一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统及其数据传输方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统及其数据传输方法，在采集对象各个关节处增加BLE模块，使得每一个关节处都能够使用蓝牙技术和sink节点通信，并将所有的关节处分成若干组，每组连接一个sink节点，每一组中的关节处的数据都可以与和自己的sink节点进行数据传输，sink节点通过串口与Root节点进行数据传输，组成一种树状传输网络。本发明专利技术基于蓝牙的树状传输网络有效的解决了WiFi和Zigbee无线技术在动作捕捉系统中的不足，同时让用户摆脱了数据线的束缚，提升了用户体验，并且降低了整个系统的功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统及其数据传输方法，属于动作采集

技术介绍
从20世纪80年代开始，运动捕捉最初被使用于人体捕捉方面，但是，运动捕捉系统不但可以捕捉人体，也可以捕捉机械结构、动物等等。其中，对人体、动物的动作捕捉已被大量应用于影视制作。与此同时，动作捕捉也在向医疗、虚拟现实等方向拓展，发展前景非常广阔。前端设备对人体动作数据的捕获是惯性动作捕捉系统的关键技术之一，因此，如何将采集到的数据实时并且正确的传送到数据处理单元成为整个系统的重中之重。数据传输部分使用的方案主要有有线传输和无线传输两种。有线传输，即将安装在人体身上的每个节点通过总线的方式连接在一起，每个传感器节点是总线的从设备，通过特定传输协议比如modbus协议与sink节点进行通信。这种数据通信速率高，并且稳定，但是，各个节点之间的连线会束缚人的运动，用户体验极差。无线传输包括WiFi、Zigbee和蓝牙。其中，WiFi传输能够满足大容量的数据传输要求，但是，其自组网的功能比较弱，功耗大并且成本较高。Zigbee传输虽然功耗较小，组网机制比较成熟，但是，Zigbee技术连接速度和数据传输速度都比较慢，不能够达到预期要求。另外，WiFi和Zigbee都属于ISM2.4G频段，没有自适应跳频功能，不能够和其他无线技术共存，很容易受到物理空间中的相同频段的信号干扰，数据传输就会出现延迟或者出现错误，因此，对于环境的要求就比较苛刻。蓝牙4.0技术于2010年被蓝牙技术联盟SIG写入蓝牙规范。蓝牙4.0支持星型网络拓扑结构和点对点数据传输，能够在多种模式下工作，并且在传统蓝牙的基础上极大地降低了功耗，数据传输速度为1Mbps，蓝牙4.0采用自适应跳频技术，能够最大程度地减少ISM2.4G其他无线电信号的干扰。随着蓝牙技术的不断发展，组网能力不断增强，无论是在智能家居、智能硬件还是可穿戴智能设备等物联网领域，蓝牙大有取代Zigbee的趋势。三种无线技术的参数指标对比如表1所示。表1BLEWIFIZigbee支持网络星型、点对点星型、点对点网状、星型、点对点传输距离10-50米30-100米10-30米数据速率1Mbps50Mbps250kbps峰值电流＜12mA＞50mA20-30mA延迟2.5ms10ms20ms工作频段2.4GHz2.4GHz2.4GHz目前，基于MEMS的惯性动作捕捉技术正处于发展初期，其数据传输方案也没有非常好的的解决方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统；本专利技术还提供了上述惯性动作捕捉系统的数据传输方法。术语解释蓝牙低能耗(BLE)技术，是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术，工作在免许可的2.4GHzISM射频频段。它从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术。它利用许多智能手段最大限度地降低功耗。蓝牙低能耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。另外，因为BLE技术采用非常快速的连接方式，因此平时可以处于“非连接”状态(节省能源)，此时链路两端相互间只是知晓对方，只有在必要时才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。本专利技术的技术方案为：一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统，包括N个数据采集模块、M个sink节点及一个Root节点，所述N个数据采集模块分成M组，每一组的所有数据采集模块分别无线连接一个sink节点，M个sink节点分别无线连接一个Root节点；所述数据采集模块包括若干个传感器、MCU及一个BLE模块，若干个传感器及一个BLE模块分别连接MCU，所述sink节点包括BLE模块，所述Root节点包括BLE模块，所述N个数据采集模块分别设置在采集对象的N个关节处；所述数据采集模块用于：采集对应关节处的数据，并将数据传输至与该数据采集模块连接的sink节点；所述sink节点用于：短时存储该sink节点连接的所有数据采集模块传输的数据，并将其传输至所述Root节点。本专利技术提出了一种基于蓝牙4.0的动作捕捉系统数据传输的网络结构，即树状网络拓扑结构：在采集对象各个关节处增加BLE模块，使得每一个关节处都能够使用蓝牙技术和sink节点通信，并将所有的关节处分成若干组，每组连接一个sink节点，每一组中的关节处的数据都可以与和自己的sink节点进行数据传输，sink节点通过串口与Root节点进行数据传输，组成一种树状传输网络。本专利技术基于蓝牙的树状传输网络有效的解决了WiFi和Zigbee无线技术在动作捕捉系统中的不足，同时让用户摆脱了数据线的束缚，提升了用户体验，并且降低了整个系统的功耗。根据本专利技术优选的，所述BLE模块的型号为SoC-CC2540。SoC-CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051微控制器，低功耗模式下工作，具有自适应跳频技术选择特定频率下数据传输，减少其他2.4G无线电磁波的干扰，超低功耗模式下工作，提供可靠稳定持久的数据传输服务。根据本专利技术优选的，所述MCU的型号为STM32L152RBT6。根据本专利技术优选的，所述N的取值范围为15—18。根据本专利技术优选的，所述若干个传感器包括：加速度计、陀螺仪、磁力计，所述加速度计及所述陀螺仪的型号为MPU6050，所述磁力计的型号为MAG3110。加速度计和陀螺仪使用InvenSense公司的MPU6050芯片，由于该芯片集成了三轴加速度计与三轴陀螺仪，加速度计与陀螺仪坐标系中心是重合的，无需考虑补偿问题，为硬件的设计和程序的编写提供了方便。磁力计使用飞思卡尔公司设计生产的MAG3110。MAG3110可以在宽达+/-1000μT的范围内测量磁场强度，先进的过采样技术可以将噪声控制在0.25uT，同时具有低功耗特性，在0.6Hz的ODR(OutputDataRate)下仅需8.6uA的电流。上述惯性动作捕捉系统的数据传输方法，具体步骤包括：(1)所述MCU通过读取所述加速度计、所述陀螺仪、所述磁力计上的数据，获取每个关节处的动作信息，所述动作信息包括加速度、角速度和磁强度，并将动作信息进行压缩四元数处理并短暂存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统，其特征在于，包括N个数据采集模块、M个sink节点及一个Root节点，所述N个数据采集模块分成M组，每一组的所有数据采集模块分别无线连接一个sink节点，M个sink节点分别无线连接一个Root节点；所述数据采集模块包括若干个传感器、MCU及一个BLE模块，若干个传感器及一个BLE模块分别连接MCU，所述sink节点包括BLE模块，所述Root节点包括BLE模块，所述N个数据采集模块分别设置在采集对象的N个关节处；所述数据采集模块用于：采集对应关节处的数据，并将数据传输至与该数据采集模块连接的sink节点；所述sink节点用于：短时存储该sink节点连接的所有数据采集模块传输的数据，并将其传输至所述Root节点。

【技术特征摘要】
1.一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统，其特征在于，
包括N个数据采集模块、M个sink节点及一个Root节点，所述N个数据采集模块分成M组，
每一组的所有数据采集模块分别无线连接一个sink节点，M个sink节点分别无线连接一个
Root节点；所述数据采集模块包括若干个传感器、MCU及一个BLE模块，若干个传感器及一
个BLE模块分别连接MCU，所述sink节点包括BLE模块，所述Root节点包括BLE模块，所述
N个数据采集模块分别设置在采集对象的N个关节处；
所述数据采集模块用于：采集对应关节处的数据，并将数据传输至与该数据采集模块连
接的sink节点；
所述sink节点用于：短时存储该sink节点连接的所有数据采集模块传输的数据，并将其
传输至所述Root节点。
2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作
捕捉系统，其特征在于，所述BLE模块的型号为SoC-CC2540。
3.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作
捕捉系统，其特征在于，所述MCU的型号为STM32L152RBT6。
4.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作
捕捉系统，其特征在于，所述N的取值范围为15—18。
5.根据权利要求1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涤，侯学辉，范聪聪，梁昊，赵森，常银惠，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37