姿態解算準確度；

所述的多個節點數據的結構類型包括：起始標記、節點編號、傳感器數據類型、數據內容、時間戳和結束標記，其中：起始標記標示數據幀的起始，節點編號為傳感器節點的唯一不可重復編號，傳感器數據類型由傳感器類型及傳感器采用的控制模式組成，數據內容包含了經過節點微控制器處理的傳感器所得數據，時間戳包含了發送該數據幀時單片機所經過的時間，結束標記表示了數據幀的結束。

3.根據權利要求2所述的三維運動監測方法，其特征是，所述的姿態信息為兩個節段之間的角度。

4.根據權利要求1所述的三維運動監測方法，其特征是，所述的節點微控制器內設有寄存器，該寄存器將壓縮后的加速度和角速度數據上添加起始標記、節點編號、傳感器數據類型、時間戳和結束標記并生成數據包。

5.根據權利要求1所述的三維運動監測方法，其特征是，所述的藍牙收發模塊包括，數據處理單元、數據發送單元及數據接收單元，其中：數據處理單元對來自傳感器的體域網數據加上起始標記、傳感器節點編號、發送數據的相應類型、采集時間及結束標記并組成數據幀，數據發送單元通過建立好的藍牙連接將該數據幀發送至指定的移動終端，數據接收單元接收來自移動終端發送的控制幀，并根據控制幀內容進行工作狀態調整。

6.根據權利要求5所述的三維運動監測方法，其特征是，所述的工作狀態調整是指：調整數據發送單元的波特率和發射功率、調整待檢測傳感器的種類及其信息采集速率、數據處理單元的工作方式和處理模式。