寧運(yùn)琨，熊顯名，趙國如

（1．桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院 ，廣西 桂林 541004;2．中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所，廣東深圳 518055）

0 引言

跌倒是對老年人健康乃至生命的嚴(yán)重威脅，在我國，跌倒是65歲以上老年人首位傷害死因［1］。在對人體跌倒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析階段，目前普遍采用的方法是在傳感器節(jié)點(diǎn)模塊上內(nèi)置存儲介質(zhì)，實(shí)時(shí)存儲姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后后期用Matble分析處理，采用該方法，測量數(shù)據(jù)不容易丟失，但分析數(shù)據(jù)不夠靈活?？紤]到人體佩戴的方便性和功耗，不適合在傳感器節(jié)點(diǎn)端安裝人機(jī)交互模塊（按鍵或觸摸屏等）進(jìn)行配置和顯示。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有線方式可靠、穩(wěn)定，但需要在測量現(xiàn)場布置大量的導(dǎo)線或電纜，安裝、拆卸都比較復(fù)雜，靈活性差，成本高［2］。而射頻通信具有成本低，布線簡單的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于電池供電的手持或者人體佩戴設(shè)備。

本文提出一種基于nRF905的數(shù)據(jù)包和配置命令無線傳輸?shù)能浻布鉀Q方案，可以實(shí)現(xiàn)將節(jié)點(diǎn)采集到的加速度和角速度通過射頻方式上傳到界面友好的PC機(jī)顯示控制和分析，無線傳感器節(jié)點(diǎn)上傳感器的量程、采樣率等以及數(shù)據(jù)采集命令均可以通過PC機(jī)可視化操作。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能

如圖1所示，系統(tǒng)主要由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、基站和上位機(jī)組成。節(jié)點(diǎn)模塊通過腰帶綁定在人體腰部，確保傳感器三維坐標(biāo)隨同人體坐標(biāo)而變化，節(jié)點(diǎn)的MCU負(fù)責(zé)將傳感器數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)往基站，并可以接收基站上位機(jī)發(fā)來的各種配置命令從而對傳感器和MSP430配置，而基站負(fù)責(zé)將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)跌倒過程的加速度和角速度波形顯示控制、配置命令發(fā)送等功能。

節(jié)點(diǎn)的電源管理單元包括充電電路和穩(wěn)壓電路，采用3．7 V鋰電池給各模塊供電。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of system hardware

1．1 主控芯片、射頻模塊和傳感模塊介紹

主控芯片采用了TI公司的基于16位精簡指令集架構(gòu)的微控制器MSP4302418作為處理器單元，該芯片電源電壓范圍為1．8～3．6 V，具有5種節(jié)能模式，從待機(jī)模式中喚醒僅需不到1 μs的時(shí)間，內(nèi)含116 kB+256 B的FLASH，8 kB的RAM，在芯片上集成了4個(gè)獨(dú)立的SPI同步串行接口和2個(gè)RS—232異步串行接口，可以方便地與PC機(jī)和采用SPI通信的MEMS硬件模塊連接。MSP4302418 P1．P2口具有外部中斷能力，可以對P1，P2口的每個(gè)引腳獨(dú)立的設(shè)置為上升沿或者下降沿中斷，在功耗體積要求苛刻而運(yùn)算處理速度要求較快的場合得到了廣泛的應(yīng)用［3］。

系統(tǒng)采用NORDIC公司的nRF905芯片，配上外圍電路和天線作為射頻模塊，該芯片采用32引腳的QFN 5 mm×5 mm封裝結(jié)構(gòu)，nRF905是工作于433/868/915 MHz ISM頻段的單片射頻收發(fā)器，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為50kps，收發(fā)模式切換時(shí)間小于650 μs，內(nèi)置CRC檢錯(cuò)和高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，125頻道，通過SPI總線可以對nRF905進(jìn)行點(diǎn)對多點(diǎn)地址控制和頻率、功耗等控制，滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信的要求。采用1．9～3．3 V的工作電壓，待機(jī)模式下僅消耗2．5 μA的電流，在發(fā)送模式下，當(dāng)發(fā)射功率為10 dBm的時(shí)候僅消耗30 mA的電流，接收模式下僅消耗12．2 mA的電流［4］。

傳感器組件采用美國 InvenSense公司的 MPU6000，4 mm×4 mm ×0．9 mm QFN 超小封裝，MPU—6000整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，量程分別為±2，±4，±8，±16gn;±250°/s，±500°/s，±1000°/s，±2000°/s。

1．2 硬件電路

如圖2所示，MSP430自帶同步串行總線接口，相比普通單片機(jī)的軟件模擬SPI方式，它不需要CPU過多的干預(yù)，使得CPU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)，SPI總線的時(shí)鐘、相位、極性、中斷等可以通過相應(yīng)的寄存器進(jìn)行靈活的配置。相比I2C方式，具有速度快、編程簡單的優(yōu)點(diǎn)，故MSP430采用四線制SPI總線與MPU6000和nRF905進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在節(jié)點(diǎn)中MPU6000和nRF905都作為從機(jī)，時(shí)鐘和片選都由MSP430控制，MPU6000中斷輸出線 INT用于當(dāng)MPU6000三軸上的所有傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，INT置高，通知MSP430進(jìn)行SPI讀取數(shù)據(jù)。nRF905的3根狀態(tài)指示線:CD（當(dāng)載波偵聽置1）、AM（當(dāng)?shù)刂菲ヅ渲?）、DR（當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好置1）分別與 P2．3，P2．4，P2．5 相連，作為 MCU 的中斷輸入線。模式控制線用于模式轉(zhuǎn)換［5］，如表1所示，三線不同組合指示nRF905不同的工作模式?；镜腗SP430與nRF905的硬件電路一樣，只是多了串口模塊，采用RS—232與PC機(jī)通信，雖然效率比不上并口，但是具有線路少、成本低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，而且基站的MSP430本身就帶有波特率可設(shè)置的異步串行硬件接口，為數(shù)據(jù)通信提供了方便。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件電路圖Fig 2 Circuit diagram of node hardware

表1 nRF905工作模式Tab 1 Operating mode of nRF905

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包無線發(fā)送、節(jié)點(diǎn)命令接收處理，基站數(shù)據(jù)包接收、基站命令中轉(zhuǎn)，系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，兼顧功耗與運(yùn)算速率，充分利用MSP430的中斷系統(tǒng)來確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2．1 慣性傳感器數(shù)據(jù)命令格式

為了提高節(jié)點(diǎn)端MSP430的處理速率和充分發(fā)揮PC機(jī)強(qiáng)大運(yùn)算能力和面向?qū)ο罂梢暬幊痰膬?yōu)勢，數(shù)據(jù)包僅包括三軸加速度和三軸陀螺儀原始數(shù)據(jù)和中斷狀態(tài)寄存器內(nèi)容，MPU6000內(nèi)置3種運(yùn)動狀態(tài)檢測:自由落體、運(yùn)動、零運(yùn)動，在相應(yīng)配置寄存器中使能相應(yīng)狀態(tài)檢測中斷之后，當(dāng)MPU6000檢測到的加速度閾值低于或者高于設(shè)定的加速度閾值時(shí)，就會觸發(fā)中斷，中斷狀態(tài)寄存器中相應(yīng)標(biāo)志位置1，MPU6000運(yùn)動狀態(tài)檢測系統(tǒng)的運(yùn)用能夠降低CPU處理跌倒算法的難度。從原始數(shù)據(jù)到相應(yīng)物理數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和波形可視化分析的工作，都由上位機(jī)完成，數(shù)據(jù)包格式如表2所示，Acc-X，Gyr-X分別代表X軸16位補(bǔ)碼（實(shí)質(zhì)上是高8位和低8位寄存器數(shù)據(jù)的組合）加速度和陀螺儀原始數(shù)據(jù)，均占2個(gè)字節(jié)，Y，Z依次類推，0xab代表包頭，INT-STATUS代表8位中斷狀態(tài)寄存器，數(shù)據(jù)包一共14個(gè)字節(jié)。

表2 數(shù)據(jù)包格式Tab 2 Data packet format

在人體跌倒慣性數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)驗(yàn)中，需要結(jié)合各種日常生活行為和跌倒行為進(jìn)行對比分析（比如:快速坐下、緩慢蹲下，跳躍等），MPU6000需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定不同的加速度、角速度量程、采樣率、濾波器頻率等。這些配置都由上位機(jī)以命令包的形式下發(fā)，然后通過節(jié)點(diǎn)無線接收、解析后再通過SPI寫入配置寄存器。命令包如表3所示，Reg1—a和Reg1—d都是1個(gè)字節(jié)寬度，分別代表包中第一個(gè)寄存器的地址編號和配置內(nèi)容，后面依次類推。一個(gè)命令包共32個(gè)字節(jié)，0xba代表命令包包頭，一條命令最多只能同時(shí)配置8個(gè)MPU6000寄存器，后面15個(gè)字節(jié)是MSP430和nRF905的配置信息，包括節(jié)點(diǎn)MSP430的SPI配置和啟動采集、停止采集等特殊命令。

表3 命令包格式Tab 3 Command packet format

2．2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)主要包括MPU6000和nRF905初始化，慣性數(shù)據(jù)采集、打包處理，數(shù)據(jù)包無線發(fā)送，中斷響應(yīng)接收幾大模塊。流程圖如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的初始化之后，節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式（低功耗模式LPM0）并且開啟中斷等待命令，當(dāng)nRF905接收到載波頻段匹配和接收到的數(shù)據(jù)包中的地址與本身地址一致的時(shí)候，AM引腳即可置高，MSP430馬上退出LPM0并觸發(fā)中斷。以PC機(jī)端的啟動命令來開啟“采集數(shù)據(jù)—發(fā)送數(shù)據(jù)”的循環(huán)，以結(jié)束命令結(jié)束該循環(huán)并返回待機(jī)模式。這為靈活控制采集數(shù)據(jù)的時(shí)段和增強(qiáng)電池續(xù)航能力提供了良好解決方案。為了保證該循環(huán)處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，所有的命令配置的接收和處理都放在P2．4（AM）中斷服務(wù)函數(shù)。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)端數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢同樣會令DR端置1，所以，節(jié)點(diǎn)若利用DR來通知命令接收將會引起嚴(yán)重干擾，只能采用AM檢測。系統(tǒng)軟件中在初始化和發(fā)送數(shù)據(jù)后必須根據(jù)表1讓nRF905進(jìn)入接收模式，否則，不能接收命令。

2．3 基站軟件設(shè)計(jì)

基站的初始化大部分與節(jié)點(diǎn)類似，但多了串口初始化部分，軟件采用9600 kbs的波特率通信。流程圖如圖4所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，基站可以進(jìn)入低功耗模式或者做其他事務(wù)處理。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)若采用輪詢方式接收數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)端數(shù)據(jù)包發(fā)送太快會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而采用外部中斷接收可以避免上述現(xiàn)象，當(dāng)基站的nRF905的DR端置1，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)接收成功，并放到了nRF905的接收寄存器，觸發(fā)P2．5（DR）上升沿中斷，之后系統(tǒng)退出低功耗或者終止其他事務(wù)處理，之后在P25外部中斷服務(wù)函數(shù)里面，令nRF905進(jìn)入待機(jī)模式，通過SPI讀取nRF905接收數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，再通過RS—232發(fā)往上位機(jī)。為了快速響應(yīng)命令，基站的MCU采用串口中斷接收上位機(jī)的命令，流程圖如圖4所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig 3 Flow chart of node software

圖4 基站軟件流程圖Fig 4 Flow chart of base station software

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用VC++6．0開發(fā)，上位機(jī)通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫Pcomm．dll來進(jìn)行串口通信，避免了基于MSComm控件的通信函數(shù)中數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和配置的復(fù)雜性，并減少了應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)所占內(nèi)存空間［6］，可以通過按鈕、文本框等操作對波特率、串口端口號、節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊進(jìn)行可視化配置，上位機(jī)利用繪圖的雙緩沖技術(shù)，有效避免了繪制波形過程中的閃爍，并且提高繪圖速率。上位機(jī)還利用了多線程技術(shù)，X，Y，Z軸的加速度和陀螺儀六通道數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)采集并顯示波形。結(jié)合MPU6000的運(yùn)動狀態(tài)中斷寄存器檢測結(jié)果，可以對波形進(jìn)行觸發(fā)控制，波形數(shù)據(jù)還可以保存打印輸出。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試分為命令測試和數(shù)據(jù)測試，篇幅有限，僅給出部分測試數(shù)據(jù)。表4為節(jié)點(diǎn)處于靜止條件，根據(jù)傳感器量程不同和MPU6000的X軸所處在的姿態(tài)不同，對應(yīng)的X軸加速度測量數(shù)據(jù)，圖5是節(jié)點(diǎn)佩戴到人體身上后人體跌倒過程中上位機(jī)捕獲到的三軸加速度、三軸角速度數(shù)據(jù)。根據(jù)表中可以看出，采集的數(shù)據(jù)和實(shí)際很相符，無線傳輸具有良好的可靠性。

圖5 上位機(jī)捕獲到的加速度和角速度波形Fig 5 Acceleration and angular velocity wave captured by upper computer

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是在單一節(jié)點(diǎn)單一基站之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是在單一節(jié)點(diǎn)單一基站之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，因此，功能上有一定的局限性。因?yàn)檐浖胁捎弥袛喾绞教幚頂?shù)據(jù)，使得無論基站還是節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)發(fā)送接收，實(shí)時(shí)響應(yīng)命令，數(shù)據(jù)包不丟失，該系統(tǒng)在多節(jié)點(diǎn)多基站構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或者其他無線傳輸應(yīng)用系統(tǒng)中也有一定的參考價(jià)值。

表4 X軸加速度值Tab 4 Acceleration value of X axis

［1］ 張 玉．老年跌倒研究概況與進(jìn)展［J］．中國老年學(xué)雜志，2008，28（5）:929 －931．

［2］ 趙建華，韓玉杰．基于nRF905的溫室無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（6）:141－142．

［3］ 沈建華，楊艷琴．MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008．

［4］ 蔣 博．nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］．工業(yè)儀表與自動化裝置，2006（3）:59－60．

［5］ 張孝云，江小華．基于nRF905的無線加速度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（17）:155 －156．

［6］ 孫 鑫，余安萍．VC++深入詳解［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006．