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基于WSN的穿戴式人体姿态与健康监护系统的研制

作　者: 李声飞
导　师: 何伟
学　校: 重庆大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 穿戴式监护无线传感器网络姿态/心率检测步态跟踪加速度传感器
分类号: TP277
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 185次
引　用: 2次
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内容摘要

随着社会老年化问题加剧,人们对老年人的健康日益关注,监测老年人日常运动姿态和生理信息、评估老年人的健康状况,具有重要的社会意义。穿戴式技术应用于老年人健康监护,实现低生理、心理负荷下人体生理信号动态获取,已成为医疗监护领域的研究热点。开发新型的可穿戴式医疗监护仪,在老年人日常健康监测、病人康复治疗等方面有重大的实用价值,将成为新医疗模式下重要的健康监护、诊断和保健设备。目前,国外在健康监护领域的研究成果颇丰,而国内该领域的研究正处于起步阶段。随着人们家庭保健意识的增强,穿戴式医疗监护技术将具有广阔的应用前景。本文研究了一套基于无线传感器网络的可穿戴式人体姿态与健康监护平台,能实时检测和显示人体姿态和生理信息。论文主要包括以下几个方面:1.介绍了无线传感器网络的基本概念,详细分析了ZigBee2006协议栈各层功能,在此基础上进行项目需求分析,提出了监护系统总体方案:系统由可穿戴式节点(4个子节点和1个中心节点)和PC机人机交互界面组成。穿戴式节点佩戴在人体不同部位,检测运动加速度信息,并通过无线网络将数据传给PC机,PC机上研究算法处理加速度数据,实时检测人体姿态、心率信息,并跟踪步态运动。2.结合项目需求设计了传感器节点硬件电路。采用单芯片SOC设计思想,大大的缩小了节点体积;选取低功耗芯片,并设计节能电路,延长了节点的工作寿命;基于微带线理论,设计了倒F型PCB环状天线,提高了射频通信的稳定性。3.设计了健康监护系统的软件部分。系统软件包括上位机部分和下位机部分,下位机软件主要负责采集人体运动加速度数据,采用频分复用方式和ZigBee2006协议搭建通信平台,收集并传输各子节点数据到中心节点。上位机部分研究和实现了姿态/心率检测、步态跟踪算法,接收和处理加速度数据,并设计人机交互界面实时显示加速度波形、姿态/心率信息。实验结果表明,该系统能够实时检测人体姿态/心率状况、跟踪步态运动,较好的实现了健康监护功能,且具有体积小、功耗低、准确性高、可扩展性好、性价比高等优点,可应用于老年人活动检测、健康监护等领域。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-15
  1.1 课题背景及研究意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 远程健康监护研究现状  9-12
    1.2.2 人体姿态检测的研究现状  12-13
  1.3 本文主要工作及章节安排  13-15
2 ZIGBEE 无线传感器网络介绍  15-21
  2.1 无线传感器网络技术概述  15-16
    2.1.1 无线传感器网络的研究现状与发展趋势  15
    2.1.2 无线传感器网络的应用  15-16
  2.2 ZIGBEE 技术概述  16-17
  2.3 IEEE 802.15.4 协议  17-18
    2.3.1 物理层  17
    2.3.2 MAC 层  17-18
  2.4 ZIGBEE 协议栈  18-21
    2.4.1 ZigBee 协议框架  18
    2.4.2 ZigBee 协议网络层  18-19
    2.4.3 ZigBee 协议应用层(APL)  19
    2.4.4 ZigBee 网络拓扑结构  19-21
3 监护系统总体框架设计  21-25
  3.1 系统需求分析  21
  3.2 无线通信方案选择  21-22
  3.3 系统方案设计  22-25
4 电路设计  25-35
  4.1 系统硬件结构设计  25-26
  4.2 主要芯片选型  26-30
    4.2.1 微处理器及无线芯片选型  26-28
    4.2.2 传感器的选型  28-30
  4.3 原理图设计  30-35
    4.3.1 RF 射频电路  30-32
    4.3.2 滤波放大电路  32-33
    4.3.3 电源电路  33-34
    4.3.4 电路设计注意事项  34-35
5 系统软件设计及实现  35-55
  5.1 基于频分复用的多点通信平台的实现  35-43
    5.1.1 频分复用通信原理  35-36
    5.1.2 终端节点软件设计  36-41
    5.1.3 中心节点软件设计  41-43
  5.2 基于ZIGBEE2006 星型网络通信平台的实现  43-51
    5.2.1 ZigBee2006 协议栈文件结构  43-44
    5.2.2 配置应用层特征信息  44-46
    5.2.3 星型网络组建  46-48
    5.2.4 AD 采样任务添加  48-51
  5.3 上位机软件界面设计与实现  51-55
    5.3.1 制定数据通信协议  52-55
6 数据处理算法研究  55-61
  6.1 姿态检测算法  55-56
  6.2 心率检测算法  56-57
  6.3 步态跟踪算法  57-61
    6.3.1 建立人体运动模型  57-58
    6.3.2 步态跟踪算法研究  58-61
7 实验及结果分析  61-79
  7.1 实验平台搭建  61-65
    7.1.1 频分复用平台测试  61-63
    7.1.2 ZigBee 网络平台测试  63-65
  7.2 实验设计  65-66
  7.3 实验结果分析  66-79
    7.3.1 心率检测实验结果及分析  66-69
    7.3.2 姿态检测实验结果及分析  69-73
    7.3.3 步态实验结果及分析  73-79
8 结论与展望  79-81
  8.1 结论  79-80
  8.2 后续研究展望  80-81
致谢  81-83
参考文献  83-87
附录  87
  作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  87

基于WSN的穿戴式人体姿态与健康监护系统的研制

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