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引言 步態(tài)作為生物特征之一，在身份識(shí)別和運(yùn)動(dòng)分析方面都有著重要的研究意義，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者投入到該熱點(diǎn)研究中。步態(tài)研究需要以大量可靠的原始步態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，目前公開(kāi)的步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)都基于步態(tài)圖像口。然而動(dòng)態(tài)環(huán)境中拍攝的圖像容易受光照變化、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的影子等多種因素影響，給步態(tài)特征的提取帶來(lái)較大困難。 Ailisto H．等人提出了一種采用加速度傳感器來(lái)獲取步態(tài)數(shù)據(jù)的新方法，避免了動(dòng)態(tài)環(huán)境中多方面因素對(duì)捕捉圖像的不利影響，降低了數(shù)據(jù)處理的難度，從而開(kāi)辟了步態(tài)數(shù)據(jù)獲取的新途徑。但是該方法采用裝有DAQl200數(shù)據(jù)采集卡的筆記本電腦采集數(shù)據(jù)，不僅成本高，而且不便于測(cè)試對(duì)象攜帶。 近幾年隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和制作工藝的不斷改進(jìn)，具有尺寸小、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)的MEMS(Micro-Electro-MecHanical- System)加速度傳感器已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，使得基于運(yùn)動(dòng)傳感器的步態(tài)研究更為方便。本文介紹的步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線(xiàn)采集裝置，就是采用了MEMS三軸加速度計(jì)LIS3LV02DQ、無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF2401、8位微控制器μPD78F0547等主要器件而設(shè)計(jì)的。 1 硬件電路設(shè)計(jì) 步態(tài)加速度信號(hào)無(wú)線(xiàn)采集裝置主要由兩部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集及無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊，無(wú)線(xiàn)接收及數(shù)據(jù)傳輸模塊。主要的接口電路包括微控制器與加速度計(jì)之間的CSIA0 串行接口電路，與無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片之間的CSIll串行接口電路，以及UART轉(zhuǎn)USB的橋接電路等。其原理如圖1、圖2所示。由固定于人體腰后部的數(shù)據(jù)采集及無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊獲取并無(wú)線(xiàn)發(fā)送人運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維加速度數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)端的無(wú)線(xiàn)接收及傳輸模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB串行接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)源。 
2 控制軟件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集及無(wú)線(xiàn)發(fā)送程序流程如圖3所示。其中初始化包括微控制器的I／O端口初始化、串行接口初始化、中斷初始化、加速度計(jì)和無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的初始化配置。初始化完成后等待按鍵命令，第一次按鍵進(jìn)入開(kāi)始采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，再按一次鍵則停止采集數(shù)據(jù)。按鍵由被測(cè)試人控制。
有關(guān)加速度計(jì)的主要程序代碼如下：
注意： ①當(dāng)CSIA0工作在1字節(jié)通信時(shí)，如果只執(zhí)行接收操作，則只能通過(guò)向串行I／O移位寄存器SIOA0寫(xiě)入虛擬數(shù)據(jù)才可啟動(dòng)通信，通信結(jié)束后產(chǎn)生1個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)(INTACSI)，此時(shí)讀取SIOA0即為所要的值。 ②每采集完1組加速度值，必須執(zhí)行語(yǔ)句： write_comm(WRITE_STATUS_REG，Ox00)通過(guò)對(duì)狀態(tài)寄存器STATUS_REG清零，可以清除加速度計(jì)輸出的Data— Ready信號(hào)，從而產(chǎn)生新的一組加速度值。 無(wú)線(xiàn)接收及數(shù)據(jù)傳輸程序流程如圖4所示。在完成初始化后進(jìn)入循環(huán)監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF2401向MCU發(fā)出數(shù)據(jù)就緒信號(hào)，MCU 讀取數(shù)據(jù)后和計(jì)算機(jī)通過(guò)串行通信將數(shù)據(jù)以文件的形式保存到計(jì)算機(jī)中。
3 實(shí)驗(yàn) 本設(shè)計(jì)中的無(wú)線(xiàn)發(fā)送、接收天線(xiàn)采用的是PCB板上的環(huán)形線(xiàn)，其發(fā)射能力較弱，因此實(shí)驗(yàn)是在發(fā)送端和接收端處于可視范圍內(nèi)，并且無(wú)障礙物阻隔的條件下完成的。被測(cè)試對(duì)象將裝置的數(shù)據(jù)采集及無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊固定于腰后部，并且按照要求使加速度計(jì)3個(gè)軸的正方向分別指向人體側(cè)向、垂直方向和前進(jìn)方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加速度計(jì)以其采樣頻率范圍內(nèi)的任意采樣率工作時(shí)，該裝置均能滿(mǎn)足采集與傳輸?shù)囊蟆D5是加速度計(jì)工作在160Hz，被測(cè)試人平地行走時(shí)接收并保存到計(jì)算機(jī)中的時(shí)間一加速度圖。
結(jié)語(yǔ) 本文所設(shè)計(jì)的步態(tài)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集裝置，通過(guò)完成對(duì)特定環(huán)境下步態(tài)加速度數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)，為進(jìn)一步完成便于攜帶的采集裝置作了有效的嘗試。通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)和完善，將會(huì)成為建立原始步態(tài)加速度數(shù)據(jù)庫(kù)、跟蹤檢測(cè)和記錄人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有效工具。 參考文獻(xiàn) 1. 蘇菡.黃鳳崗 一種基于主曲線(xiàn)的步態(tài)識(shí)別方法 [期刊論文] -電子學(xué)報(bào)2007(9) 2. 馬勤勇.王申康.聶棟棟.邱劍鋒 基于瞬時(shí)步態(tài)能量圖的遠(yuǎn)距離身份識(shí)別 [期刊論文] -電子學(xué)報(bào)2007(11) 3. Ailisto Heikki.Lindholm Mikko.Jani Mantyjarvi Identifying People from Gait Pattern with Accelerometers 2005 4. STMicroelectronics.LIS3LV02DQ Data Sheet 2005 5. NEC Electronics μPD78F0547D Data Sheet 2005 6. Nordic Semiconductor.nRF2401AG Data Sheet 2004 作者：山西大學(xué) 劉燕 李月香 來(lái)源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2009（5） |
