CN113425291A - 一种基于mems传感器的指环式采集系统 - Google Patents

一种基于mems传感器的指环式采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，包括微处理器、运动传感器、电源管理模块、LED、射频天线、锂电池、戒指托、电路板、显示终端，所述戒指托包括戒指托槽和戒指环，其中运动传感器、LED、射频天线均与微处理器电连接，锂电池与电源管理模块电连接，电源管理模块分别与微处理器、运动传感器、LED电连接，微处理器与显示终端无线连接，其中运动传感器、LED、射频天线、电源管理模块、微处理器均集成在同一电路板上，锂电池安装在戒指托槽内，电路板安装在锂电池上面，戒指托通过戒指环佩戴在手指上；所述系统具有体积小、功耗低、便携性好的优点，对人体动作识别、运动训练和健康管理的研究和发展具有重要意义。

Description

一种基于MEMS传感器的指环式采集系统
技术领域
本发明涉及MEMS传感器检测技术领域，具体涉及一种基于MEMS传感器的指环式采集系统。
背景技术
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术不断发展和进步，基于MEMS传感器的人体动作识别受到越来越多研究人员的高度重视，研究者们将各种类型的MEMS传感器集成到可穿戴设备上广泛应用于人体日常运动的识别。基于MEMS传感器的人体运动识别技术具有成本低、设备体积小、功耗低、功能全面的优点，深受人们的青睐。此外，MEMS传感器可以同时检测多项人体指标，包括运动信息、心率、血氧、肌电信号等从而实现从多个维度提取人体活动信息。MEMS传感器的迅速发展和独特优势，极大的推动了可穿戴设备的应用研究，为我们生活的便捷、智能化提供了更多的技术支持。可穿戴式传感器凭借体积小、重量轻、成本低、功耗低等优点，近年来已经成为人体活动识别的主流解决方案。目前市面上已经涌现了大量成熟的基于可穿戴式传感器的运动识别设备，例如体感控制臂环、运动手表、运动手环等，但是其设备大多只是采集了身体的一些基本健康指标，如心率、血氧等，实现记步和里程记录等功能，对于人体动作的采集还存在着不足。
为了更好的捕捉人体的动作，一些研究人员采用了使用多个传感器构建体域网，通过手、胳膊、脚踝佩戴运动设备，能够精准的捕捉多个部位的姿态数据，从而获得更高的动作识别准确率，但在数据传输数据处理时的难度会大大增加。这种方法只适合实验室环境或者专业的医疗机构，对于日常生活来说，多传感器节点的穿戴十分不便，舒适度较差，会影响用户的使用体验。为了提高活动识别设备的佩戴舒适度，一些研究人员采用单个惯性传感器来采集人体日常活动信号，通过手部佩戴戒指或手环来帮助日常运动训练，指环具有体积小，便携性好的优点，但是目前的智能指环大多功能单一，如检测心率、血氧、NFC门禁功能等，对于动作的检测缺乏深入的研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，用于人体动作的采集，以解决现有智能指环功能单一，缺乏动作采集功能、或采集不精确的问题。
一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，包括微处理器、运动传感器、电源管理模块、LED、射频天线、锂电池、戒指托、电路板、显示终端，所述戒指托包括戒指托槽和戒指环，其中运动传感器、LED、射频天线均与微处理器电连接，锂电池与电源管理模块电连接，电源管理模块分别与微处理器、运动传感器、LED电连接，微处理器与显示终端无线连接，其中运动传感器、LED、射频天线、电源管理模块、微处理器均集成在同一电路板上，锂电池安装在戒指托槽内，电路板安装在锂电池上面，戒指托通过戒指环佩戴在手指上；
所述运动传感器用于采集手指的运动过程数据，并将采集到的运动过程数据传输至微处理器，所述运动过程数据包括手指运动过程中在X轴方向的加速度、角速度和磁力值，在Y轴方向的加速度、角速度和磁力值，在Z轴方向的加速度、角速度和磁力值；
所述LED用于显示系统的运行状态，所述运行状态包括无线信号的连接状态、系统的开关机状态；
所述射频天线用于发射无线信号；
所述微处理器用于将接收到的运动过程数据无线发送至显示终端，通过显示终端显示运动过程数据的实时采集值，并进行存储；
所述电源管理模块用于将锂电池输出的电压转换为系统需要的工作电压。
所述LED用于显示系统的运行状态，具体表述为：当微处理接收到显示终端发送无线信号请求时，微处理器与显示终端建立无线信号的连接关系，同时微处理器控制LED处于熄灭状态；当系统开机时，微处理器控制LED常亮t秒。
所述显示终端为具有蓝牙功能的手机APP，所述射频天线采用陶瓷天线，陶瓷天线经过滤波电路后与微控处理器相连接，无线传输的方式采用蓝牙5.0，所述微处理器为低功耗多协议控制器芯片。
所述电路板为PCB电路板，PCB电路板的尺寸为12.5mm×12.1mm×0.6mm；所述运动传感器为九轴惯性传感器；所述电源管理模块为低压差线性稳压器。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，戒指托佩戴在手指上，采集手指的运动过程信息，数据通过蓝牙5.0协议无线发送到手机App上，App对数据进行实时显示和保存。本发明提出的基于MEMS传感器的指环式采集系统，主要应用于日常运动中的动作数据的采集，通过检测手指的运动过程对其动作过程数据进行采集，可用于运动中标准动作的指导训练、人体动作识别和健康管理等方面。所述系统具有体积小、功耗低、便携性好的优点，对人体动作识别、运动训练和健康管理的研究和发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明中基于MEMS传感器的指环式采集系统框图；
图2为本发明中基于MEMS传感器的指环式采集系统的实物结构图，其中(a)为戒指托结构的安装示意图，(b)为PCB电路板的正面视图，(c)为PCB电路板的反面视图；
图3为本发明中基于MEMS传感器的指环式采集系统的电路原理图，其中(a)为运动传感器的接线原理图，(b)为电源管理模块的接线原理图，(c)为LED的接线原理图，(d)为下载端口的接线原理图，(e)为微处理器的接线原理图；
图中，1、电路板，2、锂电池，3、戒指托，4、微处理器，5、运动传感器，6、电源管理模块，7、射频天线，8、LED，9、电源开关，10、程序下载端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
如图1～2所示，一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，包括微处理器4、运动传感器5、电源管理模块6、LED 8、射频天线7、锂电池2、戒指托3、电路板1、显示终端，所述戒指托3包括戒指托槽和戒指环，其中运动传感器5、LED8、射频天线7均与微处理器4电连接，锂电池2与电源管理模块6电连接，电源管理模块6与微处理器4、运动传感器5、LED 8电连接，微处理器4与显示终端无线连接，其中运动传感器5、LED 8、射频天线7、电源管理模块6、微处理器4均集成在同一电路板上，锂电池安装在戒指托槽内，电路板安装在锂电池上面，戒指托通过戒指环佩戴在手指上；
所述运动传感器5用于采集手指的运动过程数据，并将采集到的运动过程数据传输至微处理器，所述运动过程数据包括手指运动过程中在X轴方向的加速度、角速度和磁力值，在Y轴方向的加速度、角速度和磁力值，在Z轴方向的加速度、角速度和磁力值；
所述LED8用于显示系统的运行状态，所述运行状态包括无线信号的连接状态、系统的开关机状态；
所述射频天线7用于发射无线信号；
所述微处理器4用于将接收到的运动过程数据无线发送至显示终端，通过显示终端显示运动过程数据的实时采集值，并进行存储；
所述电源管理模块6用于将锂电池2输出的电压转换为系统需要的工作电压。
所述LED用于显示系统的运行状态，具体表述为：当微处理接收到显示终端发送无线信号请求时，微处理器与显示终端建立无线信号的连接关系，同时微处理器控制LED处于熄灭状态；当系统开机时，微处理器控制LED常亮t秒。
所述的戒指托3由戒指托槽和戒指环构成，其材质可为合金电镀材质，PCB板和锂电池安装在戒指托槽内。
所述显示终端为手机APP，APP基于Android平台开发监控系统，对运动过程数据进行实时显示和保存，还可以将运动过程数据以图像的形式进行显示并实时刷新，使数据更加可视化。
所述射频天线7采用陶瓷天线，陶瓷天线经过滤波电路后与微控处理器相连接，无线传输的方式采用蓝牙5.0，微处理器4支持蓝牙5.0协议，其外围硬件电路需要配置一个滤波电路和射频天线来实现无线通信，进行运动数据的无线传输。所述的信号滤波电路由第十四滤波电容C17、第十五滤波电容C18和第一电感L3组成，用于提升无线信号的质量，图3(e)中RF表示连接的射频天线。
所述微处理器为一个功能强大、灵活性高的低功耗多协议控制器芯片U2，其型号为NRF52832，采用小型的QFN封装长6mm、宽6mm，位于PCB板的顶层，作为控制器和其他各模块保持通信连接，它具有32位CPU，支持蓝牙低功耗、ANT、2.4GHz应用程序和蓝牙5.0，同时还支持I2C和SPI总线协议，微处理器采用I2C总线协议与运动传感器相连接，分别对应了U2中的P0.11引脚和P0.13引脚，I2C总线具有更简化的电路，只需要一根数据线和一根时钟线，其速度符合要求。U2外围电路中的第四滤波电容C19、第五滤波电容C11和芯片的电源管脚相连接，保证输入电压的稳定性，芯片供电使用了3.3V直流电源，第一晶振X1频率为32MHz，作为主晶振和U2的A1管脚和B2管脚相连接，第六滤波电容C12和第七滤波电容C9作为晶振的匹配电容和X1连接，第二晶振X2频率为32.768KHz，作为副振和U2的C7管脚和D7管脚相连接，第八滤波电容C13和第九滤波电容C16作为晶振的匹配电容和X2连接，第十滤波电容C8和U2的A6管脚连接、第十一滤波电容C10和U2的B7管脚连接，第十二滤波电容C15和U2的C2管脚连接，第十三滤波电容C12和U2的A2管脚连接，以配置相应外围电路，接线图如图3(e)所示。
所述电路板为PCB电路板，PCB电路板的尺寸为12.5mm×12.1mm×0.6mm，PCB电路板上的电源管理模块的输入端和锂电池相连；
所述运动传感器5为九轴惯性传感器，所述运动传感器5采用了九轴惯性传感器U1，芯片型号为MPU9250，U1内部集成了三轴的加速度计、三轴的角速度计和三轴的磁力计，采集并输出分别在X轴、Y轴、Z轴的加速度、角速度和磁力值，九轴惯性传感器使用3×3×1mm3的QFN封装(Quad Flat No-lead，方形扁平无引脚封装)，集成于PCB电路板的底层与微处理器相连接；九轴惯性传感器的外围电路还包括第一滤波电容C2和第二滤波电容C3，与U1的1管脚相连接，保证3.3V电压输入的稳定；第一限流电阻R1和第二限流电阻R2均为上拉电阻，用于将连接管脚初试电平置高，第一限流电阻R1和U1的24引脚、微处理器NRF52832的P0.11引脚相连接；第二限流电阻R2和U1的23引脚、NRF52832的P0.13引脚相连接。U1的9引脚、11引脚、18引脚和20引脚连接到GND，U1的8引脚、13引脚连接3.3V电源，第三滤波电容C7和U1的10管脚连接，接线图如图3(a)所示。
所述的电源管理模块6采用了SOT-23-5小型封装的低压差线性稳压器U3，其型号为SGM2019-3.3YC，电压为4.2V的锂电池通过U3降压至3.3V为微处理器、运动传感器和LED供电。其中，第十六滤波电容C4和U3的1引脚，对输入电源进行滤波处理，U3的1引脚和3引脚相连接，第十七滤波电容C5和U3的5引脚相连接，第十八滤波电容C6和U3的4引脚相连接，保证3.3V电源的输出稳定。U3的2引脚和GND连接，U3的5引脚和其他芯片的电源引脚VCC3.3V连接，给系统各模块供电，接线图如图3(b)所示。
所述的锂电池2为3.7V聚合物锂电池，充满电后电压为4.2V，其电量为45mAh，电池的尺寸为15mm×10mm×4mm，锂电池的正负极和集成在PCB板上的电源管理模块的输入端相连接，通过电源管理模块降压处理为系统各模块提供电源。
所述的PCB电路板1还预留了一个程序下载接口P1，采用的下载方式为SWD模式，一共预留了四个引脚，分别是电源引脚VCC3.3V、GND和信号引脚SWDCLK和SWDIO，P1的1引脚和控制器U2的F1引脚相连接，P1的2引脚和U2的G1引脚连接，接线图如图3(d)所示。
为了便于观察设备是否正常运行，系统还包括一个贴片LED8，用于显示系统的运行状态，接线图如图3(c)所示，贴片LED为蓝色LED(即蓝色发光二极管)，采用了0402的封装，集成在PCB板的顶层，所述运行状态包括无线信号的连接状态、系统的开关机状态，当微处理接收到显示终端发送无线信号请求时，微处理器与显示终端建立无线信号的连接关系，同时微处理器控制LED处于熄灭状态；当系统开机时，微处理器控制LED常亮1秒；如果手机上带有蓝牙传输功能，通过蓝牙进行无线信号的传输时，当蓝牙处于广播状态时，贴片LED8为闪烁状态。
本实施中所用元器件型号为：运动传感器为MPU9250，微处理器为NRF52832，电源管理模块为SGM2019-3.3YC，具体接线原理图如3所示，工作原理表述如下：智能运动指环佩戴在手指上，采集手指的运动过程数据，数据通过蓝牙5.0无线发送到手机App上，App对数据进行实时显示和保存。
整个采集系统具有体积小、功耗低、便携性的优点，可无线直连手机，数据图像实时显示，对人体动作识别、运动训练和健康管理的研究和发展具有重要意义，提高了现在智能戒指功能单一，缺乏运动识别功能性的缺点。

Claims (4)

1.一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，其特征在于，包括微处理器、运动传感器、电源管理模块、LED、射频天线、锂电池、戒指托、电路板、显示终端，所述戒指托包括戒指托槽和戒指环，其中运动传感器、LED、射频天线均与微处理器电连接，锂电池与电源管理模块电连接，电源管理模块分别与微处理器、运动传感器、LED电连接，微处理器与显示终端无线连接，其中运动传感器、LED、射频天线、电源管理模块、微处理器均集成在同一电路板上，锂电池安装在戒指托槽内，电路板安装在锂电池上面，戒指托通过戒指环佩戴在手指上；
所述运动传感器用于采集手指的运动过程数据，并将采集到的运动过程数据传输至微处理器，所述运动过程数据包括手指运动过程中在X轴方向的加速度、角速度和磁力值，在Y轴方向的加速度、角速度和磁力值，在Z轴方向的加速度、角速度和磁力值；
所述LED用于显示系统的运行状态，所述运行状态包括无线信号的连接状态、系统的开关机状态；
所述射频天线用于发射无线信号；
所述微处理器用于将接收到的运动过程数据无线发送至显示终端，通过显示终端显示运动过程数据的实时采集值，并进行存储；
所述电源管理模块用于将锂电池输出的电压转换为系统需要的工作电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，其特征在于，所述LED用于显示系统的运行状态，具体表述为：当微处理接收到显示终端发送无线信号请求时，微处理器与显示终端建立无线信号的连接关系，同时微处理器控制LED处于熄灭状态；当系统开机时，微处理器控制LED常亮t秒。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，其特征在于，所述显示终端为具有蓝牙功能的手机APP，所述射频天线采用陶瓷天线，陶瓷天线经过滤波电路后与微控处理器相连接，无线传输的方式采用蓝牙5.0，所述微处理器为低功耗多协议控制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的指环式采集系统，其特征在于，所述电路板为PCB电路板，PCB电路板的尺寸为12.5mm×12.1mm×0.6mm；所述运动传感器为九轴惯性传感器；所述电源管理模块为低压差线性稳压器。
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