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1、项目方案解决书项目名称：人体姿态检测小组成员：赵旭 管晨霞 孟志彬目录一、 引言.31.1 项目背景31.2 问题的提出41.3研究目的与意义.51.4参考资料.5二、系统的架构.52.1系统结构图.52.2子系统列表.6三、各模块的实现.73.1传感器模块.83.2 下位机的实现.133.3 上位机的实现.183.4 数据库.23四、总结.24一、 引言1.1 项目背景21世纪被称为“银发世纪”，世界范围内的老龄化浪潮滚滚而来。人口的老龄化是一种全球性的发展趋势，中国也不例外。随着中国经济的稳定发展及人民生活水平的不断提高，人们的平均寿命在不断延长。按联合国分析世界人口结构所用的定义，65岁
2、以上的老年人和60岁以上的老年人分别占总人口的7和10的社会称为老龄化社会。而根据中国人口信息研究中心的调查统计，2000年中国60岁以上人口比例为1031，65岁以上人口占总人口的比例为7171，按照国际标准来衡量，中国已经步入老龄化社会，而且在今后几十年其老龄化趋势将愈加明显。发达国家的老龄化是建立在工业高度发达的基础上，工业化所积累的财富为老龄化问题的缓解提供了雄厚的物质基础和保障，而中国的老龄化是由于人口生育率的下降及人均寿命延长的结果，超前于经济的发展。另外，随着人们与外界交流的日益密切，价值观念与生活方式也发生了转变。社会学家把家中有老人但无子女或子女都不在老人身边的家庭称为“空巢
3、家庭”。近些年来，随着社会经济的发展，居住方式的变化，家庭结构的小型化，以及人口流动的加速，子女数的减少，代际居住的分离倾向，人口预期寿命的延长，其老人家庭空巢率正在不断的加大。近10年来，我国空巢家庭一直呈上升之势，1987年全国空巢家庭与老年人家庭的比例是167，2000年全国第五次人口普查数据表明，“空巢家庭”户占到老年家庭的2283，而2004年上升到25.8%。在一些大城市，空巢家庭问题更为突出。2004年，北京市空巢家庭的比例为34%，上海市为34.8%，广州市为30%，天津市为36.5%。尤其值得注意的是，单身独居老人在老年人口中的比例，也由1999年的3.8%上升到2004年的
4、112。随着独生子女的父母步入老年，空巢家庭将成为我国老年人家庭的主要形式，预期到了2030年空巢老年人家庭的比例将达到90，届时我国老年人家庭将空巢化。1.2问题的提出在上一节中已经讨论讨论了两个趋势，一个是人口老龄化的趋势，一个是老年人口中家庭空巢化的趋势。在越来越多的老年空巢家庭当中，许多老人的健康保障存在问题。对于作为监护人的独生子女父母这一代，既要抚养和教育子女，又要赡养和照顾四位老人对他们无疑是非常沉重的负担。对于社会来说，中国是在经济尚不发达的阶段出现人口的老龄化，社会化福利服务体系的发展水平还比较落后，现阶段国家和社会还无法建立设施先进、服务系统、项目齐全的社会福利服务体系。而
5、对于老人本身而言，他们也希望能够在自己的家里安居晚年。因此，老年人由谁来监护和护理已经成为了一个社会问题。1.3研究目的与意义 当今计算机通信技术和传感器技术发展迅速，已经应用到了社会生活的个个方面，比如工业控制以及物联网领域，但在人们日常生活中应用相对较少，尤其是在老年人监护系统中。我们希望能够利用计算机通信技术和传感器技术设计一套老年人体姿态检测系统，通过固定在人体四肢上的传感器来实时捕捉人体姿态的变化，然后通过计算机网络技术将传感器的数据传到计算机控制端，来完成对人体姿态的检测，以此来判断人姿态的变化。1.4参考资料基于三轴加速度传感器的跌倒检测技术的研究与应用无线传感器在人体关节运动姿
6、态检测中的应用基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计PC机与MSP430串口通信实现的方法基于MSP430的无线应用二、系统的架构2.1系统结构图室内方案：室外方案：2.2子系统列表 表名：子系统列表子系统列表子系统功能概述子系统之间的关系传感器传感器主要使用的是三轴加速度传感器，分别固定在四肢的关节处，利用压力感应出关节的变化，同时借助无线模块和ZigBee协议实现数据的传输。传感器位于用户身上，传感器将采集到的数据实时的通过ZigBee协议发送到单片机内，单片机将接收到的数据处理分析，再通过串口通信传送到PC端，PC端的软件将实时显示人体姿态的相关数据，同时动态的模拟出此时的人体姿
7、态三维图像，同时PC端还会将相关数据以及三维动态视频自动的保存到数据库中，可实现历史查询功能。下位机主要是基于单片机的控制系统，与传感器通信需要使用ZigBee协议，将传感器发送来的信号通过串口通信传送给PC。上位机上位机主要是人机交互界面，将用户姿态的相关参数一一列出，并且能够实时显示人体三维姿态图像。数据库保存检测到的数据以及相关的人体姿态三维动画。三、各模块的实现3.1传感器模块 3.1.1传感器的放置与测量1、手臂上三轴加速度传感器如图所示在人体各个关节上建立相对坐标系，一竖直方向为z轴，确定该轴的竖直方向的运动状态，然后以水平方向建立x轴和y轴。在手臂上可以按两个传感器s1和s2，分
8、别测量两个关节处得三轴加速度。先有s1测出其三轴加速度！由此可以确定整个大臂的运动状态！再由大臂s1到s2距离可以计算出s2点的运动状态。然后由s2侧出的三轴加速度，则可以确定整个小臂的运动状态！ 2、腿部的运动状态腿部相应的和手臂有些相似但需要安放三个传感器，在脚踝上安放一个加速度传感器，以轴为基点建立三轴坐标，同样，以竖直方向为z轴，以水平方向建立x和y轴，可以测量小腿的三轴方向上的加速度 ，同样根据小腿的长度，可以确定膝关节处点的运动状态。相应膝关节上也，以膝盖为基点建立水平方向的x和y轴，以竖直方向建立z轴，通过测量三个方向的加速度，确定大腿运动状态，同样在臀部关节处安装加速度传感器，
9、可以测量臀部以上身体的大体运动状态！3、腰椎部传感器 通过测定腰椎部得加速度变化，可以测定整个腰部的姿态变化，其实这个部分是最重要的。腰椎部是整个身体的联系，腰部还可以确定肩部关节这个基点的位置，可以通过身体的各个部位之间的距离确定各个点的位置。3.1.2、元件：1、传感器飞思卡尔开发的基于 MEMS (微机电系统)的三轴向低重力加速计 MMA7260Q，是一款低成本微型电容式加速度传感器。该芯片采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，是一款单芯片设备，具有三轴向检测功能，以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，使便携式设备能够智能地响应位置、方位和移动的变化。
10、MMA7260Q 封装尺寸很小，只需较小的板卡空间，另外还提供快速启动和休眠模式。这些特性使 MMA7260Q 成为采用电池供电便携式电子产品的理想之选。MMA7260Q 的可选灵敏度允许在 1.5 g、2g、4g 和 6g 的不同范围内进行设计。它的 3A睡眠模式、500A 低运行电流、1.0ms 的快速启动响应时间以及 6mm6 mm1.45mm的 QFN 小巧包装等其他特性，使围绕 MMA7260Q 的设计活动轻松方便、经济高效。 MMA7260Q传感器 MMA7260Q 芯片广泛应用于各领域，对于不同的应用，重力加速度级别应该有不同的选择。 自由落体检测：12g，应用于移动硬盘驱动、手
11、机、PC 笔记本和 MP3 播放器。 倾斜控制：12g，应用于移动识别、用户界面滚动和游戏。摇摆：810g，应用于电机稳定性。测震学：0.0022g，应用于地震检波器和地震开关。震动检测：28g，应用于装运处理。步程计：1020g 应用于跑步和生理学。由此可见，人体跌倒检测适用的是 12g 的级别。MMA7260Q 三轴加速传感器是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下（0g）,其输出为1.65V。如果沿着某一个方向活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压。用 MSP430
12、单片机的 A/D 转换器读取此输出信号就可以检测起方向。2、无线收发元件这次使用的信号发送模块是RF2420，该模块是使用TI-Chipcon公司的CC2420无线通信芯片开发而成。是符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件，工作在2400-2483.5MHZ 的ISM 频段，电池消耗低，同时分别给每个发射模块设置地址或是唯一识别的协议头，以此有利于数据的传输，将传感器传出的信号传输到RF2420接收并发送到MSP430的信号接收模块！且给每个传感器分配地址。汇总到单片机处理，再传给pc机处理！RF2420特点：(1) 采用TI公司的CC2420无线芯片，工作在2400-2483.5
13、MHz的ISM和SRD频段.-采用直接序列扩频方式.-工作速率250kbps，码片速率2 MChip/s.-使用O-QPSK调制方式.-高灵敏度（-95dBm）.-较低的电流消耗（RX :13.3 mA TX:17.4 mA).-抗邻频道干扰能力强(39dB)-内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器.-采用低电压供电(2.13.6V).-输出功率编程可控.(2) IEEE802.15.4-2003标准MAC层硬件支持.-前导码与同步字段自动生成与检测.-CRC-16自动生成与检测.-空闲信道检测.-能量检测、接收信号强度与链路质量指示.-MAC层安全保护(CTR,CBCMAC,CCM)支
14、持.(3) 采用4线SPI标准接口,便于MCU配置.(4) 独立的128字节RX和128字节TX数据FIFO.(5) 模块采用PCB天线，直线收发距离20-50米，模块尺寸32mm*47mm3.2 下位机的实现MSP430系列单片机是目前工业界中性价比高、功耗低的Flash 16位RSIC微控制器。因此我们的方案是基于MSP430和 CC2420的传感器信息自动采集系统，主要包括传感器模块、无线模块、PC终端、室内定位等。图一为系统的总体结构图。该系统通过无线模块发送和接收外部无线射频信号，MSP430单片机控制数据的接收、处理、传输，将数据打包后通过串口通信传送至PC机。1、MSP430与传
15、感器的通信(1) 信息接收： MSP430通过CC2420无线接收来自传感器的信息，同时通过ZigBee协议的地址分配识别人体不同部位的传感器信息包括：上肢、腰部、下肢。 （2）室内定位：采用射频识别技术。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。在室内东西南北各安装一个读卡器，读卡器与腰部的CC2430中间进行自动交换信息，然后读卡器将这些信息通过Zigbee传到与MSP430连接的CC2430，进而通过串口通信传给PC机。2、MPS430单片机与PC
16、机的通信（1）硬件部分：MSP430单片机通过RS-232接口电路与上位机进行通信，接收上位机传来的控制指令，并可将采集的信号上传至上位机。如图1-1，串行口的电平转换器（MAX232ACPE）实现单片机电平与RS232电平的相互转换。（2）下位机(MSP430单片机)程序设计包括初始化设计、串口中断服务设计和主处理程序设计主处理程序包含初始化、设置串口工作方式、对接收到的数据进行处理以及封装需要发送的数据。下面是它的程序代码。#include #include sp3220.h/定义串口操作变量char nRev_UART1;/ 串口 1 的接收标志char UART1_TX_BUF60;/
17、 串口 1 的发送缓冲区char UART1_RX_BUF60;/ 串口 1 的接收缓冲区int nTX1_Len;char nRX1_Len;char nRX1_Len_temp;char nTX1_Flag;int nSend_TX1;void main(void)int nRes_UART1; int nRes = 0; char UART1_RX_Temp60; int i; int n;WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 关闭看门狗 _DINT(); / 关闭中断 Init_CLK(); / 初始化时钟 Init_Port(); / 初始化端口 Init_UART
18、1(); / 初始化串口1_EINT(); / 打开中断for(;) / 进入处理循环 if(nRev_UART1 = 1) /如果有接收中断 nRev_UART1 = 0; for(i = 0;i nRX1_Len;i+) UART1_RX_Tempi = UART1_RX_BUFi; / 将接收到的数据拷贝到临时缓冲区。nRes = ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len);switch(nRes) case 1： nTX1_Len = 3;/ 设置中断标志，进入发送中断程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0;break;case 2：
19、nTX1_Len = nRX1_Len + 3;/ 设置中断标志，进入发送中断程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0;break;case -1: nTX1_Len = 6;/ 设置中断标志，进入发送中断程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0; break;在上面的程序中主要根据“ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len)”对得到的结果进行处理，向PC发送响应数据，如果接收到的数据有错误，则发送“ERROR”。数据封装完成后，设置“nTx1_Len”的长度，并通过“IFG2 |= UTXIFG1;”发送中断，从而使中断处
20、理程序进行数据发送.上面程序中“ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len)”主要处理接收到的数据并返回相应的代码以使主程序处理。3.3 上位机的实现3.3.1 开发工具的选择 PC端上的上位机将采用VC编写，VC+6.0是Microsoft公司推出的一个基于Windows系统平台、可视化的集成开发环境，它的源程序按C+语言的要求编写，并加入了微软提供的功能强大的MFC(Microsoft Foundation Class)类库。MFC中封装了大部分Windows API函数和Windows控件，它包含的功能涉及到整个Windows操作系统。MFC不仅给用户提供了Win
21、dows图形环境下应用程序的框架，而且还提供了创建应用程序的组件，这样，开发人员不必从头设计创建和管理一个标准Windows应用程序所需的程序，而是从一个比较高的起点编程，故节省了大量的时间。另外，它提供了大量的代码，指导用户编程时实现某些技术和功能。因此，使用VC+提供的高度可视化的应用程序开发工具和MFC类库，可使应用程序开发变得简单。 VC+由于本身计算能力和处理数据能力不强，而MATLAB在这些方面功能很强大，它是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功
22、能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，VC+和Matlab互联可用Matcom软件和Matlab自身的引擎函数库实现。3.3.2 关键代码的实现1、串口通信：MSComm控件是微软开发的专用通信控件，封装了串口的所有功能，使用很方便，但在实际应用中要小心对其属性进行配置。以下是用到的一些重要的方法：CommPort：设置串口号，类型 short :1-comm1 2-comm2.Settings：设置串口通信参数，类型 CString
23、:B波特率，P奇偶性（N无校验，E偶校验，O奇校验），D字节有效位数，S停止位。PortOpen：设置或返回串口状态，类型 BOOL：TURE打开，FALSE关闭。InputMode:设置从接收缓冲区读取数据的格式，类型 long： 0-Text 1-Bin。Input:从接收缓冲区读取数据，类型 VARIANT。InBufferCount:接收缓冲区中的字节数，类型：short。InBufferSize:接收缓冲区的大小，类型：short。Output:向发送缓冲区写入数据，类型：VARIANT。OutBufferCount:发送缓冲区中的字节数，类型：short。OutBufferSize
24、:发送缓冲区的大小，类型：short。InputLen:设置或返回Input读出的字节数，类型：short。CommEvent:串口事件，类型：short。程序示例：串口初始化if (!m_comm.GetPortOpen()m_comm.SetPortOpen(TURE); /*打开串口*/m_comm.SetSettings(4800,n,8,1); /*串口参数设置*/m_comm.SetInputMode(0); /*设置TEXT缓冲区输入方式*/m_comm.SetRthresHold(1); /*每接收一个字符则激发OnComm()事件*/接收数据m_comm.SetInputLe
25、n(1); /*每次读取一个字符VARINAT V1=m_comm.GetInput();/*读入字符*/m_V1=V1.bstrval;发送字符m_comm.SetOutput(Colevariant (Hello); /*发送 “Hello” */2、 处理数据：对从下位机上的数据按照一定的算法进行分析，最终将各相关参数解析出3、人体姿态三维模拟 对于人体姿态模拟，考虑到肢体运动过程中可能会牵扯到大量的矩阵运算，因此可以使用MATLAB进行仿真，应用MATLAB工具中的Simulink和VR工具箱对所得的数据进行仿真。3.3.3上位机基本功能界面 3.4 数据库由于此次需要保存的数据量相对
26、较小，同时数据之间的逻辑关系相对简单，因此可以采用oracle的MySQL数据库，MySQL数据库是一种中等大的数据库，有很多的优点，比如是一种开放源代码的关系型数据库管理系统（RDBMS）、数据库系统使用最常用的数据库管理语言-结构化查询语言（SQL）进行数据库管理等等。我们将在数据库中建一个表，将时间作为id，PC端将每30分钟与数据库通信一次，保存相关的数据，数据包括人体姿态变化的相关参数和人体三维姿态的图像，当用户要调用所查的内容时，只需输入时间就可以调出此时间段内相关的内容。四、总结人体姿态检测技术应用前景是很广泛的，特别是在老年人监护方面更是有很大的意义，在不影响老人的日常活动的情况下，可以让老年人不再因为害怕跌倒等危险动作而减少活动，从而可以提高老年人晚年生活的品质，另一方面也可以减轻社会和子女的压力，对构建以人为本的和谐社会有着非常积极的意义。25
