基于ZigBee 的可穿戴多元数据采集节点设计

赵 陈，宋泊明*

（徐州医科大学 医学信息与工程学院，江苏 徐州）

引言

肢体功能障碍在我国发病率高[1]，康复周期长，因此需要居家康复。准确评估肢体功能对康复过程影响极大，而传统的量表评估方式依赖医生主观评价，且难以居家开展。因此，本文提出一种基于ZigBee 的可穿戴多元数据采集节点，可以采集患者运动过程中的三轴加速度与肌电信号并通过无线传输技术将数据传输到上位机进行数据分析，从而构成一种简单、有效的肢体功能障碍评估手段。

Zigbee 协议[2]是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，具有成本低、能量消耗小和传输速率低等优势。基于ZigBee 技术，本文采用无线传感网络芯片CC2530 作为多元数据采集节点设计的主控芯片，结合ADXL345 加速度传感器、肌电传感器，完成了可穿戴多元数据采集节点的设计。以ZigBee 为基础的可穿戴传感器设计[3]，不仅可以将医疗监控设备小型化、便携化，还可以将其应用到低成本、多功能、易于扩展等方面[4]。

1 硬件设计

本文采用CC2530 和ADXL345 芯片、肌电传感器[5]实现三轴加速度及肌电信号的采集和数值转换，为人体姿态识别奠定基础。首先，通过ADXL345 加速度传感器采集手臂运动时的三轴加速度，然后通过IIC 接口将信号传输给单片机进行处理和发送。为了保证ADXL345 芯片的正常工作，将电源和地信号连接到单片机的相应引脚，并将INT1、INT2 分别与单片机的INT0、INT1 相连，以便及时触发中断并通知单片机进行处理。同时，将ADXL345 芯片的SDA(数据线)、SCL(时钟线)分别与单片机的某一脚相连，以便传输采集到的三轴加速度和肌电信号数据。此外，还使用了肌电传感器来采集肌电模拟信号，并将该信号通过模拟电路与单片机连接。肌电传感器通过检测人体的表面肌电信号(SEMG)，将微弱的人体表面肌电信号进行放大和滤波，输出模拟量形式的信号，以AVDD5 为基准电压，方便做肌电信号的分析与研究。而单片机则可以通过接口电路将肌电传感器的输出信号接收并处理。

采集到的数据是模拟信号，通过CC2530 单片机内置ADC 模数转换将模拟信号转换成数字信号。本文以AVDD5 为基准电压，以确保模数转换器的取样精度。将肌电模拟信号输入到CC2530 的P0.1 端，然后进入内置的ADC 输入端，将数字化的数据由CC2530 的无线射频模块发送至上位机。

2 数据传输

2.1 主控芯片CC2530

本系统采用TI 公司新一代的ZigBee 单片机CC2530[6]作为主要信号处理与无线传输设备，具有低功耗、小尺寸和低数据传输量的特点。

2.2 CC2530 与ADXL345 传感器连接

设计中主控芯片CC2530 与ADXL345 加速度传感器[7]通过IIC 接口进行通信。其数据线SDA 和串行时钟线SCL 分别与CC2530 的P0.1 和P0.0 引脚相连。如图1 是ADXL345 加速度传感器IIC 通讯方式的连接电路。当ADXL345 处于IIC 模式通信时，CS 引脚需要拉高至V_(DD I/O)，使用简单的2 线式连接。同时，ALT ADDRESS 引脚若处于高电平，与任一V_(DD I/O)引脚连接，则IIC 地址为0x1D。若ALT ADDRESS引脚接地，则IIC 地址为0x53。

图1 ADXL345 传感器IIC 方式连接电路

2.3 CC2530 与AD8221 传感器连接

为了减轻汇聚节点与上位机的数据处理压力，数据采集后在本地进行数据处理，包括数据转换和无线传输等。数据转换阶段，将采集到的数据进行转换，加速度换算公式：

无线传输阶段，将转换后的数据通过无线的方式发送给上位机。两个CC2530 芯片之间通过ZigBee 模块进行无线传输。系统硬件结构如图2 所示。发送的数据包括三轴加速度与肌电信号数据。

数据帧结构见表1。

3 测试与结果

本课题实验，测试者将传感器佩戴在手臂上进行三个动作的测试，一个是手臂前屈90°，一个是手臂前屈180°，一个是手臂外展90°。将肌电传感器、ADXL345 传感器以及一个CC2530 芯片均绑在手臂上，通过ZigBee 协议与另外一个CC2530 进行通信，再将其通过USB 方式与电脑相连接，进行三轴加速度与肌电信号的采集。

采集肌电信号则是通过将电极放置在目标肌肉上，通过肌电放大器和数据采集卡采集信号。如果有多块肌肉共同作用，则选取其中最主要的肌肉进行采集。由于传感器数量有限，往往需要分开采集。手臂前屈时起主要作用的肌肉是肱二头肌和喙肱肌。手臂外展时起主要作用的是三角肌前部纤维和岗上肌。见图3。

图3 手臂运动肌肉群图

打开串口准备接收数据，打开CC2530 芯片上的USB/BAT 开关将软件与传感器串口完成连接。本实验波特率设置为32 800 HZ，数据位为8。串口连接完成后，点击打开串口，接收数据。测试者由自然垂直的手臂，依次进行三项手臂上抬的动作测试，均先加速后减速。动作结束后，将串口接收的数据换算保存后进行分析。

由图4 至图6 中三个动作呈现出的加速度值变化曲线发现，随着手臂动作先加速后减速，三轴加速度值变化符合认知规律。图4 至图6 中显示了肌电信号值在手臂运动过程中的变化曲线。手臂自然垂直时，肌电信号值约为1.500 mV。由图中三个动作呈现出肌电信号曲线变化图发现，随着手臂动作先加速后减速，肌电信号值在相应情况下也呈现了先增大后减小的趋势。

图4 手臂前屈90°三轴加速度值及肌电信号变化曲线

图5 手臂前屈180°三轴加速度值及肌电信号变化曲线

图6 手臂外展90°三轴加速度值及肌电信号变化曲线

结束语

本文论述了采用无线传感网络芯片CC2530 作为多元数据采集节点设计的主控芯片，通过IIC 通信方式与ADXL345 加速度传感器相连，同时结合肌电传感器及ZigBee 技术，完成了可穿戴多元数据采集节点的设计。实验测试证明，该传感器传输可靠性好，系统可扩展性较强，对保障人民群众的身体健康、便利患者的日常生活、提升医务人员的工作效率和医院的现代化信息化管理水平都有着重要的意义。