基于AndroidOS平台和蓝牙技术的电池供电智能人体运动测量设备外文翻译资料

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基于AndroidOS平台和蓝牙技术的电池供电智能人体运动测量设备

介绍

人体运动机能测量与分析方法的面世，是辅助系统有效促进残疾人生活的里程碑之一。 尽管大量有用的辅助系统和希望治疗的报告表明了这一点，但仔细审查之后发现这种说法仍然缺乏长期的有效的证据。这是因为残疾治疗设备昂贵，体积庞大且数量不足，还对培训临床人员操作有一定的要求。有限的资源用于长期的辅助治疗是辅助设备未充分利用的另一个潜在原因。 综上所述，为了正确实现主要的以及辅助装置的功能，非常重要的一点是收集运动学数据，并提供某些参数的测量知识，所述参数在使用例如功能性电刺激器用于期望的辅助/治疗时将会产生更好的结果治疗。 还必须更加注意辅助设备的小型化和便携性，还有测量设备的选择。此外，对于依赖于测量结果的设备或系统功能的任何改进措施，都有必要进行考虑。此外还要有可视地显示出获取的数据的功能。因为实验测试虽然大多精确，但需要对运动测量进行进一步的调整，并且设备往往没有足够的资源进行大量测量。

预计随着残疾人新一代辅助系统的发展，便携式设备硬件和软件的也将迎来快速发展，其中最引人注目的就是智能手机和平板电脑，他们被定义为小型便携式高容量计算机（手持设备）。手持设备是用于执行各种系统的监控和控制的人机界面（HMI）的“工具”。他们可以通过图形用户界面（GUI），在指定的时间段内显示出测量的历史记录，从而在显示器上立即显示并报警，是否报警取决于你所定义的阈值，而这些都可以通过监视数据发展的趋势和数据的采集来实现。通过某些物理量的值的测量，向警报系统发出命令，再通过远程控制某些应用，可以用于进行远程的测量工作。

由于许多人使用手持设备获得了许许多多的资源来执行简单和轻量级的测量，用户只需按照说明将设备的测量部分连接到身体适当位置，并在手持设备上运行应用程序即可。

在新开发的数据采集和处理方法中的应用中，使用MEMS传感器可以改善步态分析，还可以进行通过提供姿势调整的信息来改善年轻人在身体发育期间的脊柱和肩部的位置分析。 除了上述用途，此方法还可以应用于客观运动的评估之中，还有疾病治疗的进展及效果，以及所应用的运动控制策略的效率等（例如在功能性电刺激期间）。

系统结构

我们建议测量系统使用主处理器（PIC18F25J10），仅通过蓝牙模块收集原始测量数据，并将其发送到Android手持设备。 实时数据的采集是通过使用Android 应用开发软件，在手持设备中完成。 微控制器单元（MCU）的主要作用是通过串行外设接口（SPI）协议与传感器交换数据，并通过通用异步接收器/发送器（UART）协议与蓝牙模块交换数据。在与传感器的通信中，MCU代表一个SPI主设备，它会启动传输任务，并且实现与SPI从设备（MPU-6000传感器）的通信功能。 与基于在蓝牙协议栈中实现蓝牙模块的通信不同，SPP配置文件定义了两个对等设备之间的射频通信（RFCOMM）的使用协议，他会按照建立模拟串行电缆连接所需的蓝牙设备的要求进行配置。 这种方法可以用于实现各种数学计算和滤波器的设计，以便应用于Android应用程序，而不需要用其他工具重新测量角度和轨迹。系统可以选择低功耗模式或者是极低功耗的睡眠模式， 这也是为什么测量系统要由电池供电。 设备被放置在50x50x30mm的包装之中。

测量装置采用6轴一体式运动测量传感器运动处理单元（MPU-6000），该单元将3轴陀螺仪，3轴加速度计和数字运动处理器（DMP）组合在一起，采用小型4x4x0.9mm封装。 传感器配置是通过在适当的寄存器中输入数据来完成的，该寄存器是唯一存储地址的特征，而传感器数据的评估是通过指定的唯一存储器地址的读取来完成的。 对于快速和慢速运动的精确测量，这些器件具有plusmn;250，plusmn;500，plusmn;1000和plusmn;2000°/秒（dps）的精度范围，包括用户可编程陀螺仪满量程范围和一个用户可编程加速度计，量程范围为plusmn;2g，plusmn;4g，plusmn;8g和plusmn;16g 。

蓝牙模块支持蓝牙协议栈的版本为蓝牙2.1。 在睡眠模式下，电流消耗仅为26mu;A，Android应用开启RFCOMM通道时消耗电流为3mA。根据制造商的说法，蓝牙模块和Android设备内的蓝牙模块之间的无线通信覆盖区域约为20米。构造的印刷电路板（PCB）是双向的，其一侧安装有蓝牙模块，而另一侧安装有带运动传感器的MCU。

当为残疾人建立辅助系统时，传感系统需要确保自己能够对来自目标轨迹的扰动进行预测性自动适应的作用。 为了便于在MCU和Android应用中实现测量电路的重新配置，实施了工业Modbus协议。

测量设备是Modbus从站，Android设备是Modbus主站。当使用Modbus协议时，只需要定义输入/输出寄存器的Modbus映射，以便不熟悉C（MCU编程）或Android编程语言（编程Android应用程序）编程的终端用户能够简单地根据需要配置来测量设备。 在关节运动范围减小的情况下，Modbus允许设备的编程在Android应用中仅使用可编程按钮。 这种方法能够使单位适应不同的目标群体（有和没有运动残疾的人），这有助于对假肢和辅助装置进行适当的测量和后续管理。

蓝牙通信标准

蓝牙是低成本，低功耗，小尺寸，短距离，强大的无线技术。 蓝牙接口在工业，科学和医疗（ISM）无线电频段使用短波无线电传输频率范围为2400 - 2480 MHz。

蓝牙是广泛使用的商用无线协议，目前在无线网络内同时可实现同时由7个蓝牙模块进行数据的采集和传输。蓝牙协议栈分为硬件实现的三层（无线电，基带，LMP） 和软件实现的三层（HCI，L2CAP和RFCOMM），最高层是用户应用程序的代码，通信协议包括：传输，中间层和应用层协议[16]。

为了避免蓝牙设备对ISM频段中的其他设备造成干扰，蓝牙使用“跳频扩频”（FHSS）技术，在每次传输后，信号从一个频率传输到另一个频率。 在蓝牙传输的世界中，这意味着蓝牙无线电在发送或接收任何数据包之后不断改变ISM频段的频率。 结果是蓝牙传输可能与其他设备发生干扰的频率不能保持很长的时间。 根据蓝牙协议的规范， 蓝牙无线电可以在2.402 - 2.480 GHz频段内更改频率1600次，范围为1 MHz。

诸如FHSS，前向纠错（FEC），自动重传请求（ARQ），短传输单元和快速确认等特性使蓝牙对于在ISM频段产生信号的附近设备的干扰非常敏感。

ANDROID OS平台

移动手持设备（如智能手机和平板电脑）最流行的操作系统是基于Linux的开源Android操作系统，由于其开放源代码性质，该操作系统受到了广泛欢迎。Android是一个所谓的软件堆栈，由操作系统（中间件） 和一些提供重要功能的程序组成。 具有特定硬件的通信操作系统使用Linux2.6内核，它是操作系统的核心。 Linux内核会执行内存管理功能和必要的过程。 内核包含逻辑接口，可以使硬件抽象层与下一个较高层进行通信。 通过采用这种方法，内核依赖于所使用的特定硬件的系统，从而允许在多个不同设备上移植Android操作系统。 内核层之上集成了一组软件的层，它用于控制应用程序和内核之间的连接。该层最重要的元素是Dalvik虚拟机，它提供Java运行环境，以及支持Java源代码的实际执行。 Dalvik机器设计为注册机，与普通的Java不同，它是一台机器，它是一个下推自动机或堆栈机器。 由于大多数手持设备都使用ARM架构微处理器，因此这种虚拟机设计可以使每个设备内的流程执行得更有效率，特别是每个新流程启动一个单独的Android Dalvik引擎以处理其自己的Linux流程。 结果是单个程序不会危及他人或导致系统中断。

值得注意的是，Android系统的特殊之处在于应用程序可以通过系统发送指令 - 系统消息（Intent）来启动另一个程序。

机器人在运动测量中的应用

Android设备开发软件基于Java编程语言，可以通过使用必要的免费（开源）软件工具来实现，例如：Android软件开发工具包（ SDK ） 工 具 ， 用 于 Java 和 Android 开发工具（Eclipse插件）的Eclipse集成开发环境。Android 平 台 允 许 使 用 蓝 牙 应 用 程 序 编 程 接 口Bluetooth API），该接口实现了蓝牙协议的设备之间的通信。 实现设备之间的通信包括四个步骤：设置蓝牙设备，在局域网中搜索可能的匹配或匹配设备，连接设备并在设备之间传输数据。开发的Android应用程序包含测试阶段的所有必要功能。在此之后，创建以下组件：连接设备，应用程序命令到处理器读取传感器数据，处理接收到的数据和计算角度（滚动，俯仰和偏航）。 按下菜单栏中的“连接设置” 后，连接过程开始。 通过按菜单栏中的“Modbus帧配置”，用户可以选择他想要执行的操作，可以从传感器读取数据或配置设备以测量慢速或快速移动。当应用程序检测到点击按钮 “sendRTU” （方法“OnClickListener”）时，字符将通过蓝牙通道发送到蓝牙模块，蓝牙模块通过UART通信协议将其传递到微控制器。微控制器在中断程序中从UART读取字符，并向应用程序（通过蓝牙通道）返回响应（传感器从SPI读取）。 该响应将显示在文本视图框“蓝牙响应”中。图4显示了运动传感器和手持设备之间的通信原理在该系统中的应用。表I提供了所提议的系统组件的功耗（来自各个制造商）的信息。所有列出的元件均由3.3V主稳压器供电。要执行单个部件（单片机，传感器和蓝牙模块 - RN42）的功耗测量， 必须对微控制器进行重新编程，以关闭其他外围设备。然而我们无法测量没有蓝牙模块的设备的功耗，因为它是由主电压调节器供电的。通过将模块的RESET引脚保持在低电平（使用连接到蓝牙模块的复位引脚的微控制器数字输出引脚），可以将蓝牙模块置于“睡眠模式”。传感器作为外设通过使用片选（CS）引脚 - 微控制器的数字输出引脚来打开和关闭。表2列出了我们为该系统获得的功耗测试结果。 我们使用仪器Fluke 115 TRUE RMS万用表，进行的所有测试均具有四位数字，最小值可测量1mA的电流。 仪器的准确度为1.0％

3（plusmn;（[读数的％] [计数]）））。

当分析表II中所示测试结果并将它们与表I中所示的各制造商给出的功耗进行比较时，我们可以得出结论，即测试结果在制造商定义的限制内。 基本状态（表II中的第一行）的总测量电流为10mA，其中微控制器处于活动状态（功耗范围为6.1至15mA - 表1中的第一行）蓝牙模块处于睡眠模式（典型功耗为0.026mA - 表I中的第三行），属于制造商给出的范围。当传感器的功耗（使用CS引脚）被添加到上述基本状态时，总测量电流为14mA。 由于仪器的分辨率为1mA，因此可以得出结论：传感器的功耗接近制造商定义的3.9mA（ 总状态功耗14mA ，基本状态10mA 功耗） 的典型功耗（Table一世）。

如果让让处于活动状态的处理器和传感器以及通信通道处于打开状态（蓝牙模块与Android应用程序之间），总功耗为37 毫安（表II）。 在这种情况下，相对于之前的状（测量的14mA - 表II），功耗的差异是23mA，这接近于由制造商给出的数据。

最后，当所有外设都处于活动状态并且从设备传输数据到Android应用程序时，测量的功耗为49mA（表II）。表II的关键数据是峰值电流值。峰值电流必须小于电池允许的最大放电电流。当蓝牙模块等待主设备（Android应用程序）启动射频（RF）频道打开时，会产生峰值电流。

结论

运动功能障碍是因为发生了中枢神经系统损伤而产生的后果。 对于之后运动障碍的临床评估，有必要学习人体运动的运动学，这些学科知识包括关节旋转和加速度等。 这可能对设计适合于患有各种运动障碍的人的辅助装置由极大的好处。目前市场上的手持设备为处理和显示各种类型的测量提供了灵活的解决方案，其中就包括人体运动学。 我们在基于MEMS集成三轴陀螺仪，三轴加速度计和DigitalMotion

Processortrade;的电池供电的小型便携式移动设备中实施了该解决方案。 设备实现了通过蓝牙模块与Androidgadget进行通信的功能，从而能在开发的Android应用程序中实现数据采集的功能。

我们在拟议系统时的目标之一就是调用并且实现已经测试过的用于平面系统运动分析的数学函数，这个函数提供了一定的测量精度。在Android应用程序中使用AndroidOS系统，可以使用各种类型的通过过滤器改进开发的系统。 只要传感器读取不同频率范围内的数据，就可以添加数据以提供备用的处理。实施尽可能多的过滤器和适当的数学算法，在数据处理中不同方法的比较分析的基础上，出现其他估计的目的将对开发有着潜在的影响，这可以使有运动残疾的人的生活更加美好。

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