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1、項目方案解決書項目名稱：人體姿態(tài)檢測小構成員：趙旭 管晨霞 孟志彬目錄一、 引言.31.1 項目背景31.2 問題提出41.3研究目與意義.51.4參照資料.5二、系統(tǒng)架構.52.1系統(tǒng)構造圖.52.2子系統(tǒng)列表.6三、各模塊實現(xiàn).73.1傳感器模塊.83.2 下位機實現(xiàn).133.3 上位機實現(xiàn).183.4 數(shù)據(jù)庫.23四、總結.24一、引言1.1 項目背景21世紀被稱為“銀發(fā)世紀”，世界范疇內(nèi)老齡化浪潮滾滾而來。人口老齡化是一種全球性發(fā)展趨勢，中華人民共和國也不例外。隨著中華人民共和國經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展及人民生活水平不斷提高，人們平均壽命在不斷延長。按聯(lián)合國分析世界人口構造所用定義，65歲以上老年2、人和60歲以上老年人分別占總人口7和10社會稱為老齡化社會。而依照中華人民共和國人口信息研究中心調(diào)查記錄，中華人民共和國60歲以上人口比例為1031，65歲以上人口占總人口比例為7171，按照國際原則來衡量，中華人民共和國已經(jīng)步入老齡化社會，并且在此后幾十年其老齡化趨勢將更加明顯。發(fā)達國家老齡化是建立在工業(yè)高度發(fā)達基本上，工業(yè)化所積累財富為老齡化問題緩和提供了雄厚物質(zhì)基本和保障，而中華人民共和國老齡化是由于人口生育率下降及人均壽命延長成果，超前于經(jīng)濟發(fā)展。此外，隨著人們與外界交流日益密切，價值觀念與生活方式也發(fā)生了轉(zhuǎn)變。社會學家把家中有老人但無子女或子女都不在老人身邊家庭稱為“空巢家庭”。近些3、年來，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，居住方式變化，家庭構造小型化，以及人口流動加速，子女數(shù)減少，代際居住分離傾向，人口預期壽命延長，其老人家庭空巢率正在不斷加大。近來，國內(nèi)空巢家庭始終呈上升之勢，1987年全國空巢家庭與老年人家庭比例是167，全國第五次人口普查數(shù)據(jù)表白，“空巢家庭”戶占到老年家庭2283，而上升到25.8%。在某些大都市，空巢家庭問題更為突出。，北京市空巢家庭比例為34%，上海市為34.8%，廣州市為30%，天津市為36.5%。特別值得注意是，單身獨居老人在老年人口中比例，也由1999年3.8%上升到112。隨著獨生子女父母步入老年，空巢家庭將成為國內(nèi)老年人家庭重要形式，預期到了20304、年空巢老年人家庭比例將達到90，屆時國內(nèi)老年人家庭將空巢化。1.2問題提出在上一節(jié)中已經(jīng)討論討論了兩個趨勢，一種是人口老齡化趨勢，一種是老年人口中家庭空巢化趨勢。在越來越多老年空巢家庭當中，許多老人健康保障存在問題。對于作為監(jiān)護人獨生子女父母這一代，既要撫養(yǎng)和教誨子女，又要贍養(yǎng)和照顧四位老人對她們無疑是非常沉重承擔。對于社會來說，中華人民共和國是在經(jīng)濟尚不發(fā)達階段浮現(xiàn)人口老齡化，社會化福利服務體系發(fā)展水平還比較落后，現(xiàn)階段國家和社會還無法建立設施先進、服務系統(tǒng)、項目齊全社會福利服務體系。而對于老人自身而言，她們也但愿可以在自己家里安居晚年。因而，老年人由誰來監(jiān)護和護理已經(jīng)成為了一種社會問題。15、.3研究目與意義 當今計算機通信技術和傳感器技術發(fā)展迅速，已經(jīng)應用到了社會生活個個方面，例如工業(yè)控制以及物聯(lián)網(wǎng)領域，但在人們尋常生活中應用相對較少，特別是在老年人監(jiān)護系統(tǒng)中。咱們但愿可以運用計算機通信技術和傳感器技術設計一套老年人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)，通過固定在人體四肢上傳感器來實時捕獲人體姿態(tài)變化，然后通過計算機網(wǎng)絡技術將傳感器數(shù)據(jù)傳到計算機控制端，來完畢對人體姿態(tài)檢測，以此來判斷人姿態(tài)變化。1.4參照資料基于三軸加速度傳感器跌倒檢測技術研究與應用無線傳感器在人體關節(jié)運動姿態(tài)檢測中應用基于CC2430ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點設計PC機與MSP430串口通信實現(xiàn)辦法基于MSP430無線應用二、系統(tǒng)架6、構2.1系統(tǒng)構造圖室內(nèi)方案：室外方案：2.2子系統(tǒng)列表 表名：子系統(tǒng)列表子系統(tǒng)列表子系統(tǒng)功能概述子系統(tǒng)之間關系傳感器傳感器重要使用是三軸加速度傳感器，分別固定在四肢關節(jié)處，運用壓力感應出關節(jié)變化，同步借助無線模塊和ZigBee合同實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳播。傳感器位于顧客身上，傳感器將采集到數(shù)據(jù)實時通過ZigBee合同發(fā)送到單片機內(nèi)，單片機將接受到數(shù)據(jù)解決分析，再通過串口通信傳送到PC端，PC端軟件將實時顯示人體姿態(tài)有關數(shù)據(jù)，同步動態(tài)模仿出此時人體姿態(tài)三維圖像，同步PC端還會將有關數(shù)據(jù)以及三維動態(tài)視頻自動保存到數(shù)據(jù)庫中，可實現(xiàn)歷史查詢功能。下位機重要是基于單片機控制系統(tǒng)，與傳感器通信需要使用ZigBee合同7、，將傳感器發(fā)送來信號通過串口通信傳送給PC。上位機上位機重要是人機交互界面，將顧客姿態(tài)有關參數(shù)一一列出，并且可以實時顯示人體三維姿態(tài)圖像。數(shù)據(jù)庫保存檢測到數(shù)據(jù)以及有關人體姿態(tài)三維動畫。三、各模塊實現(xiàn)3.1傳感器模塊 3.1.1傳感器放置與測量1、手臂上三軸加速度傳感器如圖所示在人體各個關節(jié)上建立相對坐標系，一豎直方向為z軸，擬定該軸豎直方向運動狀態(tài)，然后以水平方向建立x軸和y軸。在手臂上可以按兩個傳感器s1和s2，分別測量兩個關節(jié)處得三軸加速度。先有s1測出其三軸加速度！由此可以擬定整個大臂運動狀態(tài)！再由大臂s1到s2距離可以計算出s2點運動狀態(tài)。然后由s2側出三軸加速度，則可以擬定整個小臂運8、動狀態(tài)！ 2、腿部運動狀態(tài)腿部相應和手臂有些相似但需要安放三個傳感器，在腳踝上安放一種加速度傳感器，以軸為基點建立三軸坐標，同樣，以豎直方向為z軸，以水平方向建立x和y軸，可以測量小腿三軸方向上加速度 ，同樣依照小腿長度，可以擬定膝關節(jié)處點運動狀態(tài)。相應膝關節(jié)上也，以膝蓋為基點建立水平方向x和y軸，以豎直方向建立z軸，通過測量三個方向加速度，擬定大腿運動狀態(tài)，同樣在臀部關節(jié)處安裝加速度傳感器，可以測量臀部以上身體大體運動狀態(tài)！3、腰椎部傳感器 通過測定腰椎部得加速度變化，可以測定整個腰部姿態(tài)變化，其實這個某些是最重要。腰椎部是整個身體聯(lián)系，腰部還可以擬定肩部關節(jié)這個基點位置，可以通過身體各個部9、位之間距離擬定各個點位置。3.1.2、元件：1、傳感器飛思卡爾開發(fā)基于 MEMS (微機電系統(tǒng))三軸向低重力加速計 MMA7260Q，是一款低成本微型電容式加速度傳感器。該芯片采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術，是一款單芯片設備，具備三軸向檢測功能，以極高敏捷度讀取低重力水平墜落、傾斜、移動、放置、震動和搖晃，使便攜式設備可以智能地響應位置、方位和移動變化。MMA7260Q 封裝尺寸很小，只需較小板卡空間，此外還提供迅速啟動和休眠模式。這些特性使 MMA7260Q 成為采用電池供電便攜式電子產(chǎn)品抱負之選。MMA7260Q 可選敏捷度容許在 1.5 g、2g、4g 和 6g 不同范疇內(nèi)10、進行設計。它 3A睡眠模式、500A 低運營電流、1.0ms 迅速啟動響應時間以及 6mm6 mm1.45mm QFN 小巧包裝等其她特性，使環(huán)繞 MMA7260Q 設計活動輕松以便、經(jīng)濟高效。 MMA7260Q傳感器 MMA7260Q 芯片廣泛應用于各領域，對于不同應用，重力加速度級別應當有不同選取。 自由落體檢測：12g，應用于移動硬盤驅(qū)動、手機、PC 筆記本和 MP3 播放器。 傾斜控制：12g，應用于移動辨認、顧客界面滾動和游戲。搖晃：810g，應用于電機穩(wěn)定性。測震學：0.0022g，應用于地震檢波器和地震開關。震動檢測：28g，應用于裝運解決。步程計：1020g 應用于跑步和生理學11、。由此可見，人體跌倒檢測合用是 12g 級別。MMA7260Q 三軸加速傳感器是檢測物件運動和方向傳感器，它依照物件運動和方向變化輸出信號電壓值。各軸信號在不運動或不被重力作用狀態(tài)下（0g）,其輸出為1.65V。如果沿著某一種方向活動，或者受到重力作用，輸出電壓就會依照其運動方向以及設定傳感器敏捷度而變化其輸出電壓。用 MSP430 單片機 A/D 轉(zhuǎn)換器讀取此輸出信號就可以檢測起方向。2、無線收發(fā)元件這次使用信號發(fā)送模塊是RF2420，該模塊是使用TI-Chipcon公司CC2420無線通信芯片開發(fā)而成。是符合ZigBee技術高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，工作在2400-2483.5MHZ I12、SM 頻段，電池消耗低，同步分別給每個發(fā)射模塊設立地址或是唯一辨認合同頭，以此有助于數(shù)據(jù)傳播，將傳感器傳出信號傳播到RF2420接受并發(fā)送到MSP430信號接受模塊！且給每個傳感器分派地址。匯總到單片機解決，再傳給pc機解決！RF2420特點：(1) 采用TI公司CC2420無線芯片，工作在2400-2483.5 MHzISM和SRD頻段.-采用直接序列擴頻方式.-工作速率250kbps，碼片速率2 MChip/s.-使用O-QPSK調(diào)制方式.-高敏捷度（-95dBm）.-較低電流消耗（RX :13.3 mA TX:17.4 mA).-抗鄰頻道干擾能力強(39dB)-內(nèi)部集成有VCO、LNA、13、PA以及電源整流器.-采用低電壓供電(2.13.6V).-輸出功率編程可控.(2) IEEE802.15.4-原則MAC層硬件支持.-前導碼與同步字段自動生成與檢測.-CRC-16自動生成與檢測.-空閑信道檢測.-能量檢測、接受信號強度與鏈路質(zhì)量批示.-MAC層安全保護(CTR,CBCMAC,CCM)支持.(3) 采用4線SPI原則接口,便于MCU配備.(4) 獨立128字節(jié)RX和128字節(jié)TX數(shù)據(jù)FIFO.(5) 模塊采用PCB天線，直線收發(fā)距離20-50米，模塊尺寸32mm*47mm3.2 下位機實現(xiàn)MSP430系列單片機是當前工業(yè)界中性價比高、功耗低Flash 16位RSIC微控制器。因14、而咱們方案是基于MSP430和 CC2420傳感器信息自動采集系統(tǒng)，重要涉及傳感器模塊、無線模塊、PC終端、室內(nèi)定位等。圖一為系統(tǒng)總體構造圖。該系統(tǒng)通過無線模塊發(fā)送和接受外部無線射頻信號，MSP430單片機控制數(shù)據(jù)接受、解決、傳播，將數(shù)據(jù)打包后通過串口通信傳送至PC機。1、MSP430與傳感器通信(1) 信息接受： MSP430通過CC2420無線接受來自傳感器信息，同步通過ZigBee合同地址分派辨認人體不同部位傳感器信息涉及：上肢、腰部、下肢。 （2）室內(nèi)定位：采用射頻辨認技術。射頻辨認技術運用射頻方式進行非接觸式雙向通信互換數(shù)據(jù)以達到辨認和定位目。這種技術作用距離短，普通最長為幾十米。但15、它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度信息，且傳播范疇很大，成本較低。在室內(nèi)東西南北各安裝一種讀卡器，讀卡器與腰部CC2430中間進行自動互換信息，然后讀卡器將這些信息通過Zigbee傳到與MSP430連接CC2430，進而通過串口通信傳給PC機。2、MPS430單片機與PC機通信（1）硬件某些：MSP430單片機通過RS-232接口電路與上位機進行通信，接受上位機傳來控制指令，并可將采集信號上傳至上位機。如圖1-1，串行口電平轉(zhuǎn)換器（MAX232ACPE）實現(xiàn)單片機電平與RS232電平互相轉(zhuǎn)換。（2）下位機(MSP430單片機)程序設計涉及初始化設計、串口中斷服務設計和主解決程序設計主解決程序包16、括初始化、設立串口工作方式、對接受到數(shù)據(jù)進行解決以及封裝需要發(fā)送數(shù)據(jù)。下面是它程序代碼。#include #include sp3220.h/定義串口操作變量char nRev_UART1;/ 串口 1 接受標志char UART1_TX_BUF60;/ 串口 1 發(fā)送緩沖區(qū)char UART1_RX_BUF60;/ 串口 1 接受緩沖區(qū)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 UART117、_RX_Temp60; int i; int n;WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD； / 關閉看門狗 _DINT()； / 關閉中斷 Init_CLK()； / 初始化時鐘 Init_Port()； / 初始化端口 Init_UART1()； / 初始化串口1_EINT()； / 打開中斷for(;) / 進入解決循環(huán) if(nRev_UART1 = 1) /如果有接受中斷 nRev_UART1 = 0; for(i = 0;i nRX1_Len;i+) UART1_RX_Tempi = UART1_RX_BUFi；/ 將接受到數(shù)據(jù)拷貝到暫時緩沖區(qū)。nRes = Process18、CMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len);switch(nRes) case 1： nTX1_Len = 3;/ 設立中斷標志，進入發(fā)送中斷程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0;break;case 2： nTX1_Len = nRX1_Len + 3;/ 設立中斷標志，進入發(fā)送中斷程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0;break;case -1: nTX1_Len = 6;/ 設立中斷標志，進入發(fā)送中斷程序IFG2 |= UTXIFG1; nRX1_Len = 0；break;在上面程序中重要依照“ProcessCMD(UAR19、T1_RX_Temp,nRX1_Len)”對得到成果進行解決，向PC發(fā)送響應數(shù)據(jù)，如果接受到數(shù)據(jù)有錯誤，則發(fā)送“ERROR”。數(shù)據(jù)封裝完畢后，設立“nTx1_Len”長度，并通過“IFG2 |= UTXIFG1;”發(fā)送中斷，從而使中斷解決程序進行數(shù)據(jù)發(fā)送.上面程序中“ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len)”重要解決接受到數(shù)據(jù)并返回相應代碼以使主程序解決。3.3 上位機實現(xiàn)3.3.1 開發(fā)工具選取 PC端上上位機將采用VC編寫，VC+6.0是Microsoft公司推出一種基于Windows系統(tǒng)平臺、可視化集成開發(fā)環(huán)境，它源程序按C+語言規(guī)定編寫，并加入了微軟提供功能20、強大MFC(Microsoft Foundation Class)類庫。MFC中封裝了大某些Windows API函數(shù)和Windows控件，它包括功能涉及到整個Windows操作系統(tǒng)。MFC不但給顧客提供了Windows圖形環(huán)境下應用程序框架，并且還提供了創(chuàng)立應用程序組件，這樣，開發(fā)人員不必從頭設計創(chuàng)立和管理一種原則Windows應用程序所需程序，而是從一種比較高起點編程，故節(jié)約了大量時間。此外，它提供了大量代碼，指引顧客編程時實現(xiàn)某些技術和功能。因而，使用VC+提供高度可視化應用程序開發(fā)工具和MFC類庫，可使應用程序開發(fā)變得簡樸。 VC+由于自身計算能力和解決數(shù)據(jù)能力不強，而MATLAB在這21、些方面功能很強大，它是由美國mathworks公司發(fā)布重要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真等諸多強大功能集成在一種易于使用視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必要進行有效數(shù)值計算眾多科學領域提供了一種全面解決方案，并在很大限度上掙脫了老式非交互式程序設計語言（如C、Fortran）編輯模式，VC+和Matlab互聯(lián)可用Matcom軟件和Matlab自身引擎函數(shù)庫實現(xiàn)。3.3.2 核心代碼實現(xiàn)1、串口通信：MSComm控件是微軟開發(fā)專用通信控件，封裝了串口所有功能，使用很以便，但在實際應用中要小心對其屬性進行22、配備。如下是用到某些重要辦法：CommPort：設立串標語，類型 short :1-comm1 2-comm2.Settings：設立串口通信參數(shù)，類型 CString :B波特率，P奇偶性（N無校驗，E偶校驗，O奇校驗），D字節(jié)有效位數(shù)，S停止位。PortOpen：設立或返回串口狀態(tài)，類型 BOOL：TURE打開，F(xiàn)ALSE關閉。InputMode:設立從接受緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)格式，類型 long： 0-Text 1-Bin。Input:從接受緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，類型 VARIANT。InBufferCount:接受緩沖區(qū)中字節(jié)數(shù)，類型：short。InBufferSize:接受緩沖區(qū)大小，類型：s23、hort。Output:向發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，類型：VARIANT。OutBufferCount:發(fā)送緩沖區(qū)中字節(jié)數(shù)，類型：short。OutBufferSize:發(fā)送緩沖區(qū)大小，類型：short。InputLen:設立或返回Input讀出字節(jié)數(shù)，類型：short。CommEvent:串口事件，類型：short。程序示例：串口初始化if (!m_comm.GetPortOpen()m_comm.SetPortOpen(TURE)；/*打開串口*/m_comm.SetSettings(4800,n,8,1)；/*串口參數(shù)設立*/m_comm.SetInputMode(0)；/*設立TEXT緩沖區(qū)24、輸入方式*/m_comm.SetRthresHold(1)；/*每接受一種字符則激發(fā)OnComm()事件*/接受數(shù)據(jù)m_comm.SetInputLen(1)；/*每次讀取一種字符VARINAT V1=m_comm.GetInput();/*讀入字符*/m_V1=V1.bstrval;發(fā)送字符m_comm.SetOutput(Colevariant (Hello)；/*發(fā)送 “Hello” */2、解決數(shù)據(jù)：對從下位機上數(shù)據(jù)按照一定算法進行分析，最后將各有關參數(shù)解析出3、人體姿態(tài)三維模仿 對于人體姿態(tài)模仿，考慮到肢體運動過程中也許會牽扯到大量矩陣運算，因而可以使用MATLAB進行仿真，應用MA25、TLAB工具中Simulink和VR工具箱對所得數(shù)據(jù)進行仿真。3.3.3上位機基本功能界面 3.4 數(shù)據(jù)庫由于本次需要保存數(shù)據(jù)量相對較小，同步數(shù)據(jù)之間邏輯關系相對簡樸，因而可以采用oracleMySQL數(shù)據(jù)庫，MySQL數(shù)據(jù)庫是一種中檔大數(shù)據(jù)庫，有諸多長處，例如是一種開放源代碼關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用最慣用數(shù)據(jù)庫管理語言-構造化查詢語言（SQL）進行數(shù)據(jù)庫管理等等。咱們將在數(shù)據(jù)庫中建一種表，將時間作為id，PC端將每30分鐘與數(shù)據(jù)庫通信一次，保存有關數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)涉及人體姿態(tài)變化有關參數(shù)和人體三維姿態(tài)圖像，當顧客要調(diào)用所查內(nèi)容時，只需輸入時間就可以調(diào)出此時間段內(nèi)有關內(nèi)容。四、總結人體姿態(tài)檢測技術應用前景是很廣泛，特別是在老年人監(jiān)護方面更是有很大意義，在不影響老人尋常活動狀況下，可以讓老年人不再由于膽怯跌倒等危險動作而減少活動，從而可以提高老年人晚年生活品質(zhì)，另一方面也可以減輕社會和子女壓力，對構建以人為本和諧社會有著非常積極意義。