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项目解决方案样本
项目方案解决书
项目名称:
人体姿态检测
小构成员:
赵旭管晨霞孟志彬
一、引言……………………………………………………………….3
1.1项目背景……………………………………………………………3
1.2问题提出…………………………………………………………4
1.3研究目与意义…………………………………………………….5
1.4参照资料………………………………………………………….....5
二、系统架构………………………………………………………...5
2.1系统构造图………………………………………………………….5
2.2子系统列表………………………………………………………….6
三、各模块实现……………………………………………………...7
3.1传感器模块………………………………………………………….8
3.2下位机实现……………………………………………………...13
3.3上位机实现……………………………………………………...18
3.4数据库……………………………………………………………...23
四、总结………………………………………………………………..24
一、引言
1.1项目背景
21世纪被称为“银发世纪”,世界范畴内老龄化浪潮滚滚而来。
人口老龄化是一种全球性发展趋势,中华人民共和国也不例外。
随着中华人民共和国经济稳定发展及人民生活水平不断提高,人们平均寿命在不断延长。
按联合国分析世界人口构造所用定义,65岁以上老年人和60岁以上老年人分别占总人口7%和10%社会称为老龄化社会。
而依照中华人民共和国人口信息研究中心调查记录,中华人民共和国60岁以上人口比例为10.31%,65岁以上人口占总人口比例为7.17%[1],按照国际原则来衡量,中华人民共和国已经步入老龄化社会,并且在此后几十年其老龄化趋势将更加明显。
发达国家老龄化是建立在工业高度发达基本上,工业化所积累财富为老龄化问题缓和提供了雄厚物质基本和保障,而中华人民共和国老龄化是由于人口生育率下降及人均寿命延长成果,超前于经济发展。
此外,随着人们与外界交流日益密切,价值观念与生活方式也发生了转变。
社会学家把家中有老人但无子女或子女都不在老人身边家庭称为“空巢家庭”。
近些年来,随着社会经济发展,居住方式变化,家庭构造小型化,以及人口流动加速,子女数减少,代际居住分离倾向,人口预期寿命延长,其老人家庭空巢率正在不断加大。
近来,国内空巢家庭始终呈上升之势,1987年全国空巢家庭与老年人家庭比例是16.7%,全国第五次人口普查数据表白,“空巢家庭”户占到老年家庭22.83%,而上升到25.8%。
在某些大都市,空巢家庭问题更为突出。
,北京市空巢家庭比例为34%,上海市为34.8%,广州市为30%,天津市为36.5%。
特别值得注意是,单身独居老人在老年人口中比例,也由1999年3.8%上升到11%[2]。
随着独生子女父母步入老年,空巢家庭将成为国内老年人家庭重要形式,预期到了2030年空巢老年人家庭比例将达到90%,届时国内老年人家庭将空巢化。
1.2问题提出
在上一节中已经讨论讨论了两个趋势,一种是人口老龄化趋势,一种是老年人口中家庭空巢化趋势。
在越来越多老年空巢家庭当中,许多老人健康保障存在问题。
对于作为监护人独生子女父母这一代,既要抚养和教诲子女,又要赡养和照顾四位老人对她们无疑是非常沉重承担。
对于社会来说,中华人民共和国是在经济尚不发达阶段浮现人口老龄化,社会化福利服务体系发展水平还比较落后,现阶段国家和社会还无法建立设施先进、服务系统、项目齐全社会福利服务体系。
而对于老人自身而言,她们也但愿可以在自己家里安居晚年。
因而,老年人由谁来监护和护理已经成为了一种社会问题。
1.3研究目与意义
当今计算机通信技术和传感器技术发展迅速,已经应用到了社会生活个个方面,例如工业控制以及物联网领域,但在人们寻常生活中应用相对较少,特别是在老年人监护系统中。
咱们但愿可以运用计算机通信技术和传感器技术设计一套老年人体姿态检测系统,通过固定在人体四肢上传感器来实时捕获人体姿态变化,然后通过计算机网络技术将传感器数据传到计算机控制端,来完毕对人体姿态检测,以此来判断人姿态变化。
1.4参照资料
《基于三轴加速度传感器跌倒检测技术研究与应用》
《无线传感器在人体关节运动姿态检测中应用》
《基于CC2430ZigBee无线网络节点设计》
《PC机与MSP430串口通信实现办法》
《基于MSP430无线应用》
二、系统架构
2.1系统构造图
室内方案:
室外方案:
2.2子系统列表
表名:
子系统列表
子系统列表
子系统功能概述
子系统之间关系
传感器
传感器重要使用是三轴加速度传感器,分别固定在四肢关节处,运用压力感应出关节变化,同步借助无线模块和ZigBee合同实现数据传播。
传感器位于顾客身上,传感器将采集到数据实时通过ZigBee合同发送到单片机内,单片机将接受到数据解决分析,再通过串口通信传送到PC端,PC端软件将实时显示人体姿态有关数据,同步动态模仿出此时人体姿态三维图像,同步PC端还会将有关数据以及三维动态视频自动保存到数据库中,可实现历史查询功能。
下位机
重要是基于单片机控制系统,与传感器通信需要使用ZigBee合同,将传感器发送来信号通过串口通信传送给PC。
上位机
上位机重要是人机交互界面,将顾客姿态有关参数一一列出,并且可以实时显示人体三维姿态图像。
数据库
保存检测到数据以及有关人体姿态三维动画。
三、各模块实现
3.1传感器模块
3.1.1传感器放置与测量
1、手臂上三轴加速度传感器
如图所示在人体各个关节上建立相对坐标系,一竖直方向为z轴,拟定该轴竖直方向运动状态,然后以水平方向建立x轴和y轴。
在手臂上可以按两个传感器s1和s2,分别测量两个关节处得三轴加速度。
先有s1测出其三轴加速度!
由此可以拟定整个大臂运动状态!
再由大臂s1到s2距离可以计算出s2点运动状态。
然后由s2侧出三轴加速度,则可以拟定整个小臂运动状态!
2、腿部运动状态
腿部相应和手臂有些相似但需要安放三个传感器,在脚踝上安放一种加速度传感器,以轴为基点建立三轴坐标,同样,以竖直方向为z轴,以水平方向建立x和y轴,可以测量小腿三轴方向上加速度,同样依照小腿长度,可以拟定膝关节处点运动状态。
相应膝关节上也,以膝盖为基点建立水平方向x和y轴,以竖直方向建立z轴,通过测量三个方向加速度,拟定大腿运动状态,同样在臀部关节处安装加速度传感器,可以测量臀部以上身体大体运动状态!
3、腰椎部传感器
通过测定腰椎部得加速度变化,可以测定整个腰部姿态变化,其实这个某些是最重要。
腰椎部是整个身体联系,腰部还可以拟定肩部关节这个基点位置,可以通过身体各个部位之间距离拟定各个点位置。
3.1.2、元件:
1、传感器
飞思卡尔开发基于MEMS(微机电系统)三轴向低重力加速计MMA7260Q,是一款低成本微型电容式加速度传感器。
该芯片采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术,是一款单芯片设备,具备三轴向检测功能,以极高敏捷度读取低重力水平坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇晃,使便携式设备可以智能地响应位置、方位和移动变化。
MMA7260Q封装尺寸很小,只需较小板卡空间,此外还提供迅速启动和休眠模式。
这些特性使MMA7260Q成为采用电池供电便携式电子产品抱负之选。
MMA7260Q可选敏捷度容许在1.5g、2g、4g和6g不同范畴内进行设计。
它3μA睡眠模式、500μA低运营电流、1.0ms迅速启动响应时间以及6mm×6mm×1.45mmQFN小巧包装等其她特性,使环绕MMA7260Q设计活动轻松以便、经济高效。
MMA7260Q传感器
MMA7260Q芯片广泛应用于各领域,对于不同应用,重力加速度级别应当有不同选取。
自由落体检测:
1~2g,应用于移动硬盘驱动、手机、PC笔记本和MP3播放器。
倾斜控制:
1~2g,应用于移动辨认、顾客界面滚动和游戏。
摇晃:
8~10g,应用于电机稳定性。
测震学:
0.002~2g,应用于地震检波器和地震开关。
震动检测:
2~8g,应用于装运/解决。
步程计:
10~20g应用于跑步和生理学。
由此可见,人体跌倒检测合用是1~2g级别。
MMA7260Q三轴加速传感器是检测物件运动和方向传感器,它依照物件运动和方向变化输出信号电压值。
各轴信号在不运动或不被重力作用状态下(0g),其输出为1.65V。
如果沿着某一种方向活动,或者受到重力作用,输出电压就会依照其运动方向以及设定传感器敏捷度而变化其输出电压。
用MSP430单片机A/D转换器读取此输出信号就可以检测起方向。
2、无线收发元件
这次使用信号发送模块是RF2420,该模块是使用TI-Chipcon公司CC2420无线通信芯片开发而成。
是符合ZigBee技术高集成度工业用射频收发器件,工作在2400-2483.5MHZISM频段,电池消耗低,同步分别给每个发射模块设立地址或是唯一辨认合同头,以此有助于数据传播,将传感器传出信号传播到RF2420接受并发送到MSP430信号接受模块!
且给每个传感器分派地址。
汇总到单片机解决,再传给pc机解决!
RF2420特点:
(1)采用TI公司CC2420无线芯片,工作在2400-2483.5MHzISM和SRD频段.
----采用直接序列扩频方式.
----工作速率250kbps,码片速率2MChip/s.
----使用O-QPSK调制方式.
----高敏捷度(-95dBm).
----较低电流消耗(RX:
13.3mATX:
17.4mA).
----抗邻频道干扰能力强(39dB)
----内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器.
----采用低电压供电(2.1~3.6V).
----输出功率编程可控.
(2)IEEE802.15.4-原则MAC层硬件支持.
----前导码与同步字段自动生成与检测.
----CRC-16自动生成与检测.
-----空闲信道检测.
-----能量检测、接受信号强度与链路质量批示.
-----MAC层安全保护(CTR,CBC-MAC,CCM)支持.
(3)采用4线SPI原则接口,便于MCU配备.
(4)独立128字节RX和128字节TX数据FIFO.
(5)模块采用PCB天线,直线收发距离20-50米,模块尺寸32mm*47mm
3.2下位机实现
MSP430系列单片机是当前工业界中性价比高、功耗低Flash16位RSIC微控制器。
因而咱们方案是基于MSP430和CC2420传感器信息自动采集系统,重要涉及传感器模块、无线模块、PC终端、室内定位等。
图一为系统总体构造图。
该系统通过无线模块发送和接受外部无线射频信号,MSP430单片机控制数据接受、解决、传播,将数据打包后通过串口通信传送至PC机。
1、MSP430与传感器通信
(1)信息接受:
MSP430通过CC2420无线接受来自传感器信息,同步通过ZigBee合同地址分派辨认人体不同部位传感器信息涉及:
上肢、腰部、下肢。
(2)室内定位:
采用射频辨认技术。
射频辨认技术运用射频方式进行非接触式双向通信互换数据以达到辨认和定位目。
这种技术作用距离短,普通最长为几十米。
但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度信息,且传播范畴很大,成本较低。
在室内东西南北各安装一种读卡器,读卡器与腰部CC2430中间进行自动互换信息,然后读卡器将这些信息通过Zigbee传到与MSP430连接CC2430,进而通过串口通信传给PC机。
2、MPS430单片机与PC机通信
(1)硬件某些:
MSP430单片机通过RS-232接口电路与上位机进行通信,接受上位机传来控制指令,并可将采集信号上传至上位机。
如图1-1,串行口电平转换器(MAX232ACPE)实现单片机电平与RS232电平互相转换。
(2)下位机(MSP430单片机)程序设计涉及初始化设计、串口中断服务设计和主解决程序设计
主解决程序包括初始化、设立串口工作方式、对接受到数据进行解决以及封装需要发送数据。
下面是它程序代码。
#include
#include"sp3220.h"
//定义串口操作变量
charnRev_UART1;//串口1接受标志
charUART1_TX_BUF[60];//串口1发送缓冲区
charUART1_RX_BUF[60];//串口1接受缓冲区
intnTX1_Len;
charnRX1_Len;
charnRX1_Len_temp;
charnTX1_Flag;
intnSend_TX1;
voidmain(void)
{
intnRes_UART1;
intnRes=0;
charUART1_RX_Temp[60];
inti;
intn;
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//关闭看门狗
_DINT();//关闭中断
Init_CLK();//初始化时钟
Init_Port();//初始化端口
Init_UART1();//初始化串口1
_EINT();//打开中断
for(;;)//进入解决循环
{
if(nRev_UART1==1)//如果有接受中断
{
nRev_UART1=0;
for(i=0;i UART1_RX_Temp[i]=UART1_RX_BUF[i];//将接受到数据拷贝到暂时缓冲区。 nRes=ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len); switch(nRes) { case1: nTX1_Len=3; //设立中断标志,进入发送中断程序 IFG2|=UTXIFG1; nRX1_Len=0; break; case2: nTX1_Len=nRX1_Len+3; //设立中断标志,进入发送中断程序 IFG2|=UTXIFG1; nRX1_Len=0; break; case-1: nTX1_Len=6; //设立中断标志,进入发送中断程序 IFG2|=UTXIFG1; nRX1_Len=0; break; } } } } 在上面程序中重要依照“ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len)”对得到成果进行解决,向PC发送响应数据,如果接受到数据有错误,则发送“ERROR”。 数据封装完毕后,设立“nTx1_Len”长度,并通过“IFG2|=UTXIFG1;”发送中断,从而使中断解决程序进行数据发送.上面程序中“ProcessCMD(UART1_RX_Temp,nRX1_Len)”重要解决接受到数据并返回相应代码以使主程序解决。 3.3上位机实现 3.3.1开发工具选取 PC端上上位机将采用VC编写,VC++6.0是Microsoft公司推出一种基于Windows系统平台、可视化集成开发环境,它源程序按C++语言规定编写,并加入了微软提供功能强大MFC(MicrosoftFoundationClass)类库。 MFC中封装了大某些WindowsAPI函数和Windows控件,它包括功能涉及到整个Windows操作系统。 MFC不但给顾客提供了Windows图形环境下应用程序框架,并且还提供了创立应用程序组件,这样,开发人员不必从头设计创立和管理一种原则Windows应用程序所需程序,而是从一种比较高起点编程,故节约了大量时间。 此外,它提供了大量代码,指引顾客编程时实现某些技术和功能。 因而,使用VC++提供高度可视化应用程序开发工具和MFC类库,可使应用程序开发变得简朴。 VC++由于自身计算能力和解决数据能力不强,而MATLAB在这些方面功能很强大,它是由美国mathworks公司发布重要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计高科技计算环境。 它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统建模和仿真等诸多强大功能集成在一种易于使用视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必要进行有效数值计算众多科学领域提供了一种全面解决方案,并在很大限度上挣脱了老式非交互式程序设计语言(如C、Fortran)编辑模式,VC++和Matlab互联可用Matcom软件和Matlab自身引擎函数库实现。 3.3.2核心代码实现 1、串口通信: MSComm控件是微软开发专用通信控件,封装了串口所有功能,使用很以便,但在实际应用中要小心对其属性进行配备。 如下是用到某些重要办法: CommPort: 设立串标语,类型short: 1-comm12-comm2. Settings: 设立串口通信参数,类型CString: B波特率,P奇偶性(N无校验,E偶校验,O奇校验),D字节有效位数,S停止位。 PortOpen: 设立或返回串口状态,类型BOOL: TURE打开,FALSE关闭。 InputMode: 设立从接受缓冲区读取数据格式,类型long: 0-Text1-Bin。 Input: 从接受缓冲区读取数据,类型VARIANT。 InBufferCount: 接受缓冲区中字节数,类型: short。 InBufferSize: 接受缓冲区大小,类型: short。 Output: 向发送缓冲区写入数据,类型: VARIANT。 OutBufferCount: 发送缓冲区中字节数,类型: short。 OutBufferSize: 发送缓冲区大小,类型: short。 InputLen: 设立或返回Input读出字节数,类型: short。 CommEvent: 串口事件,类型: short。 程序示例: 串口初始化 if(! m_comm.GetPortOpen())m_comm.SetPortOpen(TURE);/*打开串口*/ m_comm.SetSettings("4800,n,8,1");/*串口参数设立*/ m_comm.SetInputMode(0);/*设立TEXT缓冲区输入方式*/ m_comm.SetRthresHold (1);/*每接受一种字符则激发OnComm()事件*/ 接受数据 m_comm.SetInputLen (1);/*每次读取一种字符 VARINATV1=m_comm.GetInput(); /*读入字符*/ m_V1=V1.bstrval; 发送字符 m_comm.SetOutput(Colevariant("Hello");/*发送“Hello”*/ 2、解决数据: 对从下位机上数据按照一定算法进行分析,最后将各有关参 数解析出 3、人体姿态三维模仿 对于人体姿态模仿,考虑到肢体运动过程中也许会牵扯到大量矩阵运算,因而可以使用MATLAB进行仿真,应用MATLAB工具中Simulink和VR工具箱对所得数据进行仿真。 3.3.3上位机基本功能界面 3.4数据库 由于本次需要保存数据量相对较小,同步数据之间逻辑关系相对简朴,因而可以采用oracleMySQL数据库,MySQL数据库是一种中档大数据库,有诸多长处,例如是一种开放源代码关系型数据库管理系统(RDBMS)、数据库系统使用最惯用数据库管理语言--构造化查询语言(SQL)进行数据库管理等等。 咱们将在数据库中建一种表,将时间作为id,PC端将每30分钟与数据库通信一次,保存有关数据,数据涉及人体姿态变化有关参数和人体三维姿态图像,当顾客要调用所查内容时,只需输入时间就可以调出此时间段内有关内容。 四、总结 人体姿态检测技术应用前景是很广泛,特别是在老年人监护方面更是有很大意义,在不影响老人寻常活动状况下,可以让老年人不再由于胆怯跌倒等危险动作而减少活动,从而可以提高老年人晚年生活品质,另一方面也可以减轻社会和子女压力,对构建以人为本和谐社会有着非常积极意义。
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