CN105592535A - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于蓝牙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。

Description

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
技术领域
本发明涉及一种基于蓝牙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，属于动作采集技术领域。
背景技术
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1
BLE WIFI Zigbee
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 1Mbps 50Mbps 250kbps
峰值电流 ＜12mA ＞50mA 20-30mA
延迟 2.5ms 10ms 20ms
工作频段 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz
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。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明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；
本发明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。
本发明的技术方案为：
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。
本发明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。
本发明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。
根据本发明优选的，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。
根据本发明优选的，所述MCU的型号为STM32L152RBT6。
根据本发明优选的，所述N的取值范围为15—18。
根据本发明优选的，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储；
(2)通过所述数据采集模块的BLE模块将步骤(1)处理并短暂存储的每个关节处的动作信息发送至所述sink节点的BLE模块；
(3)所述sink节点的BLE模块将数据发送至Root节点的BLE模块。
两个BLE模块的之间数据的通信是通过蓝牙协议栈的GATT层实现的。GATT层分为GATT客户端和GATT服务器端，客户端读取数据，服务器端为客户端提供数据服务。数据的读写通过读取GATT服务的特征值，特征值可以自己定义，并且特定的特征值的数据长度最大为20个字节。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，所述将动作信息进行压缩四元数处理，具体是指：对每个关节点的动作信息的格式进行定义，该格式包括NodeIdentity、PacketIdentity、W、X、Y、Z，NodeIdentity表示每个关节处对应的节点编号，PacketIdentity为数据包的编号，表示已经读取该关节处的动作信息的次数，因为要不断地采集关节处的动作信息，所以每秒钟需要读取50-60次，这个数据包编号表示发送的第几次动作信息，作用是同步所有关节处的动作信息；W、X、Y、Z是指加速度计的数据、角速度计的数据和磁力计的数据压缩的四元数。格式如表2所示：
表2
节点编号的作用是用于标识该数据包属于采集对象哪个关节处的数据，数据包编号表示发送的第几次数据，作用是同步所有节点的数据，WXYZ为压缩的四元数，其可以还原人体动作信息，在网络中可以降低整个系统的网络负载。
本发明的有益效果为：
1、本发明数据传输方式采用无线的方式，能够很大程度上解决数据传输线对人体运动的限制和阻碍，增强演员或者游戏者的自由度，极大的提高用户体验。
2、本发明的核心技术采用蓝牙4.0BLE规范，能够最大程度地降低整个传输网络的系统功耗，并且蓝牙4.0具有自适应跳频技术，能够很好的处理空间中ISM2.4G频段其他信号的干扰，建立一种树状网络拓扑结构，可以提供稳定可靠的数据传输服务，并且这种树状网络拓扑结构随着sink节点的的级数和数量的增加，网络的拓扑大小和覆盖的范围将随之增加，网络的可拓展性非常强。
附图说明
图1为蓝牙星型网络拓扑结构图；
图1中，蓝牙星型网络拓扑结构是一个主设备与六个从设备通信，现有的蓝牙星型网络拓扑结构最多是一个主设备与七个从设备通信，但是，人体动作捕捉系统人体关节有15-18个，不能够满足要求。
图2为实施例1所述惯性动作捕捉系统的树状网络拓扑结构图；
图3为本发明所述数据采集模块的结构框图；
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例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，包括18个数据采集模块、3个sink节点及1个Root节点，所述18个数据采集模块分成3组，每一组的所有数据采集模块分别无线连接1个sink节点，3个sink节点分别无线连接1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18个数据采集模块分别设置在人体的18个关节处，上肢一组，下肢一组，躯干一组；
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。
本发明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。
本发明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。
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。
所述MCU的型号为STM32L152RBT6。
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。
实施例1所述惯性动作捕捉系统的树状网络拓扑结构图如图2所示。
图2中，处于第2级的节点为叶子节点，共18个，并将它们分为3组，每组6个叶子节点，每个叶子节点的节点编号为两位。处于第1级的节点为Sink节点，每一个Sink节点都与自己组内的叶子节点进行通信，每一个Sink节点的节点编号为1位。ROOT节点位于第0级。
其中，每一个Sink节点在每一个数据周期轮询组内叶子节点，接受组内叶子节点数据，进行组内数据融合并暂存转发。ROOT节点同时在一个数据周期内轮询Sink节点，ROOT节点将Sink节点的数据进行融合，至此ROOT节点就读取到了人体上所有叶子节点的数据，并进行数据的解压缩，传递给相应应用程序解算人体动作。
该树状网络拓扑结构中数据读取命令由ROOT节点发出，其中，命令传输方向为第0级->第1级->第2级…如图2中实线所示；数据返回方向为第2级->第1级->第0级(仅限于该图)，如图2中虚线所示。图2中,叶子节点中数字为节点编号(NodeIdentity),所有叶子节点占两个字节。
图2中所述树状网络拓扑结构具有很强的拓展性。由于蓝牙4.0支持一对多通信，所以图2中每一个节点连接的从设备数量可多可少，并且图中网络拓扑只描述了3级的节点，级的数量和深度也可多可少，因此，该树状网络拓扑结构具有很强的拓展性和裁剪性，整个网络的覆盖范围也就随着改变。
BLE模块可以在主设备、从设备两个角色中相互转换。树状网络拓扑结构中，叶子节点一直是从设备，接受上一级sink节点的命令并且将数据发送给sink节点，此时sink节点充当主设备，并且读取叶子节点数据；树状网络拓扑结构中，Root节点一直充当主设备，读取sink节点的数据，此时的sink节点的角色为从设备。
实施例2
实施例1所述的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储；
(2)通过所述数据采集模块的BLE模块将步骤(1)处理并短暂存储的每个关节处的动作信息发送至所述sink节点的BLE模块；
(3)所述sink节点的BLE模块将数据发送至Root节点的BLE模块。
两个BLE模块的之间数据的通信是通过蓝牙协议栈的GATT层实现的。GATT层分为GATT客户端和GATT服务器端，客户端读取数据，服务器端为客户端提供数据服务。数据的读写通过读取GATT服务的特征值，特征值可以自己定义，并且特定的特征值的数据长度最大为20个字节。
所述步骤(1)中，所述将动作信息进行压缩四元数处理，具体是指：对每个关节点的动作信息的格式进行定义，该格式包括NodeIdentity、PacketIdentity、W、X、Y、Z，NodeIdentity表示每个关节处对应的节点编号，PacketIdentity为数据包的编号，表示已经读取该关节处的动作信息的次数，因为要不断地采集关节处的动作信息，所以每秒钟需要读取50-60次，这个数据包编号表示发送的第几次动作信息，作用是同步所有关节处的动作信息；W、X、Y、Z是指加速度计的数据、角速度计的数据和磁力计的数据压缩的四元数。格式如表2所示：
表2
节点编号的作用是用于标识该数据包属于采集对象哪个关节处的数据，数据包编号表示发送的第几次数据，作用是同步所有节点的数据，WXYZ为压缩的四元数，其可以还原人体动作信息，在网络中可以降低整个系统的网络负载。

Claims (7)

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1-4任一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。
6.权利要求5所述的惯性动作捕捉系统的数据传输方法，其特征在于，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储；
(2)通过所述数据采集模块的BLE模块将步骤(1)处理并短暂存储的每个关节处的动作信息发送至所述sink节点的BLE模块；
(3)所述sink节点的BLE模块将数据发送至Root节点的BLE模块。
7.根据权利要求6所述的惯性动作捕捉系统的数据传输方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述将动作信息进行压缩四元数处理，具体是指：对每个关节点的动作信息的格式进行定义，该格式包括NodeIdentity、PacketIdentity、W、X、Y、Z，NodeIdentity表示每个关节处对应的节点编号，PacketIdentity为数据包的编号，表示已经读取该关节处的动作信息的次数，W、X、Y、Z是指加速度计的数据、角速度计的数据和磁力计的数据压缩的四元数。
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