论文总字数：20911字

目 录

目录 3

1绪论 7

1.1研究背景及意义 7

1.2 国内外的研究现状 8

1.3 论文主要研究内容 8

2可穿戴技术背景 8

2.1可穿戴技术应用 8

2.2 MEMS六轴传感器 9

2.2.1 MEMS加速度传感器工作原理 9

2.2.2 MEMS陀螺仪工作原理 9

2.3低功耗蓝牙4.0技术 9

2.3.1低功耗蓝牙4.0与经典蓝牙 10

2.3.2低功耗蓝牙4.0协议栈介绍 10

2.3.4其他短距离无线通讯技术 11

3系统总体设计方案 11

3.1设计思路 11

3.1.1设计目标 11

3.1.2设计已有基础 11

3.1.3创新特色 11

3.1.4设计方案 11

3.2系统设计 12

4 系统硬件设计 13

4.1 微控制器系统电路 13

4.1.1 微控制器系统电路 13

4.1.2 复位电路 14

4.1.3 时钟电路 14

4.1.4 CC2541射频天线电路 14

4.1.5 供电电路 15

4.2大气压力传感电路 15

4.3六轴传感器电路 16

4.4 外部接插件连接器电路 17

5系统软件设计 18

5.1 开发环境 18

5.2 系统主要功能 19

5.4 CC2541工作流程 20

5.6.1 Android端调试方法 23

5.6.2接口数据解析 24

6实验测试及结果 24

6.1通信测试 24

6.2实验测试 27

6.3实验结果分析 30

总结 31

参考文献： 32

致 谢 33

附录 A 34

基于CC2541的可穿戴式摔倒监测节点设备

张文鑫

ABSTRACT：With the influence of economic globalization, people's living standards continue to improve. Most countries in the world are faced with ageing issues. As the elderly are easy to fall down the crowd, so once the fall, it will have an extremely high rate of hospitalization, morbidity and mortality, this will give a lot of money and energy on the burden on families. This paper focus on the problem of accidental falls of elderly. A MPU6050 six-axis sensor combined with CC2541 communication module's wearable fall detection device is implemented in this paper. This wearable fall monitoring node combines low-power Bluetooth 4.0 module, 6 degrees of freedom of the human body (Directions of Free, DoF) parameters through the inertial measurement unit (Inertial Measurement Unit, IMU), and fall detection algorithm which can detect an unexpected fall in a timely manner. Finally, falls information detected by low-power Bluetooth (Bluetooth Low Energy, BLE) can be sent to the Android port. The device's Bluetooth with Android interacts with this companion APP on client’s phone, which can let people know the status of older persons in the family so as to know the accidental fall of the elderly.

Key Words：falling accident; CC2541; MPU6050; fall detection algorithm; BLE

1绪论

1.1研究背景及意义

人类历史上的第一台通用计算机“ENIAC”于1945年（一说1946年）在美国的宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania ，著名的八所常春藤高校之一）诞生^[1]，与此同时伴随着物联网相关技术与电子信息数字媒体的飞速发展和不断进步，使得相关的物理元器件变得更加的微型化，集成化程度变得更高，“埃尼阿克”诞生的开始以令人意想不到的速度向前迅猛发展，让当今人类迈入到了一个全新的数字与信息化时代^[2]。就拿现在来说，我们所接触到的计算机，其微型化已经达到一定程度，但是与计算机有关的功能应用和产品及设备的外观正围绕着人性化方向发展。虽然可穿戴设备已成为国际热门研究的新宠儿，但国际上对可穿戴设备还没有一个统一及明确的定义。多伦多大学的史蒂夫曼给了可穿戴智能设备以下定义，他指出可穿戴智能设备是具有持续性，可操作性和互动性这三个特性，并且能够被穿戴者轻松操作的智能设备。从以上内容可以看出来，可穿戴智能设备不仅是软件技术和硬件技术的结合，而且具备强大的可靠性及人机交互等特征^[3-6]。

与此同时，人口老龄化已成为当下全球比较突出的问题，绝大部分国家正遭受着人口老龄化^[7-8]。基于我国的国情，人口基数大、增长速度快，老龄化的进程将不断加快，使国内有限的医疗资源无法满足大众的需求^[9-10]。因此，我们就要寻求相关技术，能够实现人们在不用去医院的情况下就能获得个人身体情况的实时信息，这样才能高效利用我们有限的医疗资源。从而使我们在提高大众的生活质量的同时，还能有效减轻社会的压力。在信息技术高速发展的背景下，可穿戴智能设备便应运而生，其被认为是一种能够高效地实时监测人体状况的设备，能够使实现个人健康信息与医疗资源的无缝对接。正因为此，对可穿戴设备的研究势在必行^[11]。

由于互联网的快速发展，以及低成本高性能低功耗的无线芯片问世，智能穿戴设备逐渐进入产业化发展阶段^[12]。智能穿戴设备相关的创新应用也不断入世，应用主要体现在生活健康，信息传递，体感控制等方面。其中与生活健康相关的有小米手环，信息传递的相关设备包括Watch，VR等等。体感控制方面有Kinect，Xbox等^[13]。可穿戴设备虽然产品众多，但是仍然存在很多明显的问题，例如大部分的产品都依托于智能手机，是对手机功能拓展，平移。而且大部分的产品费用较高，很难被人们接受，也更难去普及这一块市场^[14]。

可穿戴设备与4G、WIFI、蓝牙等无线通信技术的结合在传统产业优化升级中起着不可估量的作用，它可以使人们的衣食住行以及生活用品等传统产业的产品在日常生活中变得信息化与智能化。同时也会使传统行业重新探索用户新的需求^[15-18]。可穿戴设备的易携带性和便移动性，要求可穿戴设备从其体系构架底层开始就能够支持副传感，从而实现设备对人及其周围环境的感知，进而提高人们的办事效率。从中可以看出，将无线通信数据传输技术引入到可穿戴设备的领域中具有多么大的意义^[19]。

低功耗蓝牙设备在面对人们运动时生理信号，行为信号的实时采集，对人们随时变化的主观意识的判断，这些信号的稳定传输等挑战，这样我们就需要将身体传感网络层次体系结构进行深度剖析，进一步寻求超低功耗及高可靠性组网通信和信息流模型的方法。总体上说，把无线通讯在可穿戴智能设备上灵活可靠的实现，具有非常的重要意义^[20]。

随着多学科融合度越来越高，可穿戴技术正逐渐成熟，该技术为今后移动无线通信、嵌入式系统及软件等相关热门研究领域的更新换代提出了更多更高的要求和挑战，同时为人机关系带来了巨大变革，为人与计算机的自然交互提供了相关理论依据和技术条件。此外，随着移动终端的普及化将会使国内的可穿戴智能设备市场迅速的发展壮大起来^[21]。

综上，在本着人性化和用户友好的前提下，可穿戴设备逐渐成为社会关注的热点，为社会带来更多的经济效益和价值，为物联网技术及嵌入式系统等相关技术的发展打下了良好的基础。

1.2 国内外的研究现状

全世界诞生的第一个具有可穿戴智能设备概念的计算机，它是由麻省理工大学（MIT）的数学讲师爱德华.奥克利.索普与著名的应用数学教授克劳德.香农两人在上世纪60年代共同合作研发出来的，其最初是应用于轮盘赌的鞋式可穿戴设备。史蒂夫.曼(Steve M)紧接其后，在1980年，研发了一款基于Apple-II的身背式的可穿戴计算机设备原型。在后来的十几年里，随着技术的不断成熟，以及用户对计算机需求的不断改变，人们开始趋向于要求智能设备的小型化、易携带、低功耗以及高性能。从而使全世界各个国家和地区的大学以及研究机构都积极参与到智能可穿戴设备的研究领域中来。

在上世纪90年代末，我国也针对可穿戴智能设备进行了自主研究开发，并取得了傲人成就。期间中国电子科技大学、重庆大学和哈尔滨工业大学、清华大学等等率先对可穿戴智能设备进行研究，并且研究成果突出。其中哈工大于2000年12月推出了一款可穿戴计算机的演示系统，在国内可穿戴智能设备这一块，交出了第一份答卷。

总体上，国内存在着这样一种现状，国内很多人争先模仿国外的一些高端产品，导致国内智能穿戴产品市场创新能力较弱，产品较单一。与国外相比较，我们仍有很大的努力空间，在某些领域正争取做到第一。

1.3 论文主要研究内容

本文所设计的可穿戴式摔倒监测节点设备，旨在不影响被监测者正常日常活动的基础上从可穿戴智能设备自身的特点出发，以可穿戴计算相关技术、微型IMU传感技术、低功耗蓝牙技术和无线数据传输技术的研究为基础。

2可穿戴技术背景

2.1可穿戴技术应用

可穿戴式摔倒监测节点设备是可穿戴技术在人体健康检测领域的最具代表性的应用，论文中所研究设计的可穿戴式摔倒监测节点设备，以不影响被检测者正常的活动为前提，实现对人体跌到数据的采集。目前，国际上学术界和工业界均已开发出相关的可穿戴智能设备，但不管是面向智能健康还是智能家居的应用，设备的能耗总是不可忽视的因素，高耗能使设备无法正常工作，严格的佩戴方式给被监测者日常生活带来了很大的不便，而且只能从数据流中给出大概的行为模式。同时这些可穿戴装置进入越来越多的用户视野，微型化、低功耗相关技术将会被大量运用到可穿戴领域。其中MEMS六轴传感器和低功耗蓝牙4.0技术对可穿戴式摔倒监测节点设备影响最大。

2.2 MEMS六轴传感器

传统的惯性传感器由于其本身积大、成本高、能耗大的缘故，所以主要应用于军事和航空航天这样的领域。近年来，微电子机械系统（MEMS）技术的广泛应用，使得惯性传感器造价不再那么高昂，重量、体积和功耗也随之大幅度降低。这些惯性传感器是由可以获取实时加速度值、角速度值及磁场强度值等传感器构成，相比较传统惯性传感器，电路可单片机成、可大批量生产等特点使得MEMS具有较高的可靠性，在应用领域的不断扩大的影响下，MEMS惯性传感器的种类也呈多样性出现，其性能和精度也得到大大提高，能耗和成本则大大下降。

2.2.1 MEMS加速度传感器工作原理

MEMS加速度传感器是用来测量载体加速度的电子传感器，主要是由悬挂系统、一个固体质量块和检测电路组成的，质量块的位移变化即代表载体加速度变化的，因此可以通过测量位移间接转化为测量加速度值。加速度计可以跟进测量方式分为多种类型，例如我们经常使用到的有电容式、压阻式和压电式等，较其他种类而言，电容式是最成功的检测方式，主要是对载波结构简单、稳定性好、功耗低的载体进行监测，虽然电容式加速度计具有非线性问题，但我们可以利用反馈控制来减小其非线性。微机械加速度传感器对于一般情况下，由微机械加工技术实现，从而导致这种结构是适用于单芯片的，我们可以通过另外的配置电路和芯片结构来解决这个问题。同时，我们可以利用表面牺牲层处理技术实现单芯片结构，其灵敏度往往较低，但表面工艺可以和CMOS工艺互相兼容，这样便能实现器件的单片机成。

2.2.2 MEMS陀螺仪工作原理

MEMS陀螺仪是用于测量载体角速度的传感器。一般情况下，传统的微机械陀螺可以根据不同的块体的质量来分为以下两种：振动式和旋转式；根据不同的驱动方式大致可分为四类驱动方式：驱动静电、电磁驱动、压力驱动和热驱动。在我们日常生活中最常用的MEMS陀螺是振动类型，它是基于科里奥利效应工作原理。

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