基于无线体域网的可穿戴式行走监测系统及其监测方法技术方案

本发明专利技术公开了基于无线体域网的可穿戴式行走监测系统及其监测方法，采用多传感器体域网采集器是由多个传感器采集节点和一个汇聚节点组成的无线星型传感器网络，通过传感器采集节点周期性采集人体各个运动关键部位的运动数据，并对传感数据压缩处理后无线传输至汇聚节点；汇聚节点实现整合、同步各采集节点压缩数据，并通过无线网络传送至远端运动数据分析中心；运动数据分析中心对运动数据优化重构后，准确获取同步采集的各传感器采集节点的运动数据，用于后续数据分析和评估。本发明专利技术将体域网多传感器数据采集、压缩、同步重构相融合，将数据处理时隙与多传感运动数据压缩感知算法相结合，解决各传感器采集节点因时钟晶振差异和分时发送所导致的多传感器采集数据非同步问题。

【技术实现步骤摘要】
基于无线体域网的可穿戴式行走监测系统及其监测方法
本专利技术涉及移动通信和远程医疗领域，尤其涉及基于无线体域网的可穿戴式行走监测系统及其监测方法。
技术介绍
当前，有效预防老年人跌倒已成为全社会日益关注的焦点问题。准确监测老年人行走功能变化对于早期评价老年人跌倒风险，提高老年人日常生活质量具有重要意义。近年来国内外相关研究主要依据人体运动结构特点，尝试基于移动互联网、无线通信、嵌入式系统、微型MEMS传感器等先进技术，探寻具有网络化、可穿戴、低功耗、低成本的远程人体行走活动监测系统。采用基于可穿戴体域网构建远程人体行走活动监测系统是目前研发的主要趋势，多传感器数据同步采集和低功耗设计时可穿戴体域网在实际应用中急需解决的难题。然而，目前大部分研究解决方案较侧重于多传感器采集节点体系结构设计，尝试利用低功耗功能芯片，降低采集节点功耗，未能把传感器采集节点硬件设计与从数据传输过程中寻找有效降低低功耗的协议很好联合起来。例如，中国公开专利号ZL201420515039.2公开了一种面向手机用户的便携式运动参数获取装置，仅考虑采用低功耗专用单片机的无线发送模块来降低采集节点功耗。而在多传感器采集数据同步方面，研究主要通过构建星型无线人体传感网络，搭建一种主控系统和多个采集子系统协同工作的体系结构，通过由主控系统同步控制多采集节点实现多传感采集数据同步。例如，中国公开专利号CN103079289A公开了一种无线多人运动数据采集器及采集方法，并提出一种基于时隙分配关系来建立整个传感数据采集系统的无线传感网络时间同步算法，然而，该方法的系统同步发起者为数据汇聚节点，事实上，各传感器采集节点定时系统具有独立性，难以形成统一的系统时钟，受此影响，多传感器采集节点难以实现同一时刻传输数据。总体而言，目前研究仅从多传感数据采集层面寻找解决上述关键问题方法，未能从系统整体架构综合考虑来寻找有效的技术解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供基于无线体域网的可穿戴式行走监测系统及其监测方法，着力从系统多层次架构上解决多传感器数据采集、低功耗、同步传输等关键问题，获取更加符合人体运动“动力链”的运动数据，为居家老年人行走活动远程监测、鉴别提供可靠的技术平台。本专利技术采用的技术方案是：基于无线体域网的可穿戴式行走监测系统，其包括多传感器体域网采集器和位于远端的运动数据分析中心；多传感器体域网采集器上设有第一无线通信模块，多传感器体域网采集器用于获取人体运动的动力链的运动数据并通过第一无线通信模块将运动数据发送至运动数据分析中心，运动数据分析中心用于远程监测和鉴别评估人体步态运动状况。进一步地，多传感器体域网采集器包括两个以上的传感器采集节点和一个汇聚节点，两个以上的传感器采集节点分别设于人体运动的关键部位，传感器采集节点用于采集人体各个运动关键部位的运动数据并将运动数据发送至汇聚节点，第一无线通信模块集成于汇聚节点内，汇聚节点协调控制各传感器采集节点同步采集数据并将运动数据整合后通过第一无线通信模块发送至运动数据分析中心。进一步地，所述传感器采集节点包括运动参数传感采集模块、采集节点电源管理模块，计算及控制模块和第一节点无线通信模块，计算及控制模块采用总线形式分别与运动参数传感采集模块和第一节点无线通信模块双向连通，采集节点电源管理模块用于传感器采集节点的供电管理。进一步地，所述汇聚节点包括基于高性能ARM微处理器的嵌入式控制模块以及与嵌入式控制模块连接的存储模块、显示模块、汇聚节点电源管理模块、第二节点无线通信模块、第一无线通信模块和扩展通信接口模块，第二节点无线通信模块与第一节点无线通信模块相互配套，第二节点无线通信模块接收传感器采集节点采集的运动数据；存储模块存储接收的运动数据；嵌入式控制模块协调控制各传感器采集节点同步采集数据；扩展接口模块用于外接报警功能模块和定位功能模块；显示模块实时显示汇聚节点接收的运动数据；嵌入式控制模块通过第一无线通信模块发送运动数据至运动数据分析中心，汇聚节点电源管理模块用于汇聚节点的供电管理。进一步地，所述第一节点无线通信模块和第二节点无线通信模块均为Zigbee无线通信模块。进一步地，所述第一无线通信模块为WIFI无线通信模块。进一步地，运动数据分析中心包括接入服务器、数据库服务器和WEB服务器，接入服务器与第一无线通信模块连接并接收运动数据，接入服务器分别与数据库服务器和WEB服务器双向连通，数据库服务器与WEB服务器双向连通，数据库服务器用于运动数据的存储并提供运动数据的读取服务，WEB服务器上搭载有管理应用软件用于人机交互以及数据处理。进一步地，所述多传感器体域网采集器基于人体运动动力链的特点构建，两个以上的所述传感器采集节点和一个汇聚节点组成星型无线传感器网络，传感器采集节点将运动数据压缩处理后发送至汇聚节点。本专利技术还公开了基于无线体域网的可穿戴式行走监测方法，采用了所述基于无线体域网的可穿戴式行走监测系统，监测方法包括以下步骤：(1)将多传感器采集节点与汇聚节点组成星型无线传感器网络；(2)多传感器采集节点周期性采集运动数据，并将运动数据压缩处理；(3)多传感器采集节点根据采集周期封装压缩后的运动数据，并进入低功耗休眠状态等待定时器将其唤醒；(4)多传感器采集节点根据采集周期定时唤醒，并将压缩后的运动数据传送给汇聚节点；(5)汇聚节点接收压缩后的运动数据，并通过第一无线通信模块传输至运动数据分析中心；(6)一次数据传输结束，重复步骤2-5，实现运动传感数据周期性采集。进一步地，所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1-1)汇聚节点和多传感器采集节点初始化；(1-2)汇聚节点广播构建无线传感器网络的组网命令，并等待多传感器采集节点入网；(1-3)多传感器采集节点监听信道，并向汇聚节点申请接入无线传感器网络的网络地址；(1-4)汇聚节点分配网络地址；(1-5)多传感器采集节确认汇聚节点应答信息，成功入网则进入步骤(1-6)，失败则返回步骤(1-3)，重新申请入网；(1-6)完成无线传感器网络组网，等待数据传输。本专利技术采用以上技术方案，提出一个由可穿戴体域网、互联网、远程数据分析中心系统组成的三层系统架构，各层次子系统软、硬件协同优化设计，为多传感运动数据同步采集、传输、远程获取提供支持，具有低成本、低功耗特点。本专利技术设置一个实现数据压缩的可穿戴传感器采集节点。传感器采集节点由MPU6050传感器(集成三轴加速度计和三轴陀螺仪)和CC2530无线通信模块组成，利用采集节点处理器实现压缩感知方法压缩传输数据，明显降低传输数据量和传感节点功耗。采集节点PCB板基于阻抗优化天线巴伦匹配电路，具有体积小、功耗低和易穿戴特点。本专利技术进一步提出了基于无线体域网的可穿戴式行走监测方法，将数据处理时隙与多传感运动数据压缩感知算法相结合，在采集端进行数据压缩，并基于时隙多传感数据融合算法实现多传感器采集数据同步；在运动数据分析中心重构压缩数据，获得基于同一时隙的多传感器同步采集运动数据，获取更加符合人体运动“动力链”的步态数据，为人体步态运动评价提供可靠的数据依据。附图说明以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细说明；图1为本专利技术的基于无线体域网的可穿戴式行走监测系统的架构图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于无线体域网的可穿戴式低功耗行走远程监测系统，其特征在于：其包括多传感器体域网采集器和位于远端的运动数据分析中心；多传感器体域网采集器上设有第一无线通信模块，多传感器体域网采集器用于获取人体运动的动力链的运动数据并通过第一无线通信模块将运动数据发送至运动数据分析中心，运动数据分析中心用于远程监测和鉴别评估人体步态运动状况。

【技术特征摘要】
1.基于无线体域网的可穿戴式低功耗行走远程监测系统，其特征在于：其包括多传感器体域网采集器和位于远端的运动数据分析中心；多传感器体域网采集器上设有第一无线通信模块，多传感器体域网采集器用于获取人体运动的动力链的运动数据并通过第一无线通信模块将运动数据发送至运动数据分析中心，运动数据分析中心用于远程监测和鉴别评估人体步态运动状况。2.根据权利要求1所述基于无线体域网的可穿戴式低功耗行走远程监测系统，其特征在于：多传感器体域网采集器包括两个以上的传感器采集节点和一个汇聚节点，两个以上的传感器采集节点分别设于人体运动的关键部位，传感器采集节点用于采集人体各个运动关键部位的运动数据并将运动数据发送至汇聚节点，第一无线通信模块集成于汇聚节点内，汇聚节点协调控制各传感器采集节点同步采集数据并将运动数据整合后通过第一无线通信模块发送至运动数据分析中心。3.根据权利要求2所述基于无线体域网的可穿戴式低功耗行走远程监测系统，其特征在于：所述传感器采集节点包括运动参数传感采集模块、采集节点电源管理模块，计算及控制模块和第一节点无线通信模块，计算及控制模块采用总线形式分别与运动参数传感采集模块和第一节点无线通信模块双向连通，采集节点电源管理模块用于传感器采集节点的供电管理。4.根据权利要求2所述基于无线体域网的可穿戴式低功耗行走远程监测系统，其特征在于：所述汇聚节点包括基于高性能ARM微处理器的嵌入式控制模块以及与嵌入式控制模块连接的存储模块、显示模块、汇聚节点电源管理模块、第二节点无线通信模块、第一无线通信模块和扩展通信接口模块，第二节点无线通信模块与第一节点无线通信模块相互配套，第二节点无线通信模块接收传感器采集节点采集的运动数据；存储模块存储接收的运动数据；嵌入式控制模块协调控制各传感器采集节点同步采集数据；扩展接口模块用于外接报警功能模块和定位功能模块；显示模块实时显示汇聚节点接收的运动数据；嵌入式控制模块通过第一无线通信模块发送运动数据至运动数据分析中心，汇聚节点电源管理模块用于汇聚节点的供电管理。5.根据权利要求4所述基于无线体域网的可穿戴式低功耗行走远程监测系统，其特征在于：所述第一节点无线通信模块和第二节点无线通信模块均为Zigbee无线...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建宁，凌雲，王佳境，伍滨，董铠，徐海东，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：福建,35