基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统技术方案

一种基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统，可实时同步采集和监测人体多节段、多关节、多自由度的运动数据，采集的运动数据经过姿态解算后，通过蓝牙通信方式传输到移动智能终端，其中多节点数据采集频率可达900Hz以上，应用姿态解算后的人体运动姿态数据输出速率可达150Hz，满足实时监测人体完整运动状况的需求。其次，针对多节点运动数据特性，通过建立相应的多节点采集数据结构、在内存中开辟对应大小的动态数组，以及充分利用读写锁的特性，保证了实时采集数据的准确性和完整性。最后通过建立多个在系统后台负责不同任务的线程，实现三维运动监测系统多节点数据采集、蓝牙通讯、姿态解算处理和在移动终端上的可视化功能，以满足临床对人体运动障碍诊断和评估的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种医疗辅助领域的设备，具体是一种基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统。
技术介绍
运动是人体的一项重要生理功能，人体因肢体残障、或神经与肌肉骨骼系统受损、或老年疾病如脑卒中、帕金森病等因素作用都易导致运动障碍或丧失，因此实现对人体运动的实时监测与评估是临床诊疗与康复训练的重要手段，相关系列产品在临床中也愈益发挥着重要作用。为了实现临床对人体运动障碍的诊断和评估，人体运动监测系统的一个基本要求是能够精确采集人体多节段、多关节、多自由度的运动轨迹，监测和分析人体的运动特征。目前面向临床应用的主要设备是应用三维运动光学捕捉技术，实现高精度的运动采集和分析，该领域知名的产品有英国Vicon公司开发的Vicon三维运动捕捉系统、NDI公司开发的Optotrak步态/姿势分析系统。该类设备由数个高精度摄像头组成，摄像头通过捕捉置于运动对象表面标记点发出的红外光或反射光，采集和记录运动轨迹。由于此类设备价格昂贵，对测量环境有光学干扰低、运动表面不受阻挡等苛刻要求，使用时需多名助手参与，且操控复杂，目前我国只有少量大型医院拥有。近年来，随着无线通信与微电子技术的发展，基于微电子技术(MEMS)开发的可穿戴式三维运动无线捕捉系统已开始应用于人体运动的监测。该类系统通常由运动传感器节点和无线数据传输模块组成，其中传感器节点集成了嵌入式微处理器、采集运动学信息的微电子惯性传感器(加速计、回转仪)。运动传感器节点采集的运动学数据通过蓝牙等无线通信方式发送到移动智能终端或远程终端。然而对现有技术的检索发现，目前研发的可穿戴式运动监测系统通常只能实时采集和监测一个节点的运动数据，且传感器节点与智能移动终端之间可达的运动数据频率未见有报道。由于人体运动涉及全身多运动关节和节段，为了满足临床对运动障碍诊断和评估的需求，需要同步采集运动系统多节段、多关节、多自由度的三维空间运动信息。中国专利文献号CN201420292155，公开日2014-10-15，公开了一种“运动监测系统”，该系统由生理信号采集系统、加速度采集模块、中心处理模块及决策支持计算机，中心处理模块将采集的生理和运动数据分析转化成得到人体运动时生理指标和位移变化，通过蓝牙模块发送到决策支持计算机。该系统未涉及人体多节点运动信息的同步采集。中国专利文献号CN201410766297，公开日2015-04-08，公开了一种“新型脚步运动监测系统”，监测部分嵌入到鞋底后端内部预留的空间位置，移动终端装有APP应用软件，脚步监测装置监测脚步的多种运动状态并将监测数据进行保存，同时将所述监测数据通过蓝牙传送到所述移动终端的APP应用软件进行更新，所述监测数据包括运动时间、静止时间、运动步伐数、运动速度、运动距离、运动轨迹及所处位置的海拔高度。同样，该技术只涉及对足部单一节点的运动监测，无法同时获得身体其它各部位的运动信息。中国专利文献号CN103105176A，公开(公告)日2013.05.15，公开了一种基于MEMS传感器的运动跟踪系统及方法，运动跟踪系统包括：上位机、多个蓝牙主机、及设置在每个节点上的感测装置，感测装置包括：MEMS传感单元，用于每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的运动参数；数据处理单元，用于对所采集的运动参数进行融合处理，以获得被跟踪物相应节点的运动信息，并将运动信息通过数据接口发送至相应的蓝牙从机；蓝牙从机，用于将所接收的运动信息转换为蓝牙信号，并利用蓝牙协议将蓝牙信号发送至相应的蓝牙主机；上位机，用于从多个蓝牙主机收集并汇总各个节点所对应的蓝牙信号，以生成被跟踪物的运动信息。但该技术与本专利技术相比，其不足之处和缺陷在于：该技术采用每隔预设时间采集一次被跟踪物相应节点的数据，但未表明预设时间，无法判断数据采集的实时性能。其次，该技术未见有对采集数据在实现蓝牙通信时的完整性处理，如未见有对传输数据的帧结构添加任何标记信息，以检查数据的传输质量或判断数据有无丢失。最后，该技术侧重于对运动节点的数据采集和传输过程，未见有对运动姿态信息处理和在移动终端上的三维可视化显示功能，较难满足临床对人体运动障碍诊断和评估的需求。
技术实现思路
本专利技术针对智能终端机上实时同步采集体域网中多节点传感器数据的问题，提出一种基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统，可实时同步采集和监测人体多节段、多关节、多自由度的运动数据，采集的运动数据经过姿态解算后，通过蓝牙通信方式传输到移动智能终端，其中多节点数据采集频率可达900Hz以上，应用姿态解算后的人体运动姿态数据输出速率可达150Hz，满足实时监测人体完整运动状况的需求。其次，针对多节点运动数据特性，通过建立相应的多节点采集数据结构、在内存中开辟对应大小的动态数组，以及充分利用读写锁的特性，保证了实时采集数据的准确性和完整性。最后通过建立多个在系统后台负责不同任务的线程，实现三维运动监测系统多节点数据采集、蓝牙通讯、姿态解算处理和在移动终端上的可视化功能，以满足临床对人体运动障碍诊断和评估的需求。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统，包括：含有传感器、节点微控制器和蓝牙收发模块的传感器节点和设置于移动终端上的多节点数据处理模块及可视化模块，其中：移动终端通过蓝牙方式与多个传感器节点建立一对多的通信网络。所述的传感器内设有三轴加速度计和三轴陀螺仪，实时采集人体各节段或各关节在X、Y、Z三个方向的加速度和角速度数据，并通过I2C的总线协议传输至节点微控制器，节点微控制器通过UART接口将压缩并打上时间戳后的数据包传输给蓝牙收发模块。所述的多节点数据处理模块采用多线程架构方式进行多节点数据处理，对多个传感器节点发送的数据进行解析处理，可视化模块显示多节点数据处理模块的处理结果。所述的解析处理包括：一、对各个节点数据分时依次处理，得到每个节点单独的时空参数和姿态信息；二、多个节点数据的融合处理，得到这些节点相互依赖的姿态信息，如两个节段之间的角度(即关节角)。所述的姿态信息，通过基于卡尔曼滤波的姿态算法实现，提高了姿态解算准确度。所述的多节点数据结构类型包括：起始标记、节点编号、传感器数据类型、数据内容、时间戳和结束标记，其中：起始标记标示数据帧的起始，节点编号为传感器节点的唯一不可重复编号，传感器数据类型由传感器类型及传感器采用的控制模式组成，数据内容包含了经过节点微控制器处理的传感器所得数据，时间戳包含了发送该数据帧时单片机所经过的时间，结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统，其特征在于，包括：含有传感器、节点微控制器和蓝牙收发模块的传感器节点和设置于移动终端上的多节点数据处理模块及可视化模块，其中：移动终端通过蓝牙方式与多个传感器节点建立一对多的通信网络；所述的传感器内设有三轴加速度计和三轴陀螺仪，实时采集人体各节段或各关节在X、Y、Z三个方向的加速度和角速度数据，并通过I2C的总线协议传输至节点微控制器，节点微控制器通过UART接口将压缩并打上时间戳后的数据包传输给蓝牙收发模块；所述的多节点数据处理模块采用多线程架构方式进行多节点数据处理，对多个传感器节点发送的数据进行解析处理，可视化模块显示多节点数据处理模块的处理结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统，其特征在于，包括：含有
传感器、节点微控制器和蓝牙收发模块的传感器节点和设置于移动终端上的多节点数据处理模
块及可视化模块，其中：移动终端通过蓝牙方式与多个传感器节点建立一对多的通信网络；
所述的传感器内设有三轴加速度计和三轴陀螺仪，实时采集人体各节段或各关节在X、Y、
Z三个方向的加速度和角速度数据，并通过I2C的总线协议传输至节点微控制器，节点微控制
器通过UART接口将压缩并打上时间戳后的数据包传输给蓝牙收发模块；
所述的多节点数据处理模块采用多线程架构方式进行多节点数据处理，对多个传感器节点
发送的数据进行解析处理，可视化模块显示多节点数据处理模块的处理结果。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的解析处理包括：
一、对各个节点数据分时依次处理，得到每个节点单独的时空参数和姿态信息；
二、多个节点数据的融合处理，得到这些节点相互依赖的姿态信息，如两个节段之间的角
度；
所述的姿态信息，通过基于卡尔曼滤波的姿态算法实现，从而提高了姿态解算准确度；
所述的多节点数据结构类型包括：起始标记、节点编号、传感器数据类型、数据内容、时
间戳和结束标记，其中：起始标记标示数据帧的起始，节点编号为传感器节点的唯一不可重复
编号，传感器数据类型由传感器类型及传感器采用的控制模式组成，数据内容包含了经过节点
微控制器处理的传感器所得数据，时间戳包含了发送该数据帧时单片机所经过的时间，结束标
记表示了数据帧的结束。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的节点微控制器用于保存来自于节点的
原始数据并对其进行处理，生成数据包并传输至蓝牙收发模块。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的蓝牙收发模块包括：数据发送单元及
数据接收单元，其中：数据发送单元通过建立好的蓝牙连接将来自节点微控制器的数据帧发送
至指定的移动终端，数据接收单元接收来自移动终端发送的控制帧，转发至节点微控制器并根
据控制帧内容进行工作状态调整。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述的工作状态调整是指：调整数据发送单
元的波特率和发射功率、调整待检测传感器的种类及其信息采集速率、节点微控制器的工作方

\t式和处理模式。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的多节点数据处理模块内设有用于存放
移动终端收到来自传感器节点的原始数据，即数据帧的原始数据单元，以及用于存放经分析处
理后生成的有序的生理或运动数据的数据存储单元。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的原始数据单元和数据存储单元均设有
读写锁，即读模式锁定时可以共享，写模式锁定时则为独占。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的可视化模块是指：在移动终端上，应
用OpenGL-ES的图形程序接口技术，渲染和绘制具有景深场景的界面，以立方块的空间姿态
代表所监测身体节段的空间姿态，实现了移动终端上的人体姿态展示；以点图形式，实时绘制
加速度数据的波形；根据加速度在一个步态周期内的数值变化特征，通过设定动态阈值的方法，
计算步态周期和步态时空参数，包括步频、步长、跨步时间等，在移动终端界面上实时显示；
通过设计跌倒识别算法，判别跌...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾冬云，施黄骏，王凯，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31