現(xiàn)在市面上的可穿戴設(shè)備越來越多，對于可穿戴設(shè)備，尤其是手腕式的可穿戴設(shè)備的競爭日益激烈。對于可穿戴設(shè)備的研究核心在于可穿戴傳感器的研究。可穿戴設(shè)備的功能日趨強(qiáng)大與其內(nèi)部使用的可穿戴傳感器數(shù)量的增加和性能提高息息相關(guān)。

本文基于MEMS六軸傳感器技術(shù)，目的在于設(shè)計(jì)出一套可以用于運(yùn)動(dòng)軌跡檢測的可穿戴設(shè)備。利用現(xiàn)有的藍(lán)牙4.0 技術(shù)，將六軸傳感器收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)，通過MATLAB 等仿真軟件以及合理的數(shù)據(jù)處理，得到最接近現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

工作原理及電路原理

MEMS六軸傳感器工作原理

MEMS慣性傳感器采用集成電路的工藝，以其獨(dú)特的加工工藝區(qū)別于其他慣性傳感器。優(yōu)點(diǎn)在于可靠性高、制造成本低廉、并且壽命更長。同時(shí)還具有重量輕、易集成、耗電量低、體積小、能大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。MEMS 傳感器在同一個(gè)芯片上進(jìn)行信號(hào)傳輸前可放大信號(hào)，提高信號(hào)水平，減小干擾和傳輸噪聲。特別是同一芯片上進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，更能改善信噪比。

圖1 加速度傳感器的工作原理圖

MEMS 六軸傳感器是由一個(gè)三軸陀螺儀傳感器和一個(gè)三軸加速計(jì)傳感器集成在同一個(gè)芯片上，可以實(shí)時(shí)輸出陀螺儀和加速計(jì)讀取到的數(shù)據(jù)。加速計(jì)的原理和傳統(tǒng)的原理形似。三軸陀螺儀的工作原理則與傳統(tǒng)的陀螺儀原理不同，傳統(tǒng)的陀螺儀理論依據(jù)是角動(dòng)量守恒定律。不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，他的轉(zhuǎn)軸指向是不隨它原本的支架的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化的。MEMS 陀螺儀是利用科里奧式力，物體被驅(qū)動(dòng)，不停的來回做頸向運(yùn)動(dòng)，科里奧式力就不在橫向來回變化。

可穿戴硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本硬件系統(tǒng)的主要組成是由傳感器的數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙射頻倆部分構(gòu)成。傳感器部分主要由六軸傳感器MPU6050 和氣壓溫度傳感器BMP180，藍(lán)牙芯片選用TI 公司的CC2541。MPU6050 和BMP180 通過I2C 總線和CC2541相連，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給藍(lán)牙芯片。藍(lán)牙芯片再通過板子上的巴倫濾波器和陶瓷天線將收集到的數(shù)據(jù)傳輸出去。詳細(xì)系統(tǒng)原理圖2。將倆部分電路集成在同一個(gè)電路板在上，制作出一套開穿戴開發(fā)平臺(tái)，如圖3。通過這套自行研發(fā)的開發(fā)平臺(tái)，可以做大量軌跡實(shí)驗(yàn)，為下一步的軌跡模擬提供了實(shí)驗(yàn)環(huán)境保證。

圖2（a）：系統(tǒng)電路原理圖CC2541 部分

圖2（b）：系統(tǒng)電路原理圖傳感器部分

圖3：可穿戴開發(fā)設(shè)備

編者結(jié)語

本可穿戴開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)是基于MEMS六軸傳感器MPU6050的基本原理，并且結(jié)合了藍(lán)牙的傳輸技術(shù)，可以方便、快速的將運(yùn)動(dòng)采集到的數(shù)據(jù)快速的傳輸?shù)絇C 上。采集到的數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于后期可穿戴計(jì)算的研究。