CN103417201B - 一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统及其实现方法。该系统包括多个微型传感器节点、微型基站和PC机；所述微型传感器节点通过无线通信方式与微型基站连接，微型基站通过USB接口与PC机连接。本发明采用多传感器融合，提高了判断人体姿态的准确性，采集的信息更为全面；并通过在胸部的微型传感器节点中加入温度计和心率计，在采集姿态的同时还能够反映人体的体温和心率，使人们能够及时了解身体运动的情况，便于制定更为详细具体的训练计划，实现体育锻炼科学化管理。微型传感器节点体积小，携带方便；微型传感器节点和微型基站采用无线方式通信，具有高速、稳定和准确的优点。

Description

一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统及其实现方法

【技术领域】

本发明属于康复医学防护技术领域，特别涉及一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统及其实现方法。

【背景技术】

随着我国科技水平的提高，许多高新技术被广泛地应用到体育训练和体育比赛中，越来越多的人关注人类运动的极限。我国很早就开始重视高科技在体育运动中的应用。随着世界科技向高新领域迈进和体育运动水平迅猛的发展，高科技与体育的结合更是日趋紧密，现在体育与科技更是密不可分，“科技兴体”已成为一种趋势。另外，蹦床、跳水和游泳等项目对运动细节有很高的要求，过去训练一般都是依靠经验和口头传授，运动员凭感觉去领会教练的意思，常常是训练了很久，也没有掌握技术要领，这样不仅仅造成大量时间和体力的浪费，效率非常低下，并且过多的训练也损伤了运动员的身体。因此，越来越多的人希望找到一种能够反映出运动姿态和体能的设备，以便运动员能够直接观察出自己运动姿态的错误，也可以根据运动员运动时的体能状况，制定出更科学高效的训练计划，尽量避免过量运动造成的身体损伤。

随着全民健身意识的提高，越来越多的人积极加入健身行列。一些专业的人体姿态追踪设备由于实现较为困难或者比较昂贵，只有在专业的体育场馆才有，这可能会降低一部分人的运动兴趣。因此开发出一种可以携带方便、使用方便、能够实时追踪人体运动姿态、检测人体体温心率的设备，可以在一定程度上促进全民健身运动的发展。

目前，一般是通过光学追踪技术或惯性传感组件的追踪技术实现监视和跟踪目标而完成运动追踪的任务。光学追踪技术是通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动追踪的任务，当摄像机以足够高的速率连续拍摄时，即可以确定这一时刻该点的运动轨迹；其精度高，但是实现较为困难，容易被遮挡和追踪的范围较小，且不能实时了解运动过程中运动员的心率等身体状况。惯性传感组件的追踪技术是在运动员身体上布置一些微小的传感器节点，实时采集运动姿态，由于实现简单，抗干扰性强，可以广泛应用于精度要求不高的情况。

专利200810062936.1公开了一种运动量化腕表及运动计量分析方法，其采用加速度传感器、温度传感器和心率传感器，能够根据使用者自身的身体条件、由数据处理器根据人体健康量化指标为使用者制定出健康运动的运动量化腕表和运动计量分析方法。专利申请201110102571.2公开了一种基于动作识别的地体育教学辅助系统，其运动数据采集模块包括特定波长点光源、不少于两个摄像头、一微惯性测量单元和一惯性参数提取单元，采用惯性追踪和光学追踪两种方式综合反应目标的运功情况，测量全面准确，但不适合于随身携带。

在以往的运动数据采集中，惯性传感器只用了加速度传感器，然后用加速度传感器来求倾角，这样造成求得的倾角误差较大，并不能准确的反映出人体的运动姿态，另外，传感器大多都只穿戴在人体的某一部位，采集到的是某一部位的信息，不能反映出人体其他部分的运动姿态。人体在运动中的体温心率等，大部分是采用运动后测量的方式，这样效率低下，不能实时了解运动员的身体状态。从前端传感器数据的采集到后端微控制器的数据的运算处理分析，承载方式大多数都采用有线方式，该方式下，可以方便利用目前高速串行或者并行总线协议，但是因为惯性测量装置是依附在人体部位上的，在装置上布置大量的导线或电缆，安装、拆卸都比较复杂，灵活性差，而且影响人体的正常运动，所以这种有线的方式是不可用的。

对于采集到的信息进行处理，大部分还是依赖于后期将存储介质的数据导入Matlab离线分析，该技术方案不会轻易丢失数据，但是体现不出实时性。不利于现场数据的分析，灵活性比较差。

【发明内容】

本发明的首要目的在于克服现有技术的不足，提供一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统。

本发明的另一目的在于提供一种基于采集人体姿态的体育运动辅助训练系统的实现方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统，包括多个设置于人体上的微型传感器节点、微型基站和PC机；所述微型传感器节点通过无线通信方式与微型基站连接，微型基站通过USB接口与PC机连接；

优选的，所述微型传感器节点分别设置于人体的头部、胸部、胳膊和腿；

所述微型传感器节点上分别设置有电源、电源管理模块、微型传感器、开关及LED指示灯、微处理器A和无线收发模块，所述电源、电源管理模块、微型传感器、微处理器A和无线收发模块依次连接，微处理器A分别与电源管理模块、开关及LED指示灯连接，电源管理模块与无线收发模块连接。

所述电源优选为锂电池。

所述微型传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；所述三轴加速度计和三轴陀螺仪集成于一惯性传感芯片上，三轴磁力计通过I²C总线与惯性传感芯片连接；惯性传感芯片通过SPI总线与微处理器A相连接。

优选的，设置于人体胸部的微型传感器节点上的微型传感器还设置有相互独立的温度计和心率计，温度计通过SPI总线与所述微处理器A连接，心率计通过A/D转换后与所述微处理器A连接。

所述三轴加速度计的主要作用是采集人体相应部位的三个轴向的加速度信息，三轴陀螺仪的主要作用是采集人体角速度信息，温度计的主要作用是采集人体的体温，心率计的主要作用是采集人体心率；采用三轴陀螺仪、三轴磁力计和三轴加速度计的滤波融合九轴算法来求出人体倾角信息。

所述滤波融合九轴算法是针对三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计数据融合的九轴人体姿态解算算法，选用的是卡尔曼滤波算法，把采集到的加速度数据，磁强度数据和角速度数据经过卡尔曼滤波器解算出人体的姿态角（欧拉角），解决了单独采用陀螺仪时漂移和单独采用加速度计和磁力计时容易受干扰的问题。

所述微处理器A优选为微处理器芯片msp430；微处理器芯片msp430具有高性能、低功耗的特点，可以快速处理数据、运行复杂的算法，使对人体姿态的判断更加准确，而且充电一次可以使用较长时间，给用户带来方便。

所述无线收发模块包括ISM频段单片射频收发芯片和设置于微型传感器节点外壳内壁上的高频薄片高增益RF微型天线；所述的ISM频段单片射频收发芯片内设置有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器；所述微处理器A通过IPEX天线座与高频薄片高增益RF微型天线连接；

所述ISM频段单片射频收发芯片优选在433MHz条件下工作。

所述电源采用体积小、质量轻的可充电锂电池。为了保证充电的可靠性，使用了电池充电管理芯片及其辅助电路，可以USB电压充电，确保用户充电方便；同时，系统中还加入了稳压电路，可为微处理器和传感器提供高质量的稳压电源，减少了电源对系统的干扰，提高系统的可靠性。

所述开关及LED指示灯中，其开关的主要功能是传感器节点的开关机功能。LED指示灯主要显示电源状态、开关机状态和系统运行状态，不同的状态指示灯采取不同的颜色表示，如电源正常，指示灯绿色，电源不正常，指示红灯色，系统运行状态正常，指示灯绿色，系统运行不正常，指示灯红色。

所述无线收发模块是整个微型传感器节点设计的核心的环节之一，实现了传感器节点与微型基站之间数据的通信。我们采用工作于433MHz的ISM频段单片射频收发芯片，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。采用高频薄片高增益RF微型天线，大幅度提升了整个系统的数据传输采样率。通信距离、通信稳定性和可靠性也非常显著，薄片内置微型天线也使得整个微型节点结构非常的紧凑和小巧美观。

所述微型基站包括依次连接的无线收发模块B、微处理器B、USB转串口模块和稳压芯片供电模块，所述微处理器B与稳压芯片供电模块连接；USB转串口模块通过USB接口与所述PC机连接；PC机可以通过USB接口经稳压芯片处理后对微型基站进行供电，保证各芯片在稳定的状态工作。

所述无线收发模块B包括ISM频段单片射频收发芯片和棒状的外置天线；所述的ISM频段单片射频收发芯片内设置有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器；所述微处理器B与棒状的外置天线连接；

所述微处理器B优选为微处理器芯片msp430。

优选的，所述无线收发模块B上还设置有两个贴片LED指示灯；当有数据接收或者发送的时候，对应的LED指示灯就变亮，否则一直灭，灯的亮和灭以及闪烁的频率可以直观的反应出数据的发送、接收和数据传输速率如何、传输是否稳定可靠等信息。

所述PC机上设置有上位机处理监控模块；

所述上位机处理监控模块通过异步串行通信协议与所述微型基站进行数据交换；

所述上位机处理监控模块通过动态链接库来实现串口通信。

一种基于采集人体姿态的体育运动辅助训练系统的实现方法，包括如下步骤：

（1）通过微型传感器节点采集人体各部位的运动和姿态信息，存储为二进制形式文件并对其进行打包成数据包，然后无线发送至微型基站；

（2）微型基站将收发的数据包中转至PC机上；

（3）PC机通过通信协议对接收到的数据包进行判别处理。

所述步骤（1）包括如下步骤：

（11）微型传感器节点上电后，首先进行内部模块的初始化工作，包括微控制器、惯性传感器组件、三轴磁力计、体温和心率传感器、射频模块的端口及地址、传输总线和读写速率的初始化；

（12）开启微控制器的总中断、将射频模块的工作状态设为接收模式，然后微控制器进入低功耗模式（允许中断发生）；

（13）接受来自微型基站的地址匹配信息，如果不匹配，那么微型传感器节点将再次进入低功耗模式；

（14）当接收到的地址信息与配置的nrf905射频模块地址相一致，则微控制器通过总线协议与惯性传感器组件建立通信，采集三轴加速度、三轴角速度、三轴磁力计和体温、心率传感器的原始数据，然后按照内部协议将其打包成标准的数据包；

（15）调用射频模块底层驱动函数-发送函数将数据包无线发送到微型基站；

（16）判断“结束采集标志”是否为1，如果没有，则重复（14-16）的步骤；如果“结束采集标志”为1，微型传感器节点结束采集，重新进入低功耗模式；

假如PC机发送参数配置命令，微型基站将立即将参数配置命令通过高频载波发送到微型传感器节点；微型传感器节点的射频模块侦听到载波信号后，触发微控制器的外部中断，并进入到外部中断服务函数里面；在外部中断服务函数里面调用射频模块的底层驱动函数-接收函数接收参数配置命令，根据内部协议解释相应的命令并进行相应的配置，比如量程更换、控制采样率变高（低）；经过解释的命令如果为“结束采集命令”这一特殊命令，那么将“结束采集标志”置为1，否则“结束采集标志”置为0。

所述步骤（2）包括如下步骤：

（21）微型基站上电后，首先进行内部模块的初始化工作，包括微控制器射频模块的端口、传输总线和读写速率的初始化；

（22）等待接收上位机传过来的采集传感器信息指令；

（23）开启微控制器的总中断，发送地址信息与微型传感器节点的地址相匹配；

（24）将射频模块工作状态设为接受模式，接收到对应节点的应答信号，并准备接受微型传感节点的数据包；

（25）调用射频模块的底层驱动函数-接收函数接收数据包；

（26）通过串口把数据包发送到PC机上；

（27）当PC机发送参数配置命令，微型基站的微控制器串口中断触发；

（28）在串口中断服务函数里面调用射频模块的底层驱动函数-发送函数将命令发送到微型传感器节点；

（29）退出串口中断，重新进入发送模式，与其他微型传感器节点进行匹配。

所述步骤（3）包括如下步骤：

（31）接收微型传感器节点经微型基站传来的数据包；

（32）将步骤（31）的数据包经过滤波结算处理，得到以实时曲线方式显示的加速度、角速度、体温和心率曲线并存储于PC机上；

（33）将步骤（31）的数据包的加速度、角速度和磁场强度数据经滤波融合算法解算出人体的运动姿态，得到实时显示人体姿态的人体三维立体图并存储于PC机上。

本发明的发明机理如下：本发明提供了一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统。该系统通过在人体各个部位布置微型传感器节点，能够实时采集运动人体的各种运动参数和体温心率等，使人们能够及时了解身体的运动情况，便于人们制定更为详细具体的训练计划，实现体育锻炼科学化管理。该系统由微型传感器节点、微型基站、PC机组成。数据采集的微型传感器节点的原始传感器数据包括三轴加速度、三轴角速度、三轴磁力强度、温度和心率（体温心率只有胸部的微型传感器节点有）等基本参数，这些基本运动参数分别由微型传感器节点上的加速度计、陀螺仪、磁力计、温度计和心率计采集，然后通过节点的射频模块无线发送到微型基站，PC机通过对微型基站接收到的数据进行解算和融合，然后通过PC机的实时曲线和三维图形显示出来，并且能够及时存储和回放查看。该系统的微型传感器节点和微型基站采用无线方式通信，无线方式很好的发挥了有线方式高速、稳定、准确的优点，同时也克服了有线安装卸载麻烦、成本高的缺点。

微型传感器节点只负责采集基本运动参数的原始二进制补码数据再对其进行打包，然后无线发送，经微型基站中转传给PC机。数据包包含了帧头、数据体和校验码这三部分，PC机中程序的相关串口通信函数根据通信协议对连续接收的数据进行判别，当接收到一个完整数据包之后，就开始对包中的原始二进制补码数据合成为有符号10进制数，然后按次序放到各自对应的波形缓冲区。调用相关的GDI函数把波形缓冲区的数据分别绘制在对应的波形显示区域。

上位机监控界面是运行于PC机上的用来显示处理分析人体运动过程中的基本运动参数并给对微型基站进行参数配置的软件。监控界面由两大区域构成：一、实时波形显示区域及对应波形控制面板，通过用户选择，可以分别显示各个不同传感器节点的加速度曲线和角速度曲线，另外还会显示体温曲线和心率曲线。二、人体三维立体图显示，实时显示人体的运动姿态，还能够放大缩小便于仔细观察人体运动姿态的细节。监控界面采用异步串行通信协议与微型基站进行数据交换，本发明中并非采用微软操作系统自带的MSCOMM32控件，因为采用此控件对于串口的通信而已，需要进行许多必不可少的设置，比如发送缓冲区和接收缓冲区的大小、一次从接收缓冲区读取的字节数、读取数据的方式等等。而且还要进行复杂的数据转换，再者，有些参数需要动态的设置，对于编程显得不够灵活。我们采用动态链接库来实现串口通信，只需要调用类库的成员函数和就可以方便的对数据进行收发处理。应用动态链接库来实现串口通信能够简化程序的编写，特别的是能减小应用程序的代码空间提高内存的利用率。

为了减少微型节点和微型基站的CPU运算负荷提高数据采样率并充分发挥计算机强大的运算性能，微型节点只是负责采集基本运动参数的原始二进制补码数据再对其进行打包，然后无线发送，经微型基站中转传给监控界面。数据包包含了帧头、数据体和校验码这三部分，监控界面程序中的相关串口通信函数根据通信协议对连续接收的数据进行判别，当接收到一个完整数据包之后，就开始对包中的原始二进制补码数据合成为有符号10进制数，然后按次序放到各自对应的波形缓冲区。调用相关的GDI函数把波形缓冲区的数据分别绘制在对应的波形显示区域。

监控界面可以同时采集并通过波形显示多个基本运动参数（加速度，角速度，心率，体温），对于绘图而言，如此多的曲线，如果把所有的图像都绘制在屏幕上，那会产生严重的闪烁，本发明采用VC++双缓冲技术进行绘图。经测试，不但能够避免绘图的闪烁，而且提高了绘图的效率。

在每一块波形显示区域都有对应的控制面板，控制面板中有许多的控件，包括滑动条，滚动条，按钮，通过这些控件可以对波形进行水平和垂直放大缩小（刻度值也会自动调整）；可以任意左右整体平移波形；可以动态地对波形数据进行简单的统计，快速求出实时波形的峰值，最小值，平均值；可以通过鼠标滚轮精确测量所有通道的波形上面任意一点的数据；可以对三轴加速度（三轴角速度）进行矢量合成，并且通过波形显示合成加速度（合成角速度），还可以通过控件控制每一个波形显示区域的每一个轴波形的显示与关闭。

监控界面所有波形区域的波形采集都同步，可以通过垂直扫描线动态指示当前采样点，在监控界面软件中采用滤波算法对加速度、角速度和磁场的数据进行算法融合，通过人体三维立体图在PC机中的实时姿态变化，可以反应出微型基站对应的人体部分姿态变化。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明采用多传感器融合，提高了判断人体姿态的准确性；并通过在传感器中加入温度计和心率计，在采集姿态的同时还能够反映人体的体温和心率，使人们能够及时了解身体运动的情况，便于制定更为详细具体的训练计划，实现体育锻炼科学化管理。

（2）本发明的微型传感器节点体积小，携带方便，不受地理位置影响，和一台装有监控界面软件的电脑配合就可以使用；微型传感器节点和微型基站采用无线方式通信，无线方式很好的发挥了有线方式高速、稳定、准确的优点，同时也克服了有线安装卸载麻烦、成本高的缺点。

（3）本发明采用多个微型传感器节点，能够反映出人体各个部分的运动姿态，采集的信息更为全面。

【附图说明】

图1是各微型传感器节点在人体的分布图；

图2是本发明的采集人体姿态的体育运动辅助训练系统框图；

图3是微型传感器节点的结构框图；

图4是微型基站的结构框图；

图5是微型传感器节点的工作流程图；

图6是微型基站的工作流程图；

图7是PC机的数据处理流程图。

图8是姿态角解算算法的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

如图2所示，本发明的采集人体姿态的体育运动辅助训练系统，包括十个设置于人体上的微型传感器节点、微型基站和PC机；所述微型传感器节点通过无线通信方式与微型基站连接，微型基站通过USB接口与PC机连接；

如图1所示，所述微型传感器节点分别设置于人体的头部、胸部、胳膊和腿；

如图3所示，所述微型传感器节点上分别设置有电源、电源管理模块、微型传感器、开关及LED指示灯、微处理器A和无线收发模块，所述电源、电源管理模块、微型传感器、微处理器A和无线收发模块依次连接，微处理器A分别与电源管理模块、开关及LED指示灯连接，电源管理模块与无线收发模块连接。

所述电源为锂电池。

所述微型传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计（MAG3110）；所述三轴加速度计和三轴陀螺仪集成于一惯性传感芯片（MPU6000）上，三轴磁力计通过I²C总线与惯性传感芯片连接；惯性传感芯片通过SPI总线与微处理器A相连接。

设置于人体胸部的微型传感器节点2上的微型传感器还设置有相互独立的温度计和心率计，温度计通过SPI总线与所述微处理器A连接，心率计通过A/D转换后与所述微处理器A连接。

所述三轴加速度计的主要作用是采集人体相应部位的三个轴向的加速度信息，三轴陀螺仪的主要作用是采集人体角速度信息，温度计的主要作用是采集人体的体温，心率计的主要作用是采集人体心率；采用三轴陀螺仪、三轴磁力计和三轴陀螺仪滤波融合九轴算法来求出人体倾角信息。

所述滤波融合九轴算法是针对三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计数据融合的九轴人体姿态解算算法，选用的是卡尔曼滤波算法，把采集到的加速度数据，磁强度数据和角速度数据经过卡尔曼滤波器解算出人体的姿态角（欧拉角），解决了单独采用陀螺仪时漂移和单独采用加速度计和磁力计时容易受干扰的问题。其具体算法过程如图8所示。

所述微处理器A为微处理器芯片msp430；

所述无线收发模块包括ISM频段单片射频收发芯片和设置于微型传感器节点外壳内壁上的高频薄片高增益RF微型天线；所述的ISM频段单片射频收发芯片内设置有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器；所述微处理器A通过IPEX天线座与高频薄片高增益RF微型天线连接；

所述ISM频段单片射频收发芯片在433MHz条件下工作。

所述电源采用体积小、质量轻的可充电锂电池。为了保证充电的可靠性，使用了电池充电管理芯片及其辅助电路，可以USB电压充电，确保用户充电方便；同时，系统中还加入了稳压电路，可为微处理器和传感器提供高质量的稳压电源，减少了电源对系统的干扰，提高系统的可靠性。

所述开关及LED指示灯中，其开关的主要功能是传感器节点的开关机功能。LED指示灯主要显示电源状态、开关机状态和系统运行状态，不同的状态指示灯采取不同的颜色表示，如电源正常，指示灯绿色，电源不正常，指示红灯色，系统运行状态正常，指示灯绿色，系统运行不正常，指示灯红色。

所述无线收发模块是整个微型传感器节点设计的核心的环节之一，实现了传感器节点与微型基站之间数据的通信。我们采用工作于433MHz的ISM频段单片射频收发芯片，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。采用高频薄片高增益RF微型天线，大幅度提升了整个系统的数据传输采样率。通信距离、通信稳定性和可靠性也非常显著，薄片内置微型天线也使得整个微型节点结构非常的紧凑和小巧美观。

如图4所示，所述微型基站包括依次连接的无线收发模块B、微处理器B、USB转串口模块和稳压芯片供电模块，所述微处理器B与稳压芯片供电模块连接；USB转串口模块通过USB接口与所述PC机连接。PC机可以通过USB接口对微型基站进行供电，并通过稳压芯片供电模块保证各芯片在稳定的状态工作。

所述无线收发模块B包括ISM频段单片射频收发芯片和棒状的外置天线；所述的ISM频段单片射频收发芯片内设置有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器；所述微处理器B与棒状的外置天线连接；

所述ISM频段单片射频收发芯片在433MHz条件下工作。

所述微处理器B为微处理器芯片msp430。

所述无线收发模块B上还设置有两个贴片LED指示灯；当有数据接收或者发送的时候，对应的LED指示灯就变亮，否则一直灭，灯的亮和灭以及闪烁的频率可以直观的反应出数据的发送、接收和数据传输速率如何、传输是否稳定可靠等信息。

所述PC机上设置有上位机处理监控模块；

所述上位机处理监控模块通过异步串行通信协议与所述微型基站进行数据交换；

所述上位机处理监控模块通过动态链接库来实现串口通信。

本发明基于采集人体姿态的体育运动辅助训练系统的实现方法，包括如下步骤：

（1）通过微型传感器节点采集人体各部位的运动和姿态信息，存储为二进制形式文件并对其进行打包成数据包，然后无线发送至微型基站；

（2）微型基站将收发的数据包中转至PC机上；

（3）PC机通过通信协议对接收到的数据包进行判别处理。

如图5所示，所述步骤（1）包括如下步骤：

（11）微型传感器节点上电后，首先进行内部模块的初始化工作，包括微控制器、惯性传感器组件、三轴磁力计、体温和心率传感器、射频模块的端口及地址、传输总线和读写速率的初始化；

（12）开启微控制器的总中断、将射频模块的工作状态设为接收模式，然后微控制器进入低功耗模式（允许中断发生）；

（13）接受来自微型基站的地址匹配信息，如果不匹配，那么微型传感器节点将再次进入低功耗模式；

（14）当接收到的地址信息与配置的nrf905射频模块地址相一致，则微控制器通过总线协议与惯性传感器组件建立通信，采集三轴加速度、三轴角速度、三轴磁力计和体温、心率传感器的原始数据，然后按照内部协议将其打包成标准的数据包；

（15）调用射频模块底层驱动函数-发送函数将数据包无线发送到微型基站；

（16）判断“结束采集标志”是否为1，如果没有，则重复（14-16）的步骤；如果“结束采集标志”为1，微型传感器节点结束采集，重新进入低功耗模式；

假如PC机发送参数配置命令，微型基站将立即将参数配置命令通过高频载波发送到微型传感器节点；微型传感器节点的射频模块侦听到载波信号后，触发微控制器的外部中断，并进入到外部中断服务函数里面；在外部中断服务函数里面调用射频模块的底层驱动函数-接收函数接收参数配置命令，根据内部协议解释相应的命令并进行相应的配置，比如量程更换、控制采样率变高（低）；经过解释的命令如果为“结束采集命令”这一特殊命令，那么将“结束采集标志”置为1，否则“结束采集标志”置为0。

如图6所示，所述步骤（2）包括如下步骤：

（21）微型基站上电后，首先进行内部模块的初始化工作，包括微控制器射频模块的端口、传输总线和读写速率的初始化；

（22）等待接收上位机传过来的采集传感器信息指令；

（23）开启微控制器的总中断，发送地址信息与微型传感器节点的地址相匹配；

（24）将射频模块工作状态设为接受模式，接收到对应节点的应答信号，并准备接受微型传感节点的数据包；

（25）调用射频模块的底层驱动函数-接收函数接收数据包；

（26）通过串口把数据包发送到PC机上；

（27）当PC机发送参数配置命令，微型基站的微控制器串口中断触发；

（28）在串口中断服务函数里面调用射频模块的底层驱动函数-发送函数将命令发送到微型传感器节点；

（29）退出串口中断，重新进入发送模式，与其他微型传感器节点进行匹配。

如图7所示，所述步骤（3）包括如下步骤：

（31）接收微型传感器节点经微型基站传来的数据包；

（32）将步骤（31）的数据包经过滤波结算处理，得到以实时曲线方式显示的加速度、角速度、体温和心率曲线并存储于PC机上；

（33）将步骤（31）的数据包的加速度、角速度和磁场强度数据经滤波融合算法解算出人体的运动姿态，得到实时显示人体姿态的人体三维立体图并存储于PC机上。

本发明提供了一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统。该系统通过在人体各个部位布置微型传感器节点，能够实时采集运动人体的各种运动参数和体温心率等，使人们能够及时了解身体的运动情况，便于人们制定更为详细具体的训练计划，实现体育锻炼科学化管理。该系统由微型传感器节点、微型基站、PC机组成。数据采集的微型传感器节点的原始传感器数据包括三轴加速度、三轴角速度、三轴磁力强度、温度和心率（体温心率只有胸部的微型传感器节点有）等基本参数，这些基本运动参数分别由微型传感器节点上的加速度计、陀螺仪、磁力计、温度计和心率计采集，然后通过节点的射频模块无线发送到微型基站，PC机通过对微型基站接收到的数据进行解算和融合，然后通过PC机的实时曲线和三维图形显示出来，并且能够及时存储和回放查看。该系统的微型传感器节点和微型基站采用无线方式通信，无线方式很好的发挥了有线方式高速、稳定、准确的优点，同时也克服了有线安装卸载麻烦、成本高的缺点。

微型传感器节点只负责采集基本运动参数的原始二进制补码数据再对其进行打包，然后无线发送，经微型基站中转传给PC机。数据包包含了帧头、数据体和校验码这三部分，PC机中程序的相关串口通信函数根据通信协议对连续接收的数据进行判别，当接收到一个完整数据包之后，就开始对包中的原始二进制补码数据合成为有符号10进制数，然后按次序放到各自对应的波形缓冲区。调用相关的GDI函数把波形缓冲区的数据分别绘制在对应的波形显示区域。

上位机监控界面是运行于PC机上的用来显示处理分析人体运动过程中的基本运动参数并给对微型基站进行参数配置的软件。监控界面由两大区域构成：一、实时波形显示区域及对应波形控制面板，通过用户选择，可以分别显示各个不同传感器节点的加速度曲线和角速度曲线，另外还会显示体温曲线和心率曲线。二、人体三维立体图显示，实时显示人体的运动姿态，还能够放大缩小便于仔细观察人体运动姿态的细节。监控界面采用异步串行通信协议与微型基站进行数据交换，本发明中并非采用微软操作系统自带的MSCOMM32控件，因为采用此控件对于串口的通信而已，需要进行许多必不可少的设置，比如发送缓冲区和接收缓冲区的大小、一次从接收缓冲区读取的字节数、读取数据的方式等等。而且还要进行复杂的数据转换，再者，有些参数需要动态的设置，对于编程显得不够灵活。我们采用动态链接库来实现串口通信，只需要调用类库的成员函数和就可以方便的对数据进行收发处理。应用动态链接库来实现串口通信能够简化程序的编写，特别的是能减小应用程序的代码空间提高内存的利用率。

为了减少微型节点和微型基站的CPU运算负荷提高数据采样率并充分发挥计算机强大的运算性能，微型节点只是负责采集基本运动参数的原始二进制补码数据再对其进行打包，然后无线发送，经微型基站中转传给监控界面。数据包包含了帧头、数据体和校验码这三部分，监控界面程序中的相关串口通信函数根据通信协议对连续接收的数据进行判别，当接收到一个完整数据包之后，就开始对包中的原始二进制补码数据合成为有符号10进制数，然后按次序放到各自对应的波形缓冲区。调用相关的GDI函数把波形缓冲区的数据分别绘制在对应的波形显示区域。

监控界面可以同时采集并通过波形显示多个基本运动参数（加速度，角速度，心率，体温），对于绘图而言，如此多的曲线，如果把所有的图像都绘制在屏幕上，那会产生严重的闪烁，本发明采用VC++双缓冲技术进行绘图。经测试，不但能够避免绘图的闪烁，而且提高了绘图的效率。

在每一块波形显示区域都有对应的控制面板，控制面板中有许多的控件，包括滑动条，滚动条，按钮，通过这些控件可以对波形进行水平和垂直放大缩小（刻度值也会自动调整）；可以任意左右整体平移波形；可以动态地对波形数据进行简单的统计，快速求出实时波形的峰值，最小值，平均值；可以通过鼠标滚轮精确测量所有通道的波形上面任意一点的数据；可以对三轴加速度（三轴角速度）进行矢量合成，并且通过波形显示合成加速度（合成角速度），还可以通过控件控制每一个波形显示区域的每一个轴波形的显示与关闭。

监控界面所有波形区域的波形采集都同步，可以通过垂直扫描线动态指示当前采样点，在监控界面软件中采用滤波算法对加速度、角速度和磁场的数据进行算法融合，通过人体三维立体图在PC机中的实时姿态变化，可以反应出微型基站对应的人体部分姿态变化。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种采集人体姿态的体育运动辅助训练系统，其特征在于，包括多个设置于人体上的微型传感器节点、微型基站和PC机；所述微型传感器节点通过无线通信方式与微型基站连接，微型基站通过USB接口与PC机连接；

所述微型传感器节点分别设置于人体的头部、胸部、胳膊和腿；

所述微型传感器节点上分别设置有电源、电源管理模块、微型传感器、开关及LED指示灯、微处理器A和无线收发模块，所述电源、电源管理模块、微型传感器、微处理器A和无线收发模块依次连接，微处理器A分别与电源管理模块、开关及LED指示灯连接，电源管理模块与无线收发模块连接；

所述电源为锂电池；所述微处理器A为微处理器芯片msp430；

所述微型传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；所述三轴加速度计和三轴陀螺仪集成于一惯性传感芯片上，三轴磁力计通过I²C总线与惯性传感芯片连接；惯性传感芯片通过SPI总线与微处理器A相连接；

所述无线收发模块包括工作于433MHz的ISM频段单片射频收发芯片和设置于微型传感器节点外壳内壁上的高频薄片高增益RF微型天线；所述的ISM频段单片射频收发芯片内设置有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器；所述微处理器A通过IPEX天线座与高频薄片高增益RF微型天线连接；

所述设置于人体胸部的微型传感器节点上的微型传感器还设置有相互独立的温度计和心率计，温度计通过SPI总线与所述微处理器A连接，心率计通过A/D转换后与所述微处理器A连接。

2.根据权利要求1所述的采集人体姿态的体育运动辅助训练系统，其特征在于，所述微型基站包括依次连接的无线收发模块B、微处理器B、USB转串口模块和稳压芯片供电模块，所述微处理器B与稳压芯片供电模块连接；USB转串口模块通过USB接口与所述PC机连接。

3.根据权利要求2所述的采集人体姿态的体育运动辅助训练系统，其特征在于，所述无线收发模块B包括ISM频段单片射频收发芯片和棒状的外置天线；所述的ISM频段单片射频收发芯片内设置有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器；所述微处理器B与棒状的外置天线连接；

所述微处理器B为微处理器芯片msp430；

所述无线收发模块B上还设置有两个贴片LED指示灯。

4.一种基于权利要求1～3任一项所述的采集人体姿态的体育运动辅助训练系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过微型传感器节点采集人体各部位的运动和姿态信息，存储为二进制形式文件并对其进行打包成数据包，然后无线发送至微型基站；

(2)微型基站将收发的数据包中转至PC机上；

(3)PC机通过通信协议对接收到的数据包进行判别处理；

所述步骤(1)包括如下步骤：

(11)微型传感器节点上电后，首先进行内部模块的初始化工作，包括微控制器、惯性传感器组件、三轴磁力计、体温和心率传感器、射频模块的端口及地址、传输总线和读写速率的初始化；

(12)开启微控制器的总中断、将射频模块的工作状态设为接收模式，然后微控制器进入低功耗模式；

(13)接受来自微型基站的地址匹配信息，如果不匹配，那么微型传感器节点将再次进入低功耗模式；

(14)当接收到的地址信息与配置的nrf905射频模块地址相一致，则微控制器通过总线协议与惯性传感器组件建立通信，采集三轴加速度、三轴角速度、三轴磁力计和体温、心率传感器的原始数据，然后按照内部协议将其打包成标准的数据包；

(15)调用射频模块底层驱动函数-发送函数将数据包无线发送到微型基站；

(16)判断“结束采集标志”是否为1，如果没有，则重复步骤(14)-(16)；如果“结束采集标志”为1，微型传感器节点结束采集，重新进入低功耗模式。

5.根据权利要求4所述的基于采集人体姿态的体育运动辅助训练系统的实现方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下步骤：

(21)微型基站上电后，首先进行内部模块的初始化工作，包括微控制器射频模块的端口、传输总线和读写速率的初始化；

(22)等待接收上位机传过来的采集传感器信息指令；

(23)开启微控制器的总中断，发送地址信息与微型传感器节点的地址相匹配；

(24)将射频模块工作状态设为接受模式，接收到对应节点的应答信号，并准备接受微型传感节点的数据包；

(25)调用射频模块的底层驱动函数-接收函数接收数据包；

(26)通过串口把数据包发送到PC机上；

(27)当PC机发送参数配置命令，微型基站的微控制器串口中断触发；

(28)在串口中断服务函数里面调用射频模块的底层驱动函数-发送函数将命令发送到微型传感器节点；

(29)退出串口中断，重新进入发送模式，与其他微型传感器节点进行匹配。

6.根据权利要求4所述的基于采集人体姿态的体育运动辅助训练系统的实现方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下步骤：

(31)接收微型传感器节点经微型基站传来的数据包；

(32)将步骤(31)的数据包经过滤波结算处理，得到以实时曲线方式显示的加速度、角速度、体温和心率曲线并存储于PC机上；

(33)将步骤(31)的数据包的加速度、角速度和磁场强度数据经滤波融合算法解算出人体的运动姿态，得到实时显示人体姿态的人体三维立体图并存储于PC机上。