毕业设计开题报告-基于加速度传感器的日常活动量及睡眠监测系统设计.doc

中北大学 毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计(论文)题目：基于加速度传感器的日常活动量和睡眠监测系统指导教师: 2015 年 4 月 2 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：文献综述1、背景和意义人的运动量及睡眠质量对身体健康有很大的关系，经有关研究表明，人体适量的运动和良好的睡眠可预防疾病、促进康复，保持身体健康。随着年龄的增加，人们睡眠质量有逐渐下降的趋势。国内外研究表明，60岁以上老年人中睡眠障碍的现患率为2060。流行病学研究证明睡眠不足与神经衰弱、胃肠疾病、心脏病等发病相关。除此之外运动量过量与不足都对身体有害。从英国医学杂志获知，运动量不足的危害越来越明显，据调查数据显示，目前每年有将近500万人因运动量不足而导致死亡的发生。据估算，日常运动量不足作为诱因，关联6%的冠心病病例、7%的II型糖尿病病例和10%的乳腺癌和结肠癌病例。而人为地过量运动，人的心跳会提前透支，寿命缩短。过量运动者短寿者占多数。过度运动还可能造成心肌缺血，诱发心肌炎。运动过量的另一很大的伤害是关节磨损，尤其中老年人的器官自行修补能力较低，年岁越高，关节磨损退化的程度越大，故适量运动是一个非常重要的观念。那么，对老人的日常活动量和睡眠质量的监测就变得很有必要了！2、国内外研究现状 2.1 睡眠与活动量的关系研究结果显示，睡眠质量跟身体锻炼量有一定关系，身体锻炼能够改善心理健康状况,从而改善睡眠；体育锻炼的心理效应,即身体锻炼对心理健康的改善作用已为大量的研究所证实1-4。另外，身体锻炼量越大， 睡眠障碍越少，运动量对睡眠有促进作用；在一定范围内身体锻炼量越大,对睡眠质量的影响就越佳1-6。研究还发现PSQI总分、睡眠障碍因子与身体锻炼量呈负相关,提示睡眠障碍得分与身体锻炼量大小成反比,即身体锻炼量越大，睡眠障碍越少3-6。日常活动量和睡眠质量的监测，要测量睡眠状态与日常活动状态，这样的话比较复杂，为了测量的方便，我利用老人睡眠质量与运动的相关性，通过在人的肢体安装加速度计，进而测出冲击加速度间接求出日常活动量进而分析睡眠质量，完成对人睡眠质量和日常活动量的监测！ 2.2 测量方法的研究研究者们为了科学准确地评估人体活动量，几十年来采用了各种各样的方法，这些方法具体可分为六大类：行为观察法、问卷调查法（包括饮食记录、回忆式问卷以及面谈调查三种形式）、心率监测法、间接卡路里计或呼吸热量计测定法、双标记水法、以及采用各种机械或电子式的运动传感器7。这几种方法有其优点和缺点如下：1、 问卷调查法对大样本人群具有较好的适用性，对受试者没有时间和费用上的负担。直到现在，它仍是一种国内外应用最广泛的对人体运动进行评估的流行病学研究方法。但是人体运动的性质极为复杂，单靠问卷调查式的填表只能对运动的种类和运动时间进行记录，并不能客观反映运动量的多少。这种方法的缺陷主要在于：其对运动的记录主要依靠受试者自己的说明，受试者自身对运动频率、运动持续时间的错误回忆，以及调查者对运动强度的错误估计或科目本身的错误等都是造成这种方法误差的主要原因7-8。而且当对大量人群进行调查时这种方法的花费也很大。正是由于问卷调查法的主观性强、客观性差以及准确性低等明显缺点，已经越来越不适应科学、准确评估人体运动的需要。2、 心率监测法能用来评估人体运动的原理主要是基于心率与能耗具有很高的线性关系7,9。使用这种方法带来的缺陷也是显而易见的：(a)随着受试者个体的耐受力的不同，心率与氧气摄入量的关系也在变化；(b)同一个受试者的心率与氧气摄人量的关系也与是上肢或下肢运动，是静态或动态运动有关；心率会受到很多其它因素的影响，如情感状况(愤怒、恐惧、期望等)、身体的姿势以及环境因素(温度、湿度、海拔高度等)。因此单纯记录心率的变化并不能认为是一种准确的测量人体运动量和强度的方法。同时监测心率的系统复杂庞大，操作繁琐，费用昂贵；其导联连接线也影响受试者的自由运动，为试验带来丁困难。因而它完全不适合大样本人群的研究。只能作为其它评测方法的一个参考。3、 间接卡路里计或呼吸热量计的测定方法被认为是一种测量能耗的客观方法。它需要测定吸进的氧气数量和呼出的二氧化碳的数量。能耗是根据呼吸时气体交换比率用氧气消耗量乘以非蛋白质的热当量计算得出7。这种方法具有较强的客观性，测定结果也真实可信。但是这种方法必须在每次测量前对仪器进行校准，实验条件要求苛刻，实验准备复杂，而且测量时会较大程度地影响受试者的运动，是一种实验室条件下的适用方法。4、 在人体运动评估方面，双标记水法一直是被作为“金标准”7,10在使用。它能够在13周的时间间隔内准确测量人体的平均新陈代谢率。结合测出的人体基础代谢率，即BMR)，人体的运动消耗就可以被计算出来。因此它被公认是一种测定人体运动量的准确方法，是一种评定人体运动的可接受标准。但双标记水法也有较大的局限性：首先稳定的水同位素2H218O非常昂贵，不能被方便地获得；而且此方法也需要复杂和昂贵的分析仪器；在测定能耗时，也必须两周的时间，而且还不能获得关于运动具体类型(如运动时间、运动强度等)的任何信息。5、 运动传感器，既有机械式的，更多的则是电子式的。它们都尝试从不同的角度提供对人体运动进行客观评价的新方法。它们为构建新型的运动数据分析和处理装置提供了新的思路。大量实验都证明：身体运动加速度的绝对值对时同的积分与能量或耗氧量成线性关系；这就为加速度计评估人体运动提供了具体的理论依据7,11-17。这个结论随后被广泛地作为人体运动评估的一个标准参考依据在使用。这些研究结果同时也促进了加速度计在评估人体运动方面的研究和应用。三维加速度传感器作为其中的一类，在测量人体运动量或监测人体运动状况方面的地位突出；这种人体运动测量方法的突出优点还在于：其安装简便，可对输入信号实时记录或转换人微机中。它不仅时间分辨率高，连续工作时间较长，而且仪器不与人体直接接触，避免导线连接，能长时间佩带以及对正常运动影响小，适合于大量人群的运动或训练现场长时间使用。而且能方便地对得到的数据进行进一步的分析。为运动或训练现场提供了一种能实时监督运动或训练情况的可行的技术手段。作为对比，计步器测运动量也是运动传感器测运动量的一个小分支，但是由于每个人走路的姿态、步幅不一样所以除了步数较为准确以外其他的数据并不准确；总之对测量运动量只能做参考18。因此基于三维加速度计的运动数据采集和分析系统已经成为评估人体运动量的一种最有前景和最具实用性的方法和手段。 本设计分两部分进行，第一部分是进行动作识别，主要识别跑步、上下楼梯、跳和静止16，17，19，第二进行能耗（日常活动量）的测量实验。动作识别设计主要是为日常活动量做准备，我们可以通过动作识别，具体估计其能耗的范围。一天内人体总能量消耗，主要包括了静止时的新陈代谢，进食和消化所产生的热效应，以及人体活动时和活动后的能量消耗，而人体静止时的能量消耗，一般可以通过室内热量计和双标水法进行测量，而运动部分的能耗，由于受人体运动方式随机性的影响，其精确测量具有很大的难度，利用加速度传感器监测的主要是这部分的能耗。利用该系统测日常活动量时，其精度受到很多方面的影响，如：仪器佩戴的位置16，19、人体行走或者跑步速度、人体运动场所（比如坡率）。本次实验的目的主要是两点：识别人体的动作（走、跑步、跳动、上下爬楼、静止）和测量能耗以确定活动量便于进行睡眠分析。鉴于系统人体运动的频率低于20Hz，系统的加速度频率采样频率不用太高，因此本系统采用的ADXL375加速度传感器的采样频率足够了。Carlinji等23的研究表明，人体的日常活动的频率，水平方向运动的加速度分量要比竖直方向上的低。人体步行时，其上身部分的频率的竖直分量主要集中在0.8Hz-5Hz的范围（幅值范围为-0.3g-0.8g），而躯干部分和头部的水平分量主要集中在1Hz-18Hz的范围（幅值范围为3.0g-12.0g);而躯干部分和头部的竖直分量分别在0.9g-5.0g和0.8g-4.0g之间。Sun等24在评估人体日常活动时，总结出人体身体主干部分的频率范围在0Hz-20Hz之间，其加速度分量一般也不会超过6g,所以本系统采用的ADXL375加速度传感器灵敏度足够，而且量程很大，足以胜任工作。本系统采用50Hz的采样频率。 ADXL375加速度传感器的日常活动量及睡眠监测系统的目的是通过监测和记录人的运动信息和数据指标，指导其进行科学的、有效的运动健身，达到控制体重、提高心肺功能、控制血压、血脂、血糖等的目的，促进人的健康。其中，各种不同的模块实现的功能也是不同的。本系统主要包括ADXL375加速度模块、主控制器模块、电源管理模块、蓝牙通信模块、数据存储模块、日常活动量及睡眠监测算法模块几大模块。在这几大模块间可能加入些许小模块进行连接。随着科技技术的不断更新应用，越来越多技术走向平民百姓，而技术的发展导致越来越智能化，传感器技术以其结构简单，实时性，控制性能优良等优势在加速度传感器的日常活动量及睡眠监测系统得到了良好的应用20-22。 窗体底端3、参考文献1 刘贤臣，唐茂芹,胡蕾等.学生睡眠质量及其相关因素J.中国心理卫生杂志， 1995,9(4):148-150+191.2麦锦城，徐惠珍，周丽云.广州市部分中学生睡眠质量调查J .中国学校卫生，2004，25(5):547-548.3 Brown FC，BuboIlz WC Jr，SoPer B.Relationship of sleep hygiene awareness， sleep hygiene practices，and sleep quality in university studentsJ.Behav Med，2002，28(1):33-38.4Palazzolo J，Piala JM，Camoin C，et al.Apropos of sleep quality in students:prospective studyJ.Encephale，2000，26(4):50-57.5赵红勤.高校女生睡眠质量与运动的相关性J.湖北体育科技,2005,24(4): 463-464+468.6韩香春,许松姬.老年人的睡眠健康水平与运动关系的探讨J.中国当代医药,2011,18(32):142-144.7焦纯,董秀珍,杨国胜,霍旭阳.人体运动量及能耗的测量方法J.国外医学(生物医学工程分册),2002,25(5):196-213.8Johnson RK，Russ J，Goran MLPhysical activity related energy expenditure in children by doubly labeled water as compared with the Caltrac accelerometerJ.Int Obes Relat Metab Disord，1998，22(11)：1046-1052.9Ceesay SM，Prentice AM，Day KC，et a1The use of heart rate monhoring in the estimation of energy expenditure：a validation study using indirect wholebody calorimetryJBritish Journal of Nutrition,1989,61：17518610Mclanson El，Freedson PSValidity of tile Computer Science and Applications，Inc.(CSA)activity monitorJ.Med Sci Sport Exert，1995，27(6)：934940.11Meijer GAL，Westerterp KRMethods to asses physical activity with special reference to motion sensors and accelerometersJIEEE Trans BME，1991，38：221-229.12Brouba L.Evaluation of requirements of jobsMIn：Pbyslology in Industry OxfordUK：Pergamon，1960，94-108.13McMurray RG，Harrell JSComparison of a computerized physical activity recall with a triaxial motion senor in middleschool youthJMeal Sci Sprots Exert，1998，30(8)：1238124514Freedson PS，Melanson E Calibration of the Computer Science and Applications，IneaccelerometerJMed Set Sports Exert，1998,30(5)：77778115Bouten CVC，Sauren AAHJEffects of placement and orienraion of bodyfixed accelerometers on the assessment of energy expenditure during walkingJMed Biol Eng comput，1997，35：505616朱弋，阮兴云，徐志荣，郑尔信，田学隆.身体运动加速度与运动量测量的关系研究J.医疗装备,2003,16(8):9-11.17李铭谦,许志勇,赵祖亭.内功、非保守力功、能量的转化与守恒J.物理通报.2004(10):9-10.18戴剑松，李靖，顾忠科，孙飙.应用计步器测量日常体力活动和研究J.中国组织工程研究与临床康复，2008，l2(35):6883-6887.19汤强,盛蕾,朱卫红,李森,吴翠娥.不同形式上肢运动的能量消耗J.中国组织工程研究与临床康复,2009,13(50):9903-9908.20Najafi B.Ambulatory system for human motion analysis usinga kinematic sensor:monitoring of daily physical activity in the elderlyJ.IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2003,50(6):71172321李丹,陈焱焱,姚志明,杨慧亮.基于三轴加速度传感器的人体日常体力活动J.仪表技术,2013 ,4(5):1-5.22朱弋,王振洲,杨舒波,田学隆,吴强辉,彭承琳.MMA系列加速度传感器的原理及其应用J.医疗卫生装,2008,29(4):97-98.23Calijin V.C,R.Kodde and J.D.Janssen.A traxial accelerometer and portable data portable data processing unit for the assessment of daily physical activityJ.IEEE Trans.Biomed Eng,1997,44(3):136-137.24M.S.Sun and J.O.Hill.A method for measuring mechanical work and work efficiency during human activitiesJ.J.Biomech,1993,26:229-241. 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案： 1、总体方案日常活动量和睡眠监测系统主要由ADXL375、主控制器、存储器、蓝牙通信设备、PC机等硬件构成。该系统主要是监测人体的加速度，系统设计合理、简单易懂，使ADXL375在监测系统的控制中得到充分应用，具有一定的实用价值。论文主要针对日常活动量和睡眠监测系统中的各个组成部分及功能进行了详细的介绍和说明，并对其硬件结构和相关核心芯片，以及系统软件设计进行了重点的分析和讲解。此次设计是针对于传感器原理及其应用展开的。其中包含了我们大学四年中所学到的相关知识，运用我们所学的传感器技术，单片机技术，电工技术去设计基于ADXL375加速度计的日常活动量和睡眠监测系统。2 总体设计框图图1 日常活动量和睡眠监测系统总体框图由图1 可知，系统通过ADXL375加速度传感器检测到人体身体运动的信号，当测量的加速度模拟信号达到设定的数值时，信号通过ADXL375加速度传感器自带的滤波、分压电路并放大信号，调理电路后进入主控制器的MSP430F49微处理器，微处理器自带A/D转换器，将模拟信号转换成数字信号，进一步处理后，送入静态存储器AT45DB081中存储，通过蓝牙设备中的M22的通信模块把存储的数据送入PC机进行数据分析，进而得到人体的活动量和身体状态。为了方便数据采集，系统采用纽扣电池和直流电源两种方式，采集数据时可采用纽扣电池，以便于脱机使用。2.1动作识别采集分析系统框图图2 动作识别采集分析系统框图3.软件设计部分 图3双峰点谷值点求取流程2、 各个模块说明（1）ADX375加速度模块：由ADX375加速度传感器组成。它以小体积、同类产品中的最高带宽、低功耗、内置FIFO、内置中断等优点获得好评。ADXL375是一款三轴数字加速度计，可以检测来自任意方向的冲击事件，且无需ADC，支持I2C和SPI两种数字输出。（2）主控制器模块：该控制器采用了美国TI公司推出的MSP430F149这种超低功耗的混合信号控制器， 具有16 位RISC结构，它提供了大量的片内外设，如看门狗、定时器、比较器、乘法器等等。CPU中的16位存储器和常熟发生器可以大大提高代码效率，而灵活的时钟选择也可以有效降低能耗，具有8通道12位，速率为200kbps的 A/D转换器，并自带采集保持，进而简化了传感器间的采集转换电路，此外，这款微处理器还具有两通道串行通讯接口，可以同步或者异步（通过软件选择SPI/UART模式），也可以简化数据传输和存储电路设计。（3）电量管理模块：系统采用Li 电池供电，输出电压为3.6V 左右，采集数据时可采用纽扣电池，以便于脱机使用。当传感器ADXL375接受的冲击数值达不到设定值时，通过电量的控制，把信号传递给主控制器，主控制器就控制ADX375加速度传感器、微处理器MSP430F149、静态存储器AT45DB081和M22通信模块使之处于休眠模式，降低能耗。当加速度传感器冲击信号达设定的数值时，通过主控制器控制ADX375加速度传感器、微处理器MSP430F149、静态存储器AT45DB081和M22通信模块使处于全速工作模式。达到节约与控制电量的目的。（4）数据存储模块：由Atmel公司生产的静态存储器AT45DB081组成，AT45DB081工作的电压是2.5-3.5V，可以提供休眠（2A)以节省能耗，AT45DB081提供8650752位（bit）的存储空间，总共4096页（page),每页264个字节（byte)，可支持页操作或者块操作（block，每八页为一块），此外还可以通过交替使用内部的两个SRAM页缓存来实现连续操作。MSP430F149和AT45DB081之间数据通信采用SPI接口，进而简化电路的设计。（5）蓝牙通信模块：由BenQ公司生产的高性能M22通信模块，主要由基带处理器、射频模块、闪存、天线接口SIM卡接口等组成。作为M22的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中