步態(tài)作為生物特征之一，在身份識別和運動分析方面都有著重要的研究意義，國內外已有許多學者投入到該熱點研究中。步態(tài)研究需要以大量可靠的原始步態(tài)數據為基礎，目前公開的步態(tài)數據庫都基于步態(tài)圖像口。然而動態(tài)環(huán)境中拍攝的圖像容易受光照變化、運動目標的影子等多種因素影響，給步態(tài)特征的提取帶來較大困難。Ailisto H．等人提出了一種采用加速度傳感器來獲取步態(tài)數據的新方法，避免了動態(tài)環(huán)境中多方面因素對捕捉圖像的不利影響，降低了數據處理的難度，從而開辟了步態(tài)數據獲取的新途徑。但是該方法采用裝有DAQl200數據采集卡的筆記本電腦采集數據，不僅成本高，而且不便于測試對象攜帶。
近幾年隨著傳感器技術的發(fā)展和制作工藝的不斷改進，具有尺寸小、精度高、功耗低等優(yōu)點的MEMS(Micro-Electro-MecHanical-System)加速度傳感器已經進入應用領域，使得基于運動傳感器的步態(tài)研究更為方便。本文介紹的步態(tài)加速度信號無線采集裝置，就是采用了MEMS三軸加速度計LIS3LV02DQ、無線收發(fā)芯片nRF2401、8位微控制器μPD78F0547等主要器件而設計的。
1 硬件電路設計
步態(tài)加速度信號無線采集裝置主要由兩部分構成：數據采集及無線發(fā)送模塊，無線接收及數據傳輸模塊。主要的接口電路包括微控制器與加速度計之間的CSIA0串行接口電路，與無線收發(fā)芯片之間的CSIll串行接口電路，以及UART轉USB的橋接電路等。其原理如圖1、圖2所示。由固定于人體腰后部的數據采集及無線發(fā)送模塊獲取并無線發(fā)送人運動時的三維加速度數據；計算機端的無線接收及傳輸模塊將接收到的數據通過USB串行接口傳輸到計算機中，作為后續(xù)數據處理的數據源。
2 控制軟件設計
數據采集及無線發(fā)送程序流程如圖3所示。其中初始化包括微控制器的I／O端口初始化、串行接口初始化、中斷初始化、加速度計和無線收發(fā)芯片的初始化配置。初始化完成后等待按鍵命令，第一次按鍵進入開始采集數據狀態(tài)，再按一次鍵則停止采集數據。按鍵由被測試人控制。
有關加速度計的主要程序代碼如下：
注意：
①當CSIA0工作在1字節(jié)通信時，如果只執(zhí)行接收操作，則只能通過向串行I／O移位寄存器SIOA0寫入虛擬數據才可啟動通信，通信結束后產生1個中斷請求信號(INTACSI)，此時讀取SIOA0即為所要的值。
②每采集完1組加速度值，必須執(zhí)行語句：
write_comm(WRITE_STATUS_REG，Ox00)通過對狀態(tài)寄存器STATUS_REG清零，可以清除加速度計輸出的Data—Ready信號，從而產生新的一組加速度值。
無線接收及數據傳輸程序流程如圖4所示。在完成初始化后進入循環(huán)監(jiān)聽狀態(tài)。當接收到數據時，無線收發(fā)芯片nRF2401向MCU發(fā)出數據就緒信號，MCU讀取數據后和計算機通過串行通信將數據以文件的形式保存到計算機中。
3 實 驗
本設計中的無線發(fā)送、接收天線采用的是PCB板上的環(huán)形線，其發(fā)射能力較弱，因此實驗是在發(fā)送端和接收端處于可視范圍內，并且無障礙物阻隔的條件下完成的。被測試對象將裝置的數據采集及無線發(fā)送模塊固定于腰后部，并且按照要求使加速度計3個軸的正方向分別指向人體側向、垂直方向和前進方向。實驗結果表明，加速度計以其采樣頻率范圍內的任意采樣率工作時，該裝置均能滿足采集與傳輸的要求。圖5是加速度計工作在160Hz，被測試人平地行走時接收并保存到計算機中的時間一加速度圖。
結 語
本文所設計的步態(tài)數據無線采集裝置，通過完成對特定環(huán)境下步態(tài)加速度數據的采集及存儲，為進一步完成便于攜帶的采集裝置作了有效的嘗試。通過進一步改進和完善，將會成為建立原始步態(tài)加速度數據庫、跟蹤檢測和記錄人的運動狀態(tài)的有效工具。