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1、 毕业设计(论文)基于加速度传感器的姿态监测及应用系统姓 名 Jermaine Pen学 号 29010103023专业班级 通信工程09C所在学院 电子信息学院指导教师 JianGuo.Shi 副教授完成时间 2013年5月10日电子科技大学中山学院教务处制发I基于加速度传感器的姿态监测及应用系统摘 要本课题的主要任务是设计一种由一对无线传感器终端、一套三轴加速度传感器、LCD显示屏组成的系统，系统中所有设备均通过单片机进行指令控制和协调操作。无线传感器终端发出的X、Y、Z轴加速度数值传送到监控主机，并利用主机进行数据处理、数据储存、数据显示等。系统充分利用了nRF905无线传感器网络所具有
2、的通信质量高、通信距离远、连通性好、可扩展性强、功耗低、便于开发等优点，提高了加速度变化规律检测的效率和质量，并且为人体姿态检测提供有效的依据，将为未来动物姿态研究引入新的技术支持。系统工作在915MHz ISM频段，数据传输率为50Kbps，节点设备的工作电压为1.9-3.6V，工作电流则与设备类型和工作状态有关，其中，无线传感器的静态电流仅仅12.5A，节能设计更方便。关键词：nRF905；无线传感器网络；ADXL345；姿态检测；三轴加速度Position Monitoring And Application Systems Based on the Acceleration Senso
3、rAbstractThis main task of this project is to design a system composed of a pair of wireless sensor terminal,a set of three axis acceleration sensor, LCD display,system all equipment through the MCU control commands and coordinated operation. Wireless sensor terminal sends a X,Y,Z axis acceleration
4、value is transmitted to the monitoring computer,and data processing,data storage,data display by host MCU.The system makes full use of the communication quality of nRF905 wireless sensor network which has high, long communication distance, connectivity is good, strong scalability, low power consumpt
5、ion, easy development advantages, improve the efficiency and quality detection of variation of acceleration, and provide effective basis for human posture detection, for the future of research into animal posture a new technical support.The system works in 915MHz ISM band, the data transmission rate
6、 is 50Kbps, the working voltage is 1.9-3.6V, working current is related to the type of equipment and working state.The static current is only 12.5A.Keywords: nRF905; wireless sensor network; ADXL345; attitude detection; three axis accelerometer目 录1 绪论11.1 项目背景11.2 项目的主要任务12 总体设计方案23 主要芯片简介33.1 NRF90
7、533.2 ADXL34544 硬件设计94.1 无线主机94.2无线从机114.3 监控主机135 软件设计145.1 ICCAVR与Keil集成开发环境145.2 主机程序流程145.3 从机程序流程156 系统调试177 结论19参考文献20附 录21附录A 系统样机实物图21附录B 源程序清单22致 谢1II1 绪论1.1 项目背景在日趋成熟的科学界，人们对生活的追求越来越高，然而，健康的追求是人们永恒不变的话题。在医学科技发达的今天，60岁以上的老年人所占的比例越来越大，人口老龄化促使人们更加关注老年人的健康和生活质量。据统计，国外约30%老年人每年跌倒一次，并造成不同程度的损害。而
8、70岁以上的老年人跌倒年发生率高达50%，跌倒后常常会造成严重的损害，而这些损害往往因为没有及时处理而被无限扩大，例如失血过多、疼痛过度至休克、伤口感染等二次伤害。跌倒不但给老年的心灵上的摧残，更极大地影响了老年人的生活，在病床上的医疗时间足以消耗老年人本来就不旺盛的意志。因此，本文设计一种基于三轴加速度传感器的人体姿态平衡检测系统，通过读取并分析三轴向加速度的数值，进行对老年人人体姿态实时检测，并预知老年人行进趋势，并通过无线通信网络等多种方式实现手段，进行声光报警，通知周边的人，对跌倒老人进行扶助，可以大大减少老年人跌倒的二次伤害。无线通信网络可以有多种实现手段，其中，基于Bluetoot
9、h协议的系统数据传输率较高，但作用距离短，功耗大，组网能力弱；而ZigBee作为建立在IEEE802.15.4通信标准之上的低速无线个域网（LR-WPAN）协议规范，基于该技术的系统具有功耗小、可靠性高、组网能力强等优点，但数据速率低、传输距离近；NRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术，ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖，极大降低成本，并拥有较高数据传输速率，同时传输距离较远，理论可达1000米，开发难度低，可靠性高等综合起来，成为本设计选择的无线通信网络核心组成部分。1.2 项目的主要任
10、务本项目的主要任务就是通过三轴加速度传感器检测三轴加速度,并将模拟信号传送到单片机进行数据处理, 分析数据后判断人体是否平衡, 并在人体跌倒时给出声光报警。在满足以上功能的前提下进一步将声光报警用短信通知替代。性能要求如下:平衡检测反应在3.0秒以内, 信号传输距离要大于3.0米。2 总体设计方案系统的主要任务是利用加速度传感器实现姿态检测及跌倒判定。对于传感器模块的数据采集，要根据数据情况实行三级检测，通过检测方式尽可能抵消误判的情况。系统总体上看是以Atmega128为主控器，并连接NRF905、ADXL345等模块。NRF905模块为三轴加速度数据无线传输端，ADXL345为加速度数据来
11、源端。由ADXL345采集三轴加速度，Atmega128单片机进行处理和分析，然后由发送端将数据送到433Mhz开放ISM频段，通过无线的方式将数据送到接收端单片机，接收端单片机对数据进行简单应用，如声光警报和数据显示。以上是本设计的设计思路和总体设计方案。如图1-1所示。图1-1 整体设计框图本设计关键部分是数据算法处理，这部分在Atmega128单片机内进行。主要是对ADXL345数据进行处理。人体运动的加速度值，会随人体动作不断变化，而且ADXL345是先接收模拟值数据再进行AD转换，所以，要得到有用的数据，必须进行三级检测。第一级检测，采用SVM算法，对传感器传出的数据进行简单的筛选，
12、该算法具有自我学习能力，把大多类似跌倒的情况积累起来，进行统计。第二级，对第一级算法的进一步分析，通过比较软件自身设定的阈值来确定该动作是否跌倒、行走、坐下等，阈值更是根据用户的身高、体重、性别、年龄等信息设置。第三级，是在第二级处理之后，判断加速度值是否有变化，如果变化，则抛弃前面两级数据，如果没变化，再判断人体倾角状态，从而判断剧烈动作人体是否躺下，进一步确定老人是否已经跌倒。3 主要芯片简介3.1 NRF905nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频式Transmitter Chip，工作电压为1.9-3.6V，32引脚方形扁平无引脚封装（5mm5mm）。符合国家Radio Ma
13、nagement Committee标准，无需申请频点，工作于433/868/915MHz3个ISM频道（工业、科学和医学）。本设计选择的无线传感器可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成Manchester编码/解码，使用SPI接口和IC接口与微控制器通信，配置非常方便，其功率消耗是非常的低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在器件开始接收模式时电流为12.5mA。 nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功放器，一个晶体和一个全自动调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CR
14、C，可以很容易通过SPI接口和IC接口进行内部寄存器配置。图3-1为NRF905模块的硬件结构框图。SPI接口TX地址TX寄存器RX寄存器配置寄存器SHOCKBURST解调处理数据处理CRC处理地址处理中频BBF晶体振荡器电源管理GFSK滤波曼切斯特编码图3-1 NRF905硬件结构以下是NRF905的主要特色和技术指标：l 真正的单片l 低功耗ShockBurst工作模式帧长：协议规定不超过128B，实际有效数据载荷最大85Bl 工作电源电压范围1.93.6Vl 多通道工作ETSI/FCC兼容l 通道切换时间650usl 极少的材料消耗l 微功率发射：最大发射功率为10mW、高接收灵敏度，外
15、围元件最少（仅10个），基本无需调试l 高抗干扰能力和低误码率：基于GFSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干 扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-510-6.）l 采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好l 无需外部SAW滤波器l 输出功率可调至10dBml 传输前监听的载波检测协议l 当正确的数据包被接收或发送时有数据准备就绪信号输出l 侦测接收的数据包当地址正确输出地址匹配信号图3-2为NRF905模块的外形及引脚排列图，为提高电磁兼容性，模块正面采用了金属屏蔽罩。根据天线形式、发射功率以及内置协议的不同，共有10多种可选的模块产品。图3-2 NRF905模块外形及引脚图3.2 ADXL345加速度传感器是能够测量物体运动物理量的电子设备。加速度，实际上就是物体在加速过程中所受外力的合力，更像是地球万有引力。在当今世界上，通过速度传感器测量物体外力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过
