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老人肌电采集和跌倒检测、动作识别.rar

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    编号:20180825165428757    类型:共享资源    大小:7.23MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-25
      
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    老人 采集 跌倒 检测 动作 识别
    资源描述:
    Mouser2014 智能硬件创新设计大赛项目报告题 目: 便携式人体肌电采集仪及老人跌倒检测系统设计 公 司: HIKVISION 指导教师: 席老师 (备注,自己已经工作,这次比赛是延续大学期间做的项目,并在一些学校同伴和老师的帮助与指导下完善的)视频观看地址:http://v.youku.com/v_show/id_XODg1MjY1NjAw.html题 目: 便携式人体肌电采集仪及老人跌倒检测系统设计 关键词: 表面肌电信号;信号采集;液晶显示;STM32 处理器; nRF24L01; 蓝牙模块;跌倒检测 摘要 概述项目内容,简单介绍所实现的系统 (100-150 字左右)设计表面肌电信号电路采集人体腿上的表面肌电信号,再配合压力传感器采集足底压力信号,STM32 处理器实现信号转换和信号处理,绘制表面肌电图(sEMG)和压力信号图,通过特征提取、模式识别等方法,判别人体的简单动作并做跌倒动作识别,将跌倒检测结果通过蓝牙发送至手机端,报警提示。1. 引言简述系统设计的背景、目的、和所要解决的问题。1.1 设计背景(1)表面肌电信号肌电信号作为生物电信号的一种,是产生肌肉动力的电信号根源,它是肌肉中很多运动单元的动作电位在时间和空间上的叠加,很大程度上上反应了神经、肌肉的运动状态。从获取肌电信号的来源来看,一般有两种,一种是通过针电极插入肌肉获取,即针式肌电信号,其优点是干扰小,易辨识,但是会对人体造成伤害;另外一种通过电极片获取人体皮肤表面的肌电信号,即表面肌电信号(sEMG),这种方法比较简单,对人体也没有伤害,比较常用。本设计中采集的是表面肌电信号。表面肌电信号可以从人体很多部位获取,比如小腿、大腿、腰、后背、颈部等,从不同部位获取的表面肌电信号携带着相应部位的运动和功能信息。例如,腿上的肌电信号反应腿部的运动状态,如行走、跑步、蹲下等。将表面肌电信号用于研究人体运动状态有着非常重要的价值。在医疗康复工程中,表面肌电信号可以用于病人治疗,在仿生学中,表面肌电信号可以用于人工假肢的研究。(2)足底压力信号足底压力分布情况可以反映出人体足部以及腿部的信息。当人体处于不同的动作状态时,足底压力分布也会不同,通过检测和分析足底压力与相关参数,可以获取人体一些基本的运动状态,这就使得对足底压力检测的研究可在医疗保护方面得以应用。足底压力分布测量已经进行了 20 多年的研究,其发展历经了足印技术、足底压力扫描技术、测力板与测力台技术、压力鞋与鞋垫技术,其中,压力鞋和鞋垫能够实时测量连续的补胎压力分布,便于进一步数字化分析处理,应用前景越来越被看好。(3)跌倒检测由于跌倒现象在老年人中的普遍存在以及由此引发的一些社会问题引起了民众的高度关注。研究人员在跌倒检测方面投入了很多努力。近年来已经发展了一系列技术,主要有基于穿戴式传感器的跌倒检测、基于场景装置的跌倒检测和基于视频装置的跌倒检测等。Lord 和 Colvin 在 1991 年时推出的装有加速度计的装置来检测跌倒。我们这次主要根据表面肌电信号和足底压力信号来判断跌倒。采集人体各种运动时候的表面肌电信号,根据信号特征来判断人体动作状态。这次设计后来顺便加入了足底压力信号,该信号只是为了提高检测判断的准确性,也是为了一起研究一下这个信号。1.2 设计目的这次研究表面肌电信号采集主要有三点原因,一是自己在大学本科期间随老师接触过一些表面肌电信号研究方面的知识,比较感兴趣;二是希望借这次MCU 设计大赛可以自行设计出一个简单的表面肌电信号采集系统和足底压力信号采集模块,并可以根据这些信号实现简单的功能(简单动作识别、跌倒判断等)。1.3 拟解决问题便携式肌电信号采集系统及人体动作识别主要包括三个部分,自行设计表面肌电信号采集电路;分析信号的特征,做简单的动作识别;信号显示与报警。简单列一下需要解决的问题:1)怎样用电极获取到较好的表面肌电信号;2)设计怎样的放大滤波电路,去除一些电磁、工频等噪声干扰;3)足底压力信号如何获取;4)各模块之间如何通信,可以考虑 nRF24L01 和蓝牙;4)电源如何设计;5)信号显示模块怎么设计;6)根据信号特征做怎么判断动作,怎么识别跌倒;7)手机客户端(安卓手机上的报警提示)如何设计。在下一节系统方案中,将详细介绍这类需要解决的问题。2. 系统方案 详细说明系统设计的整体思路,用模块的形式指出系统设计的各个关键点,并指出其中使用的关键算法2.1 整体设计图 2-1 为整个系统的设计框图:图 2-1 系统设计框图从上面设计框图中可以看出,系统主要由两条线构成,一条是表面肌电信号模块信号流,这是主线,另外一条是足底压力信号流,这是辅线。前文已经提过,该项目主要研究表面肌电信号,足底压力信号是临时加的,在跌倒判断中也是辅助参考的信号,主要为提高准确度。从测试来看,仅根据表面肌电信号就可以做判断。因此我们将足底压力信号流作为辅线。2.2 系统设计关键点下面将详细介绍各部分的设计关键点和一些问题。表面肌电信号幅度小,信噪比低,通过电极获取人体表面肌电信号往往有很多电磁辐射、检测仪器的噪声等干扰,因此我们需要设计一个高共模抑制比的小信号采集电路系统。我们选用 FSR 系列的压力传感器。 FSR402 由高分子聚合物薄膜构成,长度为 53mm,敏感部位直径 7.6mm,厚度 0.3mm,具有纤薄、轻柔、小巧等特点,适合足底压力检测。FSR402 压力传感器会随着压力的变化电阻值发生变化,且在一定范围内有良好的线性关系,压力越大,其阻值越小。(1)电极选择:采集表面肌电信号,使用的是表面电极。表面电极按材料和形状分类也有很多种。设计中,所采用的是用于心电采集的 Ag/AgCl 电极片,主要原因是它所引入的噪声比较少,而且价格也比较便宜,贴在皮肤上并不会感觉不舒服。(2)仪表放大器:表面肌电信号十分微弱,幅值范围一般是 10-5000μV,此外因人的年龄和身体状况不同也会有较大差别。采用仪表放大器设计一个高共模抑制比的小信号采集系统,衰减可能会引入的电场、磁场、工频、电极接触噪声等干扰从而得到更加干净的信号以供后续的研究。仪表放大器的型号,各项参数以及仪表放大器的失调和漂移在设计中都需要考虑。(3)滤波与放大:表面肌电信号的主要频谱集中在 10 Hz 到 500 Hz 之间,因此需要设计高通和低通滤波器衰减频率范围外的噪声而保留有用的信号。此外电路的放大倍数在设计中需要测试。(4)电压抬升:采用电极获得的表面肌电信号是两个电极之间的差模信号,有正有负,如果要实现信号的模数转换,需要将信号电压范围抬升到 0mV 以上,考虑到转换精度还需将信号的抬升到 A/D 量程的 1/3 ~ 3/3 之间为好。电压抬升需要选择一个稳定的电压基准芯片。(5)足底压力信号:采用 FSR 压力传感器根据电阻值大小可以设计一个分压式信号采集电路,信号基本也都是伏特级,无需放大抬升。(6)信号转换:要实现信号的分析处理,需要将得到的模拟信号转换成数字信号。考虑到肌电信号的微弱性,放大后一般为 300-1000mV 之间,为了准确捕捉信号的特征,需要 A/D 转换芯片的精度、分辨率和速度要足够高。 A/D分辨率在 10 位以上较好。表面肌电信号的采样率一般在 1.5-2K 之间为好。(7)微处理器:ST 系列的微控制器 STM32F103C8T6 具有 12 位 A/D 转换器,满足 A/D 的分辨率要求,精度和速度也都可以,此外功耗也比较低,而且它具有其他非常实用的外设,串口、SPI、PWM 、比较多的 IO 口等。(8)绘制表面肌电图和压力信号图:将动态变化的表面肌电信号和足底压力信号绘制成曲线,由于 A/D 的采样率较高,其中不免涉及到大量的数据刷新,因此如何绘制曲线、刷新数据才能保证较高的实时性。(9)简单动作判断:得到表面肌电信号后,最好可以根据数据特征,判断一些简单的动作。这里需要说明一点,关于表面肌电信号的动作识别这一块涉及到许多模式识别的算法,而自己本科阶段接触不多,所以只能使用一些简单的方法判断一些简单的动作,在准确度和误判率上难以保证,这是本次设计欠缺所在。(10)无线通信与蓝牙模块:足底压力模块与表面肌电模块是两个独立的模块,需要通过无线通信手段将其中一个信号发送到另一个模块上一起处理。因为之前 nRF24L01 调得比较多,这里就直接用了 nRF24L01 模块实现数据传输。3. 系统硬件设计详细介绍系统各个模块的硬件实现过程,包括电路系统仿真,说明采用关键器件的理由及关键部分的原理图 (不得大量复制原理图和 PCB 图,更多用框图的方式示意,仅对能体现工作量和创新的部分提供原理图,评委有权对滥用原理图的论文扣分)3.1 硬件设计框图图 3-1 表面肌电模块硬件设计框图表面肌电模块硬件设计部分,主要是四个模块:模拟信号模块,微处理器模块,TFT 显示模块、蓝牙模块和电源模块,上图已用不同颜色加以标记。图 3-2 足底压力模块硬件设计框图3.2 分立硬件模块介绍 差分放大电路通 过 FSR传 感 器 获 取 足 底压 力 信 号电 阻 分 压 电 路STM32处 理 器TFT显 示无 线 发 射 模 块电 源 模 块从上面流程图中可以看出,模拟信号模块是表面肌电信号采集系统的主要部分,而差分放大电路又是模拟部分的核心,它直接关系要表面肌电信号的质量。差分放大电路是将从表面电极获取到的微弱的肌电信号实现差分放大。因为表面肌电信号非常微弱,人体表面又有工频等各类干扰,使用高共模抑制比的仪表放大器可以获取有效的差分信号而大幅衰减其中的共模干扰。常用于肌电信号采集的仪表放大器有 AD620、INA128,这两款仪表放大器的共模抑制比都在 100dB 以上,具有非常宽的供电范围,噪声低,功耗低,精确度高。这次使用的仪表放大器是从美国德州仪器(Texas Instruments)公司申请的 Burr-Brown系列的 INA128。INA128 是低功耗、高精度的仪表放大器,它是用通用的三运放设计的,具有非常宽的增益范围,依靠其外接电阻 可以实现 1-10000 的任一增益。GR下面是 INA128 的详细性能参数:1) 低偏置电压:最大 50μV2) 低温度漂移:最大 0.5μV/℃3) 高共模抑制比(CMR):最小 120dB4) 宽电源电压范围:±2.25 至±18V5) 输入保护电压至±40V6) 低静态电流:700μA图 3-3 和图 3-4 是 INA128 的引脚图和增益公式。图 3-3 INA128 引脚图 图 3-4 INA128 增益公式差分放大倍数设计在 40 倍左右,所以其匹配电阻 取 1.2K。电路图非常简GR单,只需在上图 INA128 的 1 号和 8 号引脚间串一个电阻 即可。 滤波与二级放大电路滤波与二级放大电路是在一起的,初次设计并没有使用太复杂的电路,只使用了电阻、电容和集成运放搭建而成,集成运放使用的是 LM324。LM324 是四通道低功耗集成运算放大器,具有差动输入、短路保护、内部补偿、非常低的静态电流等优点,因此非常适合在这类便携式设备中使用。501GK高通与低通滤波部分要保留 10-500Hz 之间的部分,因为表面肌电信号的频率主要集中在这中间。二级放大部分的放大倍数在 3-20 倍之间,具体视使用者,使用部位而定。因为青年与老年人之间的信号强度差别很大,手臂上和腿上也是有很大的差别的。图 3-5 是该部分的设计电路图。图 3-5 滤波与放大电路 图中电容 C13 和电阻 R13 构成高通滤波器,其截止频率为= 10.62Hz,低通滤波器截止频率 = 13/(2)cfRC 15/(2)cfRC497.61Hz。从测试结果来看,简单的阻容滤波器可以实现基本的滤波效果。想要更好的效果可以设计更高级的滤波器。仿真效果如下。图 3-6 输入信号与输出信号对比图 3-7 滤波与放大电路 Bode 图 电压抬升电路电压抬升是为了将表面肌电信号抬升到 A/D 量程的 1/3 至 3/3 之间,同时也是为了不丢失信号幅值为负值的那一部分。电压抬升部分使用的基准芯片是美国国家半导体公司的 LM385D-1.2,实际测量中发现它提供可以稳定的 1.237V的基准电压,由于工作电流在 15μA至 20mA 之间,且功耗非常低,所以适合我们的使用。该芯片可以等效为一个稳压二极管。使用时只需给它配一个电阻即可。得到基准电压后,可以通过同相加法电路将它与表面肌电信号叠加到一起。图 3-8 和图 3-9 是 LM385D-1.2 的设计电路和同相加法电路。图 3-8 LM385D-1.2 设计电路 图 3-9 同相加法电路加法电路使用 4.7M 电阻配平,根据公式 可得 ,满足要求,图 3-9 为加法电路仿真结果。oirefU17161896R())irefoU图 3-9 加法电路仿真测试结果 足底压力模块足底压力模块使用的传感器如下,我们把它嵌到鞋底,可以放好几个,这样会准确一点。图 3-10 FSR 压力传感器 图 3-11 FSR 压力曲线压力模块电路设计:图 3-12 FSR 压力传感器电阻分压电路设计计算公式:Vout = Vref/((Rfsr+R2)/R2) ,公式中,Vref 为参考电压2.5V,R2 为 4.7kΩ,输出电压和电阻值成反比关系。
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