CN102831760A - 一种大规模运动数据采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大规模运动数据采集系统，其特征在于，所述采集系统包括体力活动监测终端，数据采集与监测系统以及数据处理服务器，所述体力活动监测终端通过ZigBee无线网络与数据采集与监测系统相连；数据采集与监测系统通过有线网络与数据处理服务器相连。本发明实现了多参数输出的体力活动监测终端，避免了单一参数的采集，为大规模人群运动健康数据分析提供了数据支持；基于动静态结合的电源检测与提示模块，实现了设备的低功耗；完成大规模、短时间内的批量数据采集，增加了ZigBee网络的数据传输量。

Description

一种大规模运动数据采集系统及采集方法

 

技术领域

本发明涉及一种大规模运动数据采集系统，尤其是针对大规模人群的体力活动采集系统，特别涉及一种利用ZigBee无线通讯技术实现的大规模运动健康数据的采集系统及采集方法。

背景技术

大量科学研究证明，每个人的健康状况与其个人的体力活动直接相关，科学有效的体力运动可以提高平衡力，反应和协调能力，经常参加运动，能增强人的体质，而健全的精神来源于健康的身体。

体力运动可以促进青少年的身体、智力和心理等方面的发育与成长，科学的运动也可以预防、改善和治疗青少年的慢性疾病，青少年的健康状况与他们的体力活动直接相关，

目前，国内外已有部分科研院所进行了基于多种传感器检测技术的人体活动监测平台的研究。但是由于技术条件的限制，大部分针对体力活动的监测平台还处于实验室研究状态。市场上存在的面向个人用户的运动检测装置如计步器，采用加速度传感器的人体姿态捕捉功能，利用简单的计算方法实现人体运动的步数监测等。但是这些产品反映的人体运动参数比较单一，无法通过单一的运动参数判断用户的身体健康状态。此外，市场上现存的人体运动采集装置不能满足校园人群或者大规模企业人群的特点，难以实现针对大规模人群运动健康数据的统一采集和管理。

现有技术中，针对大规模人群例如校园青少年运动健康数据采集的需求，目前市场中的相关产品和技术主要存在如下不足：1）缺乏应用对象为大规模人群例如青少年学生人群的运动监测装置；2）运动采集终端的采集参数单一；3）运动采集终端的姿势识别单一；4）运动采集终端无法长时间持续监测和记录用户的运动状态；5）无法满足运动数据的自动上传；6）缺乏大规模运动数据被同时采集的功能。因此，迫切的需要一种设备和方法来解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种大规模运动数据采集系统及采集方法，本发明采用三维加速度传感器检测青少年的多种运动姿态，利用不同运动模式计算相应体力活动的频率，幅度，时间以及姿态数目等参数，量化测量人体日常体力活动状况，并利用ZigBee无线传输技术，结合大规模数据自动接收算法，实现自动化、规模化数据采集。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种大规模运动数据采集系统，其特征在于，所述采集系统包括体力活动监测终端，数据采集与监测系统以及数据处理服务器，所述体力活动监测终端通过ZigBee无线网络与数据采集与监测系统相连；数据采集与监测系统通过有线网络与数据处理服务器相连。

作为本发明的一种改进，所述体力活动监测终端包括CPU中央处理模块，三维加速度传感器模块，光照采集模块，无线通信模块，数据保存模块，电源模块，运动量显示模块，电源检测与提示模块，上述各个模块将采集的信息汇总到CPU中央处理模块。

作为本发明的一种改进，所述CPU中央处理模块包括微处理器，姿态计算模块，光照计算模块，无线唤醒模块，运动量计算模块以及电源电量计算模块。

作为本发明的一种改进，所述数据采集与监测系统包括CPU中央处理模块，ZigBee通信模块，电源模块，天线，数据存储模块和数据上传模块，上述各个模块将采集的信息汇总到CPU中央处理模块。

作为本发明的一种改进，所述三维加速度传感器模块由一个能够实时检测和输出三维方向加速度的传感器原件及其周围电路元件组成，三维加速度传感器模块实时捕获运动加速度，通过CPU中央处理模块内部的姿态计算模块分析当前的运动姿态，并将运动的时间和姿态信息保存到数据保存模块中。三维加速度传感器模块探测学生在行走、跑跳等各种运动中不同角度和方向下的加速度值，实时输出人体运动过程中的三维空间的加速度数值。三维加速度传感器模块与CPU中央处理模块的IO接口相连，被测学生在任意时刻的运动加速度数值实时地传送给CPU中央处理模块，利用CPU中央处理模块内部的运动姿态分析算法，解析运动过程，同步保存学生的运动形式，频率，时间，运动步数和幅度等参数。

作为本发明的一种改进，所述光照采集模块集成了光照传感器，利用CPU中央处理模块的IO口实时监测是否在阳光环境中，并将监测结果以数字量方式传送到CPU中央处理模块110，利用CPU中央处理模块的光照强度算法计算光照强度并保存持续时间。

作为本发明的一种改进，运动量显示模块170集成了5个LED灯，利用CPU中央处理模块的IO口控制LED灯的点亮个数。

作为本发明的一种改进，电源检测与提示模块集成了可充电锂电池与电源电量指示灯，电源电量指示LED灯与CPU中央处理模块的IO口相连，LED灯会在监测终端大于5秒静止状态之后的相对运动时，通过颜色的变化提示电源电量状态。

作为本发明的一种改进，所述的无线通信模块采用无线唤醒机制，在ZigBee无线网络中，实现全自动数据上传。无线通信模块基于ZigBee无线传输技术，集成了ZigBee模块，与CPU中央处理模块相连，当体力活动监测终端处在ZigBee无线网络中，利用CPU中央处理模块通过ZigBee自动传输保存的运动数据。

作为本发明的一种改进，人群数据采集与监测系统包括CPU中央处理模块，ZigBee通信模块，电源模块，天线，数据存储模块和数据上传模块。

作为本发明的一种改进，ZigBee通信模块与CPU中央处理模块相连，与多个体力活动监测终端组成ZigBee网络，利用CPU中央处理模块中的防碰撞算法实现大规模体力活动监测终端数据的自动读取，并将批量数据保存到CPU中央处理模块中。

作为本发明的一种改进，数据上传模块通过CPU中央处理模块命令，通过有线的网络连接将人群数据采集与监测系统采集到的批量数据传送给数据处理服务器，实现数据上传。

作为本发明的一种改进，通过将设置有上述采集系统的载体设置在人体身上，进行运动数据的采集。

作为本发明的一种改进，所述载体为胸牌或者手环或者徽章。

相对于现有技术，本发明的优点如下，多参数输出的体力活动监测终端，避免了单一参数的采集，为大规模人群，例如青少年学生的运动健康数据分析提供了数据支持；体力活动监测终端集成了多种运动模式的测量算法，能够识别学生的不同运动状态；基于动静态结合的电源检测与提示模块，实现了设备的低功耗；实现了对随机离散终端的透明化无用户干涉的自动数据接收；实现了体力活动监测终端与人群数据采集与监测系统的相对非静止的数据接收；完成大规模、短时间内的批量数据采集，增加了ZigBee网络的数据传输量。

 

附图说明

图1针对大规模人群的体力活动测量系统示意图；

图2体力活动监测终端结构框图；

图3人群数据采集与监测系统结构框图；

图4体力活动监测终端姿态计算算法流程图；

图5无线唤醒机制图。

 

实施方式

  为了加深对本发明的理解，下面结合附图1-5对本发明做详细的说明。

实施例1：

采用徽章式载体对青少年学生运动健康数据进行采集。

如图1所示，整个大规模人群的体力活动测量系统包括徽章式体力活动监测终端100，人群数据采集与监测系统200以及数据处理服务器300。针对大规模人群采用多个体力活动监测终端100，组成大规模体力活动监测终端600。

多个徽章式体力活动监测终端100组成了大规模活动监测终端600；徽章式体力活动监测终端100通过ZigBee无线网络400与人群数据采集与监测系统200相连；人群数据采集与监测系统200通过有线网络连接500与数据处理服务器300相连。徽章式体力活动监测终端100采集到的运动健康数据，通过ZigBee无线网络400传输给人群数据采集与监测系统200，利用有线网络连接500将保存在人群数据采集与监测系统200中的大量不同运动健康数据上传给数据处理服务器300，利用上位机观察和分析数据。

如图2所示，徽章式体力活动监测终端100包括CPU中央处理模块110，三维加速度传感器模块120，光照采集模块130，无线通信模块140，数据保存模块150，电源模块160，运动量显示模块170，电源检测与提示模块180。其中，CPU中央处理模块110包括微处理器111，姿态计算模块112，光照计算模块113，无线唤醒模块114，运动量计算模块115以及电源电量计算模块116。

为完成运动信息的监测，三维加速度传感器模块120是由一个能够实时检测和输出三维方向加速度的传感器原件及周围电路组成。当三维加速度传感器模块120实时捕获学生的运动加速度时，通过CPU中央处理模块110内部的姿态计算模块112分析当前的运动姿态，并将运动的时间和姿态信息保存到数据保存模块150中。

在加速度传感器数据提取完成后，需要判定学生的运动和姿态形式。徽章式体力活动监测终端100利用三维加速度传感器模块120，每隔25毫秒读取一次加速度测量值，并进行如图4所示的计算处理：首先通过低通数字滤波器，去除加速度数据中稳定不变的直流分量，以及变化缓慢即频率小于0.1赫兹的部分。再通过高通滤波器，去除数据中高频分量即大于12.5Hz。然后，分析比较X，Z，Y三个空间轴的数据变化的峰峰值。获取最大值Max，和最小值Min，找出三个轴中峰峰值最大的一个轴，作为主要目标轴，根据目标轴的数据变化特征，判断是否满足运动步伐的条件。最后，再判断运动部分在时间域上是否满足条件：步频应该在人的正常步频范围即0.5Hz~5Hz，且有效步伐持续10次以上。满足上述条件时认为检测出有效的运动步伐，进而方便的判断运动形式和记录时间段内的步数累积。

为了使运动监测的数据透明化，徽章式体力活动监测终端100加入了运动量显示模块170。所述运动量显示模块170是由5个LED灯组成，通过CPU中央处理模块110内部的运动量计算模块115衡量存储的运动信息和数据是否达到预定额度，以及相应的比例值，将该比例值反映到LED等的点亮个数上，从而让当前运动量的积累值透明化。

除了学生的运动信息，还需要包含对学生光照时间信息的提取。光照采集模块130由一个能够捕捉当前环境的照度即单位面积上的光通量的光照传感器组成，通过CPU中央处理模块110内部的光照计算模块113根据不同环境下的照度值设定阈值，筛选和识别当前条件下的光照环境，并将得出的光照环境信息保存至数据保存模块150中。

徽章式体力活动监测终端100作为移动便携式终端设备，需要定时补给电源能量，所以电源检测与提示模块180利用红色LED灯显示当前的电源电量。通过CPU中央处理模块110内部的电源电量计算模块捕获当前的终端电源剩余电量，当剩余电量小于设定阈值时，利用驱动电源检测与提示模块180内的LED灯快速闪烁，告诉用户电量不足的状态。在充电过程中，设定了电源检测与提示模块180内的LED灯以慢速闪烁作为充电过程提示，以常亮作为充电已满状态。

为了完成徽章式体力活动监测终端100利用ZigBee无线网络400与人群数据采集与监测系统200进行数据传输，徽章式体力活动监测终端100中包含了无线通信模块140，作为ZigBee网络节点，利用CPU中央处理模块110中的无线唤醒模块114，实现无线通信模块140与人群数据采集与监测系统200之间的网络连接，由于终端的电池供电能力有限，而无线通讯无论是接收还是发送都需要消耗大量电流。为节省电池能耗，在通讯过程中设计了4种状态：沉默态，休眠态，侦听态，通讯态。如图5所示，沉默态中，通讯功能即接收，发送完全关闭，无电源消耗，该状态中所有的通讯功能全部关闭，直到等待时间到，再转入休眠态中；休眠态中，终端休眠，定时唤醒并短时间监听采集器信号，如收到唤醒信号，转跳到侦听态，即通讯的接收功能定时短暂开启，其余时间关闭，少量电源消耗；侦听态中：连续侦听采集器的信号，等待采集器允许进行通讯，如果收到允许，转到通讯状态，如果没有成功通讯再转入休眠态，即该状态中通讯的接收持续开启，较大电源消耗；通讯态中：与采集器双向通讯，发出测量数据，接受下传数据，完成后转入沉默态，如果通讯非正常结束，转到休眠态，即通讯的接收、发送功能均持续开启，电源消耗达到最大。

单个徽章式体力活动监测终端100采用休眠态、沉默态、侦听态和通讯态四种状态之间的识别和转换，实现对无线通信模块140的控制和数据传输。在数据发送过程中，以分段数据发送和实时接收反馈的形式安全传输数据，避免数据的丢失。

如图3所示，人群数据采集与监测系统200由CPU中央处理模块210，ZigBee通信模块220，电源模块230，天线240，数据存储模块250和数据上传模块260组成。其中，CPU中央处理模块210包含微处理器211和大规模数据采集算法模块212。

ZigBee通信模块220集成了ZigBee网络的基站，负责采集在其区域内的所有ZigBee网络节点的信息。ZigBee通信模块220不断的发出唤醒信号，当学生佩戴徽章式体力活动监测终端100出现在ZigBee通信模块220的采集区域内时，徽章式体力活动监测终端100的无线通信模块140接收到此唤醒信号则触发通讯状态，与人群数据采集与监测系统200的ZigBee通信模块220进行数据通讯，将徽章式体力活动监测终端100中的数据存储模块150内的信息和数据传送给人群数据采集与监测系统200的数据存储模块250，从而完成信息的无线传输。

当多个徽章式体力活动监测终端100共同出现时，组成了大规模活动监测终端600。为了保证大规模活动监测终端600在同一时段内完成数据的接收，设计了CPU中央处理模块210内的大规模数据采集算法模块212。所述的大规模数据采集算法模块212采用大规模数据采集信道选择机制。不同的徽章式体力活动监测终端100出现在采集区域时，通过采用时隙机制进行防碰撞处理，保证每一个被唤醒的徽章式体力活动监测终端100利用争抢时隙的方式完成数据上传，从而实现大规模活动监测终端600的人群数据的短时间内安全上传。

由于ZigBee通信模块220采用了2.4GHZ的通信频段，所以，针对同一时段内的大规模活动监测终端600的数据采集，需保证唤醒信道与2.4GHZ的通信频段的较大频率间隔，避免唤醒信道和通讯频段的干扰，实现唤醒信号发送过程不影响其他徽章式体力活动监测终端100的数据与人群数据采集与监测系统200之间的通讯。

学生每天的运动数据通过人群数据采集与监测系统200自动提取后，可以长期的保存在数据存储模块250中。数据上传模块260将保存在数据存储模块250的大量学生的运动健康数据通过有线网络连接的形式传送给数据处理服务器300，为观测运动数据和分析学生的健康状态提供前提。

本发明在完善三维加速度传感器的使用上，实现学生体力活动健康数据的跟踪采集。在数据采集与监测系统200上，设计了大规模数据同时段采集的模块和算法，实现了数据的批量采集。设计的徽章式体力活动监测终端100便于携带，在校园内多处安装人群数据采集与监测系统200，即可完成全校学生活动健康数据的全自动准确提取。

实施例2：

  所述载体为手环或者胸牌，其他优点与实施例1完全相同。

需要说明的是，上述实施例仅是本发明的较佳实施例，并没有限定本发明的保护范围，在上述结构上所做的等同替换或者改变均落入本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (11)

1.一种大规模运动数据采集系统，其特征在于，所述采集系统包括体力活动监测终端（100），数据采集与监测系统（200）以及数据处理服务器（300），所述体力活动监测终端（100）通过ZigBee无线网络（400）与数据采集与监测系统（200）相连；数据采集与监测系统（200）通过有线网络（500）与数据处理服务器（300）相连。

2.根据权利要求1所述的运动数据采集系统，其特征在于，体力活动监测终端（100）包括CPU中央处理模块（110），三维加速度传感器模块（120），光照采集模块(130)，无线通信模块(140)，数据保存模块（150），电源模块（160），运动量显示模块（170），电源检测与提示模块（180），上述各个模块将采集的信息汇总到CPU中央处理模块（110）。

3.根据权利要求2所述的运动数据采集系统，其特征在于，所述CPU中央处理模块（110）包括微处理器（111），姿态计算模块（112），光照计算模块（113），无线唤醒模块（114），运动量计算模块（115）以及电源电量计算模块（116）。

4.根据权利要求1或2所述的运动数据采集系统，其特征在于，所述数据采集与监测系统（200）包括CPU中央处理模块（210），ZigBee通信模块（220），电源模块（230），天线（240），数据存储模块（250）和数据上传模块（260），上述各个模块将采集的信息汇总到CPU中央处理模块（210）。

5.根据权利要求3所述的运动数据采集系统，其特征在于，所述三维加速度传感器模块（120）由一个能够实时检测和输出三维方向加速度的传感器原件及其周围电路元件组成，三维加速度传感器模块（120）实时捕获运动加速度，通过CPU中央处理模块（110）内部的姿态计算模块（112）分析当前的运动姿态，并将运动的时间和姿态信息保存到数据保存模块（150）中。

6.根据权利要求2或3所述的运动数据采集系统，其特征在于，所述光照采集模块（130）集成了光照传感器，利用CPU中央处理模块（110）的IO口实时监测是否在阳光环境中，并将监测结果以数字量方式传送到CPU中央处理模块（110），利用CPU中央处理模块的光照强度算法计算光照强度并保存持续时间。

7.根据权利要求2或3所述的运动数据采集系统，其特征在于，运动量显示模块（170）集成了5个LED灯，利用CPU中央处理模块的IO口控制LED灯的点亮个数。

8.根据权利要求2或3所述的运动数据采集系统，其特征在于，电源检测与提示模块（180）集成了可充电锂电池与电源电量指示灯，电源电量指示LED灯与CPU中央处理模块（110）的IO口相连，LED灯通过颜色的变化提示电源电量状态。

9.根据权利要求1或2所述的运动数据采集系统，其特征在于，所述的无线通信模块（140）采用无线唤醒机制，在ZigBee无线网络中，实现全自动数据上传。

10.一种大规模运动数据采集方法，其特征在于，通过将设置有如权利要求1所述采集系统的载体设置在人体身上，进行运动数据的采集。

11.根据权利要求10所述的运动数据采集方法，其特征在于，所述载体为徽章或者手环或者胸牌。

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