[发明专利]基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统

摘要

一种基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统，可实时同步采集和监测人体多节段、多关节、多自由度的运动数据，采集的运动数据经过姿态解算后，通过蓝牙通信方式传输到移动智能终端，其中多节点数据采集频率可达900Hz以上，应用姿态解算后的人体运动姿态数据输出速率可达150Hz，满足实时监测人体完整运动状况的需求。其次，针对多节点运动数据特性，通过建立相应的多节点采集数据结构、在内存中开辟对应大小的动态数组，以及充分利用读写锁的特性，保证了实时采集数据的准确性和完整性。最后通过建立多个在系统后台负责不同任务的线程，实现三维运动监测系统多节点数据采集、蓝牙通讯、姿态解算处理和在移动终端上的可视化功能，以满足临床对人体运动障碍诊断和评估的需求。

主权项

一种基于无线体域网的可穿戴式多节点三维运动监测系统的三维运动监测方法，其特征在于，所述的系统包括：含有传感器、节点微控制器和蓝牙收发模块的传感器节点和设置于移动终端上的多节点数据处理模块及可视化模块，其中：移动终端通过蓝牙方式与多个传感器节点建立一对多的通信网络；所述的传感器内设有三轴加速度计和三轴陀螺仪，实时采集人体各节段或各关节在X、Y、Z三个方向的加速度和角速度数据，并通过I2C的总线协议传输至节点微控制器，节点微控制器通过UART接口将压缩并打上时间戳后的数据包传输给蓝牙收发模块；所述的多节点数据处理模块采用多线程架构方式进行多节点数据处理，对多个传感器节点发送的数据进行解析处理，可视化模块显示多节点数据处理模块的处理结果；所述的三维运动监测方法，包括以下步骤：1)传感器节点将传感器得到的运动或生理数据通过节点微控制器进行数据压缩处理，通过节点微控制器中的寄存器为数据加上起始标记、节点编号、传感器数据类型、时间戳和结束标记；节点微控制器检测蓝牙收发模块接收到的数据包，判断其内是否包含正确的控制帧；2)移动终端搜索判断是否有上电的传感器节点，当发现上电的传感器节点时，则进入数据接收及处理模型，每隔一个搜索周期搜索蓝牙设备的情况，当有其他传感器节点存在时，分别为多节点数据处理模块的原始数据单元和数据存储单元各分配一个读写锁；3)多节点数据处理模块通过蓝牙连接线程，以Mac地址为准与传感器节点的蓝牙收发模块相连，待连接后返回蓝牙套接字并注销蓝牙连接线程；4)数据存储线程循环读取socket流的内容，为原始数据单元加上写锁，并将其存储至第一动态数组内；运动姿态解算线程循环检测原始数据单元的状态，当原始数据单元的写锁被释放时，则为原始数据单元加上读锁并读取数据内容，将该数据内容去除帧头、帧尾和解压数据内容处理后，为第二动态数组加上写锁并按序存入数据存储单元中，然后解开资源的写锁；最后多节点数据处理模块按需开辟相应的线程，读取存放处理后的有序数据单元，为其加上写锁；5)根据采集获取的传感器节点的加速度变化特征，通过设定加速度的动态阈值，判断人体步态周期，计算步态时空参数；根据采集获取的腰背部节点的加速度数据，判断人体跌倒过程中的三种状态，即失重、超重和静止状态。