摘要：可穿戴運動監測系統可方便地實現人體的運動姿態檢測以及運動功能評估。本系統采用高集成度慣性傳感器及近距離無線通信技術構建體感網，同步采集人體多個部位加速度和角速度信號，實現可穿戴的多節點運動監測。系統可應用于與人體運動功能相關的研究，如帕金森病人運動功能評估等。

　　引言

　　本文設計實現了包含5個傳感器節點的可穿戴運動監測系統。通過將傳感器節點置于被試者的雙腳腳踝、雙手手腕和腰部，采集人體運動過程中的加速度和角速度等運動信號。此后，將采集到的信號上傳至上位機，進行數據分析，計算與運動功能相關的運動參量，比如步態、平衡能力等。

　　本系統應用范圍較廣，例如：可用于運動障礙疾病的病情評估和監護,如帕金森、腦卒中等疾病;可用于運動員運動動作分析，科學指導運動員訓練。

　　1 系統方案總述

　　系統由PC機、1個網關節點和5個終端節點組成(見圖1)。

　　網關節點：通過USB口與PC機相連，采用串行通訊協議與上位機進行命令和數據通信;通過近距離無線通信方式與各終端節點進行命令和數據通信。

　　終端節點：負責數據的采集、存儲和上傳。通過繃帶固定在人體特定部位。待機情況下各個節點處于無線接收狀態，等待接收網關節點的廣播命令，實現數據的同步采集和存儲。

　　用戶通過PC機軟件發出命令，系統根據命令運行。數據采集結束后，PC機發送數據上傳命令，使網關節點通過點對點輪詢的方式依次將數據傳至上位機并保存。本文主要介紹網關節點和終端節點構成的可穿戴系統設計。

　　2 硬件設計

　　2.1 終端節點設計

　　終端節點采用TI公司的超低功耗單片機MSP430F149作為主控單元，采用MPU6050六軸慣性傳感器檢測加速度和角速度信號，選用Nordic公司的NRF24L01作為無線通信模塊，可以實現30米的有效通信距離。采用3.7V鋰電池供電，經過穩壓器穩壓后系統工作電壓3.0V(見圖2)。核心模塊的詳細介紹如下。

　　(1)主控模塊采用MSP430F149作為控制中心，負責整個系統各部分功能的協調和控制。除了其在8MHz時鐘下運行時300μA左右的超低工作電流，同時還還提供了兩個定時器A和B，2個UART和SPI復用的異步串行通信接口、48個I/O口、完全滿足系統對接口資源的需求。此外MSP430F149 的60KB片內Flash 和2KB的SRAM完全滿足本系統對程序存儲和數據交換的空間需求。

　　(2)電源模塊，網關節點由5.0V USB口供電，經TLV70033低壓差線性穩壓器轉成3.3V供系統使用。終端節點由3.7V鋰電池供電，通過TLV70030進行穩壓，轉成3.0V供系統使用。

　　(3)傳感器模塊采用MPU6050六軸慣性傳感器，其突出優勢在于整合了三軸加速度計和三軸陀螺儀，不僅免去了組合二者的軸間差問題，還大大降低了封裝空間，為便攜式或可穿戴設備提供了最小包裝體積。

　　(4)存儲模塊采用W25Q256高速Flash，在傳感器50Hz的采樣率下，可以連續存儲約15.5個小時數據。

　　(5)無線通信模塊采用NRF24L01無線通信芯片，最高2Mbps的通信速率、30米的通信距離、6個接收通道以及SPI接口，非常方便系統開發。

　　2.2 網關節點設計

　　網關節點主要由四部分組成：電源模塊、MCU主控模塊、無線通信模塊、串口通信模塊。其中電源模塊、主控模塊和無線通信模塊與終端節點的核心芯片一樣，硬件原理一致，不再贅述。串口通信模塊采用PL2303將串口數據轉換成USB數據，實現與PC機的通信。網關節點通過5.0伏USB口供電，經過穩壓器穩壓后系統電壓為3.3V。

　　3 軟件設計

　　系統的軟件部分分為網關節點軟件設計，終端節點軟件設計和網絡拓撲結構設計。

　　3.1 網關節點軟件設計

　　網關節點程序分為主程序和中斷服務程序。