步態(tài)分析儀和可穿戴運(yùn)動傳感設(shè)備

描述

關(guān)于。

該項目旨在為醫(yī)療保健等不同用途創(chuàng)建一種創(chuàng)新的運(yùn)動跟蹤設(shè)備，RSL10 EVK 板通過提供可立即使用的完整解決方案帶來新的可能性，從而簡化開發(fā)。重點是跟蹤運(yùn)動，一種是醫(yī)療保健提供者感興趣的步態(tài)分析。如果最終產(chǎn)品未實現(xiàn)，則該產(chǎn)品的工作證明是可行的，并且是可替代現(xiàn)有商業(yè)產(chǎn)品的低成本解決方案。

步態(tài)分析儀。

個人的步行表現(xiàn)會有所不同，醫(yī)生已經(jīng)注意到某些疾病或狀況會改變它，例如帕金森、中風(fēng)、骨科和老年人。有許多關(guān)于步態(tài)分析的研究及其與這些條件的關(guān)聯(lián)，即有研究表明老年人的步態(tài)速度與生存率之間存在關(guān)聯(lián)（Studenski et al., 2011 ）

一個非常典型的步態(tài)測試是在走廊中進(jìn)行的，距離可能會因個人或醫(yī)療保健提供者的需要而異。

典型的步態(tài)測試

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便攜式應(yīng)用中的 RSL10 SENSE。

RSL10 SENSE EVK 具有應(yīng)用程序所需的所有傳感器，實際上它比實際需要的傳感器多一些，這在某些應(yīng)用程序中可能是有益的。

以下是一些板載傳感器的簡要介紹。

RSL10 感知 EVK。

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RSL10 SENSE EVK 帶有一個紐扣電池連接器，非常適合便攜式應(yīng)用。

夾具。

EVK 板很小，而且由于每個電子設(shè)備都很脆弱，并且對不正確處理造成的損壞很敏感，為了最大限度地減少測試過程中可能造成的損壞，我們使用了一個小型 3D 容器。

例如，借助鉤環(huán)緊固件，3d 外殼可以安裝到人鞋中，但其他身體部位也是可能的。

軟件。

該設(shè)備可以很容易地商業(yè)化，但需要在定制軟件上進(jìn)行艱苦的工作，這不是該項目的目標(biāo)。這里的目的是利用ON和博世公司的最新技術(shù)加快步態(tài)分析的發(fā)展和幫助研究。對于軟件，我決定使用MATLAB ，因為它可以輕松連接并具有所有后處理工具來分析它。

使用的固件是 SDK 示例中提供的自定義服務(wù)協(xié)議固件，即sense_ics_firmware 。

MATLAB有一個使用非常方便的藍(lán)牙低功耗通信庫，你的電腦必須有一個4.0 BLE適配器，你可以通過以下方式連接BLE設(shè)備

b = ble(Address);

其中地址是您的 BLE RSL10 地址。就我而言，我通過之前運(yùn)行blelist命令找到了該地址

blelist 命令輸出。

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使用ble命令連接后，可以知道特征

ble 命令輸出

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也可以顯示特征

RSL10 SENSE 特性

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為了從傳感器查詢和接收數(shù)據(jù)，我們使用上面看到的兩個自定義特征，我們通過這樣做來設(shè)置

rxc = characteristic(b, "E093F3B5-00A3-A9E5-9ECA-40016E0EDC24", "E093F3B6-00A3-A9E5-9ECA-40026E0EDC24");

txc = characteristic(b, "E093F3B5-00A3-A9E5-9ECA-40016E0EDC24", "E093F3B7-00A3-A9E5-9ECA-40036E0EDC24");

我們沒有修改固件，真正的產(chǎn)品需要修改，默認(rèn)配置足以每秒獲取 5 個樣本，此時可以。

但是為了在 Matlab 中接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了一個回調(diào)函數(shù)，這將在后臺運(yùn)行以處理接收到的數(shù)據(jù)。我們可以通過這樣做來安裝回調(diào)

subscribe(rxc);
rxc.DataAvailableFcn = @displayCharacteristicData;

其中displayCharacteristicData是函數(shù)

function displayCharacteristicData(src,evt)
    global i;
    global dv;
    global gv;
    [data,timestamp] = read(src,'oldest');
    c = char(data);
    cs = split(c, '/');
    packet = char(cs(1));
    switch packet
        case 'A'
            acc = split(cs(2), ',');
            dv(i, 1) = str2double(acc(1));
            dv(i, 2) = str2double(acc(2));
            dv(i, 3) = str2double(acc(3));
            dv(i, 4) = i;
        case 'G'
            gyro = split(cs(2), ',');
            gv(i, 1) = str2double(gyro(1));
            gv(i, 2) = str2double(gyro(2));
            gv(i, 3) = str2double(gyro(3));
            gv(i, 4) = i;
        otherwise
            disp('not implemented response-reception');
        end
end

如果不了解數(shù)據(jù)是如何查詢和接收的，就很難理解上述switch case的原因。

我之前設(shè)置了一個 segger RT 查看器控制臺來查看調(diào)試語句的輸出，然后運(yùn)行 ??android 演示應(yīng)用程序，其想法是了解查詢和解析是如何完成的。

從 android 應(yīng)用程序和自定義服務(wù)固件應(yīng)用程序捕獲命令。

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在下面的代碼中可以看到加速度計和陀螺儀命令解析是如何實現(xiàn)的。變量是 4 行的數(shù)組，前三行包含加速度和陀螺儀的 X、Y 和 Z 分量，最后一個只是跟蹤接收到的樣本的索引。

編寫示例代碼以允許在給定時間段內(nèi)進(jìn)行采樣，然后停止，在這種情況下，每 200 毫秒請求一次采樣。

record_length = 60;
sample_rate = 5;       %samples per second.
rsamples = record_length*sample_rate;
i = 1;
dv = zeros(10,4);
gv = zeros(10,4);


disp('start acquisition loop');
% request data every sampling period
while true
    write(txc, 'A/AO/A');               % accel data
    %     write(txc, 'G/AO/AR');        % gyro data
    if(i > rsamples)
        return;
    else
        pause(1/sample_rate);
        i = i + 1;
    end
end

為了加快采樣速度，需要對固件進(jìn)行修改，因為傳感器已經(jīng)配置為每 1/5 秒中斷一次。其摘錄如下所示，位于文件 CSN_AO.c 中

retval += BHI160_NDOF_EnableSensor(BHI160_NDOF_S_LINEAR_ACCELERATION,
CSN_AO_SensorCallback, 5);

在這種情況下，5 是每秒的采樣率。增加采樣率是必要的，但也有必要在不影響數(shù)據(jù)的情況下測試它的速度，在這種情況下，我們每 200 毫秒向自定義特征發(fā)送一個 BLE 查詢，但隨著速度的加快，這可能會帶來一些問題。因此，更好的方法可能是重寫自定義特征以在緩沖區(qū)中保存一些樣本并每 200 毫秒傳輸一次。在這種情況下，回調(diào)函數(shù)CSN_AO_SensorCallback是開始修改的關(guān)鍵。

但回到我們的測試，在使用 60 秒運(yùn)行捕獲后，我們得到了一個包含 4 行的數(shù)組，每行有 300 個樣本。

Matlab 中的變量視圖。

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在繪制了一些運(yùn)動的加速度計數(shù)據(jù)后，我用手臂在 RSL10 板上做了一些動作。

手臂上/下運(yùn)動的 Matlab 加速度計圖。

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數(shù)據(jù)以樣本計數(shù)而非物理量表示。我嘗試使用以下公式轉(zhuǎn)換為 m/s2。

dvmod = (dv/32768)*4*9.80665/3.2808;

似乎必須進(jìn)一步縮放原始值才能獲得 m/s2，不是 100% 肯定，但如果該值以 ft/s2 為單位，則這些值更有意義。上式中，數(shù)字 4 為動態(tài)范圍。

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走在 m/s2 值。

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步態(tài)數(shù)據(jù)采集。

以類似的方式進(jìn)行了一次小步行以捕獲加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)。

加速度計步行捕捉。

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陀螺儀步行捕捉。

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結(jié)論。

該項目展示了擁有一個低成本平臺來研究步態(tài)模式和人體一般運(yùn)動的可行性。它可以移植，SDK 示例是進(jìn)一步修改的良好起點。