2018年第1期 信息通信
2018
人道主义援助
(总第 181 期）
INFORMATION & COMMUNICATIONS
(Sum. N o 181)
bs标准
胡璞％郑伟涛1
(1.武汉体育学院体育工程与信息技术学院，国家体育总局体育工程重点实验室;2.武汉体育学院研究生院，湖北武汉430079)摘要：文章首先介绍了运动指标采集系统的整体技术框架，阐明数据传输方面的技术方案按照室内与户外分为两种，室 外则是先将数据存入S D 卡，事后拷入计算机的方式；室内采用wifi 模块+路由器方式。接下来，论述了硬件平台的设计； 然后论述硬件程序设计，包括：主程序、数据存储程序和无线通信程序。最后，描述了计算机软件数据采集功能的设计与实现。 关键词：九轴惯性传感器；运动姿态；系统设计中图分类号:TP 212 文献标识码:A
文章编号:1673-1131(2018)01-0096-02
1概述
近年来，随着电子硬件体积不断的缩小和芯片运算速度 的提升'越来越多的国内外研究者已开始进行人体的运动姿
态研究[2_3]。
九轴惯性传感器由三轴加速度、三轴陀螺仪和三轴磁力 计组成[4]，最早应用于军事航天领域[5]。随着微机械电子技术 的发展，惯性传感器的体积越来越小、成本越来越低、芯片处 理速度越来越快，其开始应用于运动姿态识别领域[M。
本文旨在设计一款基于九轴惯性传感器的运动姿态识别 系统，为在室内和户外都能采集到人体运动姿态数据提供新 的设计思路。
2运动指标采集系统的整体框架设计
运动指标采集系统的技术框架如图1所示。
图1运动指标采集系统的技术框架图
2.1户外数据采集模式
户外数据采集采用先将数据存入S D 卡，事后拷入计算机 的方式。在人体各关节处都配有惯性传感器，用以感知这些 节点的运动信息。这些信息将会被单片机获取，并进行姿态 解算，最后定时向外
发送，通信方式为wifi 无线数据传输。S D 卡数据存储器通过相同的Wifi 无线模块接受各惯性 节点的运动数据信息，并存入S D 卡。计算机软件若要获取各 惯性节点的运动信息，需要使用读卡器读取S D 卡中的数据。 2.2室内数据采集模式
为使系统的后续研究领域更为广阔，系统设计具备室内
参考文献：
[1] 邬贺铨.大数据时代的机遇与挑战[J ].信息安全与通信保 密,2013(3):9-10.
[2] 蔡佳慧，张涛，宗文红.医疗大数据面临的挑战及思考[J ].中
国卫生信息管理杂志,2013 (4): 292-295.
[3] Nambiar R , Bhardwaj R , S e t h i A , e t a l . A look a t c h a l l e n g e s
and o p p o r t u n i t i e s of B ig Data a n a l y t i c s i n h e a l t h c a r e [C ].2013
IEEE I n t e r n a t i o n a l Conference on . IEEE , 2013： 17-22.
数据采集模式。该模式下，惯性传感器部分不变，采用wifi 无 线模块+路由器的方式。
计算机通过路由器接收各惯性节点发送而来的运动信息， 并以串口形式将接收到的信号向计算机传输。计算机用户终 端软件接收到各节点运动信息后，立即进行数据采集与解析。
3电路系统设计
电路系统如图2所示。九轴惯性传感器包括M P U -6050 芯片的3轴加速度计和3轴陀螺仪，以及H M C -5883的3轴 磁力计。加速度计用来测量加速度信息，陀螺仪用来测量角 速度速度，磁力计用来测量磁场大小。通过3个传感器的测 量数据，分析即可得到整个系统的姿态信息。
核心处理器采用STM 32F 103C 8T 8处理器，STM 32系列 处理器具有高性能、低成本、低功耗等优势，目前被普遍运用 于嵌入式开发邻域。处理器通过U A R T 串口通信技术采集传 感器测量的信息，信息采集后处理器还需进行传感数据的滤 波、姿态解算、数据融合等算法处理。
图2硬件系统框架图
数据传输分室内和室外两种情况进行处理。在室内，采
用无线数据传输方案，利用wifi 路由器，收集各个惯性测量 节点的运动信息，并将数据发送至计算机软件进行进一步分 析；在开阔的室外场地，例如；水上，由于无线距离过长、供电 等问题尚未解决，因此放弃无线数据传输方案，采用S D 卡对
[4]
盛杨燕，周涛译.大数据时代[M ].杭州：浙江人民出版社,
2013.
[5] 涂子沛.大数据[M ].南宁：广西师范大学出版社,2012.
[6] 李国杰，程学旗.大数据研究：未来科技及经济社会发展的
重大战略领域-大数据的研究现状与科学思考[J ].中国科
学院院刊,2012,27(6): 647-657.
288uu作者简介：于硕(1997-)，男，辽宁省大连市人，大学本科，研究
方向：信息管理与信息系统。
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信息通信胡璞等：基于九轴惯性传感器的运动姿态系统设计
数据进行存储，再通过电脑对S D卡的读取，将数据传给计算 机软件进行近一步分析。且数据传输部分需要通过M A X3232，且保持核心处理器、无线传输模块和S D卡模块 的电平统一。
4硬件程序设计
4.1主程序设计
图3主程序流程图
主程序流程如图3所示。在设备开启时进行设备初始化，九轴惯性传感器把数据发送给STM32核心处理器，完成数据 滤波融合和姿态解算后，得到姿态角数据。姿态角数据包可 以有两种存储方式，其一，通过串口通信把数据包发送给SD 卡进行备份；其二，通过无线方式，把数据发送给计算机。为 不影响主程序数据的正常分析和处理，发送数据部分进行后 台处理，利用STM32F103C8T8芯片的中断资源，利用中断程 序发送。
4.2数据存储程序设计
流程可分为以下7步：获取系统状态、创建文件、打开文 件、写入数据1、写入数据N、保存文件、关闭文件。步骤如下：在数据写入开始前，须将准备写入的数据进行获取，即主 程序经过分析并融合的数据包。创建文件，在此项目中所有 产生的数据全部放入一个文件中，文件名为•由于文 件创
建后，S D卡默认文件为关闭状态，故还需再次打开文件，才能进行数据的写入。写数据时，每写一个数据文件指针自 动加1，当数据写完，文件指针指向最后一个数据地址加1的 位置。通过把数据包分多次进行写入，直至全部写入为止。写 完数据后需手动保存文件。关闭文件，数据存储结束。在写 数据时，执行的每一步S D卡模块都会给STM32处理器一个 反馈信号，来显示S D卡的状态，当处理器超过0.5秒没有收 到S D卡发的数据时，则视为此次写入无效，跳出程序。
4.3无线通信程序设计
由于本系统是要实现一对多的无线数据通信。即一个中 央主控设备(P C机)和多个九轴传感器传感器检测数据采集设 备进行通信，而且所有的无线设备都工作在同一个无线频道 上，它们都可以在这个无线频道上发送接收数据，如何合理髙 效分配无线信道资源是一个非常重要的问题。本文采用轮询 的工作方式，由中央主控计算机按顺序向各个体质检测设备 发送问询信号，相对应九轴惯性传感器数据采集设备接收到问询信号后发送实时采集处理数据，发送完毕后在发送一位截
至信号，中央主控计算机接收到数据后进行存储处理，通过这
样的方式完成了主控设备和传感器设备的一对一通信。然后
中央主控设备再向下一个九轴惯性传感器数据采集设备发送
问询信号，如此类推，完成向所有九轴惯性传感器数据采集设
备的数据通信，即实现了一对多的通信。
5计算机软件设计
计算机软件的主要功能是：通过Socket通信方式采集九
2011年食品安全事件轴惯性传感器的运动信息数据。在进行数据采集时，以计算
机软件端主要作为服务端，传感器作为客户端。在客户端与
路由器相连接的情况下，如图3所示，服务端设置端口号为 8000，服务端获取本地己预先设置好的IP地址192.168.1.51，
输入测试者号后即可点击按钮s t a r t，服务端发送测试协议至客
户端，客户端接收协议之后会发送数据。在Socket通信过程 中，渉及数据的传递时会用到TCP，一种面向连接的协议，其
主要目的是提供大量数据的传递并确保其传递无误。在TCP
建立连接要进行“三次握手'即交换三个分组。
6结语
本文设计出一款运动姿态识别系统。该系统硬件部分主
要由三轴加速度、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成，单片机利用
九轴惯性数据完成运动姿态算法。wifi无线数据收发器解决
了运动信息数据由惯性节点传输到路由器或S D卡控制器的
问题。计算机软件利用路由器或S D卡即可获取各惯性节点
的运动信息数据，使得系统能广泛地应用于室内和户外。
参考文献：
[1]王科俊，陈玮.一种可穿戴式人体运动捕捉系统的设计与
阴阳鱼
实现[J].黑龙江大学工程学报
[2]卢先领，王洪斌，王莹莹，徐保国.一种基于加速度传感器的
人体跌倒识别方法[J].计算机应用研究，2013,30 (4):
1109-1115.
[3] Ngo T T,Makihara Y,Nagahara H,et a l.The l a r g e s t i n i t i a l
sensor-based g a i t database and performance e v a l ua ti on of
g a i t-b a s e d pers onal a u t h e n t i c a t i o n[J].P a t t e r n Recognition,
2014,47(l):228-237.
[4]米刚，田增山，金悦，李泽，周牧.基于M I M U和磁力计的姿
态更新算法研究[J].传感技术学报》2015,28(1):43~48.
[5]吴涛，白茹，朱礼尧，钱正洪.基于卡尔曼滤波的航姿参考系
统设计[J].传感技术学报，16,29(4):531~535.
[6]汪少初方j昱，郝文飞，刘开华，路文平.基于惯性传感器的人
员行进动作识别方法[J]•电子测量与仪器学报，2014,28(6):
630-636.
[7]赵丽娜，刘作军，苟斌，杨鹏•基于隐马尔可夫模型的动力型
下肢假肢步态预识别[J].机器人》2014,36(3):337~341.
基金项目：湖北省教育厅科学技术研究计划青年人才项目（项
目编号:Q20174104)〇
作者简介：胡璞(1982-)，男，武汉市人，副教授，硕士毕业于武
特洛伊病毒汉理工大学电子与通信工程专业，目前在武汉体育学院攻读
体育工程学博士学位，研究方向：体育电子与信息工程；通信
作者：郑伟涛(1965-)，男，武汉市人，博士，教授，博导。毕业于
武汉理工大学，主要研究方向：体育工程学。
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