一種mems慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其包括有：一MEMS慣性傳感器模塊，用于獲取三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)；一通訊模塊，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；一主控模塊，所述MEMS慣性傳感器模塊和通訊模塊分別連接于主控模塊，所述主控模塊用于將MEMS慣性傳感器模塊獲取的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)作為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并經(jīng)由通訊模塊發(fā)送出去。本發(fā)明具有數(shù)據(jù)采集精度高、通信方式穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性好、能夠滿足多種應(yīng)用場景等優(yōu)勢。
【專利說明】
一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，尤其涉及一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS慣性傳感器因具有體積小、功耗低、成本低、性能優(yōu)良、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，近年來在無人機(jī)自主定位、導(dǎo)航、3D體感游戲互動(dòng)、人體運(yùn)動(dòng)捕捉、人體日常行為識(shí)別、老年人跌倒報(bào)警預(yù)警、康復(fù)訓(xùn)練中的關(guān)節(jié)活動(dòng)度評(píng)定等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。比如中國專利CN104931046A提供了一種微型慣性測量系統(tǒng)，其包含角速度傳感器、加速度傳感器、放大整形電路、微控制器模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述角速度傳感器和加速度傳感器分別依次通過放大整形電路連接微控制器模塊，所述微控制器模塊上還連接有顯示模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，其體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低;通過精確測量載體的3個(gè)軸向角速度信息和3個(gè)軸向加速度信息進(jìn)而精確得出載體的移動(dòng)軌跡。這種慣性傳感器節(jié)點(diǎn)，其大部分把工作重點(diǎn)放在慣性數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的外觀和機(jī)械結(jié)構(gòu)上，但是對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴㈧`活性、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面沒有明顯的優(yōu)勢，僅僅適用于某一場合或者領(lǐng)域的應(yīng)用，系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性往往比較差，使用不夠靈活。
[0003]實(shí)際應(yīng)用中，不同的應(yīng)用場合對慣性測量傳感器節(jié)點(diǎn)從體積、精確度、功耗、安裝靈活性、數(shù)據(jù)傳輸方式上有不同的要求，比如在四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制和自主懸?？刂浦?，對功耗要求不高，但是對于通信距離有非常高的要求，而在運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中，因?yàn)椴蹲降氖侨淼膭?dòng)作，因此需要多個(gè)慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠構(gòu)成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，來對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)測量的關(guān)節(jié)角進(jìn)行融合處理分析;在康復(fù)醫(yī)學(xué)中，為了確定有無關(guān)節(jié)活動(dòng)障礙及障礙程度，為給選擇治療方法提供參考，需要進(jìn)行關(guān)節(jié)活動(dòng)度評(píng)定，這時(shí)候?qū)τ趹T性傳感器節(jié)點(diǎn)采集的姿態(tài)角精度要求非常的高;在人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別尤其是在跌倒檢測算法的設(shè)計(jì)前期慣性和姿態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析的階段，對慣性傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸通信方式提出比較高的要求，因?yàn)橛芯€傳輸對于實(shí)驗(yàn)非常的麻煩，而無線傳輸又必須保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和可靠性，不能丟包，在人體日?；顒?dòng)加速度采集場合，不需要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳和無線通信，但是需要慣性測量節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這樣便于離線分析一天的能耗和做了哪些運(yùn)動(dòng)。
[0004]由此可見，現(xiàn)有技術(shù)中缺少一種具有高精度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集、通信方式穩(wěn)定可靠、滿足實(shí)時(shí)性要求、適合多種應(yīng)用場景的傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種數(shù)據(jù)采集精度高、通信方式穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性好、能夠滿足多種應(yīng)用場景的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0007]一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其包括有:一MEMS慣性傳感器模塊，用于獲取三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)；一通訊模塊，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;一主控模塊，所述MEMS慣性傳感器模塊和通訊模塊分別連接于主控模塊，所述主控模塊用于將MEMS慣性傳感器模塊獲取的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)作為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并經(jīng)由通訊模塊發(fā)送出去。
[0008]優(yōu)選地，所述通訊模塊包括有射頻模塊和有線傳輸接口，所述射頻模塊用于實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，所述有線傳輸接口用于實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)傳輸。
[0009]優(yōu)選地，還包括有:鋰電池，用于提供電源;充電管理模塊，所述充電管理模塊用于控制鋰電池的充電狀態(tài);穩(wěn)壓模塊，其連接于鋰電池與控制模塊之間，所述穩(wěn)壓模塊用于將鋰電池的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理后為控制模塊供電；分壓電路，所述分壓電路的輸入端連接于鋰電池，所述分壓電路的輸出端連接于控制模塊的AD轉(zhuǎn)換接口，所述分壓電路用于采集鋰電池的輸出電壓信號(hào)并傳輸至控制模塊的AD轉(zhuǎn)換接口。
[0010]一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，該方法基于PC機(jī)及多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于將其獲取的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)作為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的組網(wǎng)關(guān)系選擇預(yù)設(shè)傳輸方式，基于該預(yù)設(shè)傳輸方式而將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。
[0011]優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)傳輸方式包括有線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式:所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過有線傳輸接口將所述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)單獨(dú)傳輸至PC機(jī)。
[0012]優(yōu)選地，所述有線傳輸接口包括第一Mini USB接口和第二Mini USB接口，所述預(yù)設(shè)傳輸方式包括有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式:所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的第一Mini USB接口作為接收端，第二Mini USB接口作為發(fā)送端，多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依次串聯(lián)，并且最前端的第一Mini USB接口和最末端的第二Mini USB接口分別連接于PC機(jī)的USB接口，其中，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)與上一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)打包后發(fā)送至下一MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
[0013]優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)傳輸方式包括無線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式:所述PC機(jī)連接有無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過射頻模塊將所述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)單獨(dú)發(fā)送至無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，再由無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸至PC機(jī)。
[0014]優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)傳輸方式包括無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式:所述PC機(jī)連接有無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器建立星型連接網(wǎng)絡(luò)，并采用輪訓(xùn)的方式，令當(dāng)前MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)向無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸完畢后，驅(qū)動(dòng)下一 MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸至無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器。
[0015]優(yōu)選地，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過公共信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每兩個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)有預(yù)設(shè)編碼的信道，每一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)設(shè)有節(jié)點(diǎn)編號(hào)。
[0016]優(yōu)選地，所述PC機(jī)內(nèi)預(yù)置有9軸慣性數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)，所述9軸慣性數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)用于設(shè)置節(jié)點(diǎn)編號(hào)、選擇兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信信道、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸間隔以及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。
[0017]本發(fā)明公開的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其內(nèi)置了MEMS慣性傳感器模塊，可有效獲取三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)共9軸數(shù)據(jù)，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備數(shù)據(jù)無線通信質(zhì)量和電量實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，節(jié)點(diǎn)不但可以獲取精確的三軸加速度、三軸角速度、三軸地磁場，還能夠支持有線和無線方式組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，使其可以靈活的工作在單節(jié)點(diǎn)工作模式和多節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模式中，并具有數(shù)據(jù)采集精度高、通信方式穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性好、能夠滿足多種應(yīng)用場景等優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成框圖；
[0019]圖2為本發(fā)明MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖；
[0020]圖3為本發(fā)明MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的中斷服務(wù)函數(shù)流程圖；
[0021 ]圖4為有線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式示意圖；
[0022]圖5為有線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方式示意圖；
[0023]圖6為無線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式示意圖；
[0024]圖7為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作更加詳細(xì)的描述。
[0026]本發(fā)明公開了一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，請參照圖1，其包括有:
[0027]一MEMS慣性傳感器模塊I，用于獲取三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)；
[0028]一通訊模塊，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
[0029]—主控模塊2，所述MEMS慣性傳感器模塊I和通訊模塊分別連接于主控模塊2，所述主控模塊2用于將MEMS慣性傳感器模塊I獲取的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)作為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并經(jīng)由通訊模塊發(fā)送出去。
[0030 ]其中，MEMS慣性傳感器模塊I采用的芯片為MPU9150，MPU9150與主控的數(shù)據(jù)通信協(xié)議為IIC，MPU9150是集成三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)為一體的九軸運(yùn)動(dòng)感測追蹤(Mot1nTracking)組件，陀螺儀范圍:±250 500 1000 2000°/s，加速度范圍:±2±4±8土 16g，磁場范圍:± 1200uT，因此可以使得MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在高機(jī)械運(yùn)動(dòng)或者振動(dòng)、強(qiáng)磁場、高速旋轉(zhuǎn)的場合;芯片內(nèi)置16bit AD轉(zhuǎn)換器和濾波器，無需外部輔助的信號(hào)調(diào)理電路，即可通過MPU9150的IIC總線接口獲取三軸加速度、三軸角速度、三軸地磁場數(shù)據(jù)，免除了分離傳感器安裝產(chǎn)生的軸間誤差，并簡化了電路設(shè)計(jì)，極大的縮小了整個(gè)MEMS慣性傳感器節(jié)點(diǎn)的PCB空間，MPU9150還內(nèi)置可處理復(fù)雜的九軸運(yùn)動(dòng)感測融合算法的數(shù)字運(yùn)動(dòng)感測處理器DMP(Digital Mot1n Processor)，無需微控制器干預(yù)，即可對三軸加速度信號(hào)和三軸角速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)融合，STM32F405RGCT6僅通過標(biāo)準(zhǔn)IIC總線接口，就可以獲取歐拉角(橫滾角、俯仰角、前傾角)，精度達(dá)到± 0.1°。
[0031] 主控模塊2采用的芯片為5了]?32?4051^了6，其主頻高達(dá)1681取，1]\?的？1^5!1，192+4KB的SRAM為運(yùn)行9軸傳感器數(shù)據(jù)融合算法以及運(yùn)行可靠穩(wěn)定的有線/無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)存儲(chǔ)提供了快速的運(yùn)算和處理能力，64-LQFP(10mmX10mm)超小封裝，使得本發(fā)明較好地實(shí)現(xiàn)了微型化，高達(dá)17個(gè)定時(shí)器，3個(gè)IIC接口，3個(gè)SPI接口，4個(gè)USART接口，3個(gè)AD轉(zhuǎn)換器為連接外圍設(shè)備提供了極其豐富的數(shù)據(jù)通信接口，主控內(nèi)置了JTAG接口，通過圖1的固件下載接口即可下載和調(diào)試程序。
[0032]作為一種優(yōu)選方式，所述通訊模塊包括有射頻模塊3和有線傳輸接口，所述有線傳輸接口包括有第一Mini USB接口 4和第二Mini USB接口 5，所述射頻模塊3用于實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，所述第一Mini USB接口4和第二Mini USB接口5用于實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)傳輸。
[0033]其中，射頻模塊3采用的芯片為nRF24L01+，nRF24L01+與主控模塊的數(shù)據(jù)通信協(xié)議為SPI，其工作在2.4G I SM頻段，空中最高傳輸速率為2Mbit/s，因此MEMS慣性傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻傳輸?shù)乃俾史浅？欤ＷC了數(shù)據(jù)無線通信的實(shí)時(shí)性；芯片內(nèi)置了EnhancedShockBurst?控制器允許主控模塊工作在低速通信而無線部分高速通信，減少了通信的電流消耗，增強(qiáng)型ShockBurstTM模式可以使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行起來更為容易有效，典型的雙向鏈接為發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后有應(yīng)答信號(hào)以便于發(fā)送方檢測有無數(shù)據(jù)丟失一旦數(shù)據(jù)丟失則通過重新發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)增強(qiáng)型的ShockBurstTM模式可以同時(shí)控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加主控模塊的工作量。
[0034]所述第一Mini USB接口4和第二Mini USB接口5分別搭配有USB轉(zhuǎn)串口模塊，該USB轉(zhuǎn)串口模塊的芯片為CP2102，其與主控模塊的通信協(xié)議為USART，具有集成度高的特點(diǎn)，可內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)，無需任何外部的USB器件。用它可以完成MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的USART接口的RS232協(xié)議和USB2.0協(xié)議的電平轉(zhuǎn)換和通信控制的工作。
[0035]在此基礎(chǔ)上，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還包括有:
[0036]鋰電池6，用于提供電源；
[0037]充電管理模塊7，其輸入端連接于第一Mini USB接口4或第二Mini USB接口5，其輸出端連接于鋰電池6，所述充電管理模塊7用于控制鋰電池6的充電狀態(tài);該充電管理模塊的芯片采用TP4056，它具有高達(dá)100mA的可編程充電電流，預(yù)設(shè)的4.2V充電電壓的精度達(dá)到正負(fù)I %，具備充電狀態(tài)雙輸出，無電池和故障狀態(tài)顯示的特點(diǎn)；
[0038]穩(wěn)壓模塊8，其連接于鋰電池6與控制模塊2之間，所述穩(wěn)壓模塊8用于將鋰電池6的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理后為控制模塊2供電；穩(wěn)壓模塊的芯片采用PAM3101AAA330，它為正電壓線性穩(wěn)壓器，具有低靜態(tài)電流(65μΑ典型值)，可以為慣性傳感器節(jié)點(diǎn)所有的模塊提供穩(wěn)定的低噪聲的3.3V電壓；
[0039]分壓電路9，所述分壓電路9的輸入端連接于鋰電池6，所述分壓電路9的輸出端連接于控制模塊2的AD轉(zhuǎn)換接口，所述分壓電路9用于采集鋰電池6的輸出電壓信號(hào)并傳輸至控制模塊2的AD轉(zhuǎn)換接口 ；鋰電池經(jīng)過分壓電路與主控模塊的AD轉(zhuǎn)換接口相連，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可以獲取精度高到±0.1V的鋰電池電壓。
[0040]連接于主控模塊2且用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的TF卡存儲(chǔ)模塊10;
[0041]連接于主控模塊2且用于發(fā)出燈光提示的三色LED指示燈11。關(guān)于LED指示燈，采用三色LED可以用來指示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前是工作在無線數(shù)據(jù)傳輸方式還是工作在有線數(shù)據(jù)傳輸方式、節(jié)點(diǎn)是否實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到TF卡，節(jié)點(diǎn)的三色LED燈可以指示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與另外節(jié)點(diǎn)或者無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器的射頻通信質(zhì)量，例如，LED燈不亮代表收發(fā)雙方之間沒法通信;LED燈穩(wěn)定的閃爍代表通信速率比較低;LED燈不穩(wěn)定的閃爍代表通信速率不穩(wěn)定，信號(hào)受干擾;常亮代表通信信號(hào)質(zhì)量好，傳輸穩(wěn)定。
[0042]本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用中，包含兩個(gè)MiniUSB接口，當(dāng)節(jié)點(diǎn)工作在有線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方式時(shí)，第一Mini USB接口和第二Mini USB接口都可以作為與另外節(jié)點(diǎn)的級(jí)聯(lián)通信接口(一進(jìn)一出)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)工作在有線單節(jié)點(diǎn)方式下的時(shí)候，第二Mini USB接口作為與PC機(jī)端的上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信接口(Mini USB接口 I不起任何作用)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支持USB供電和鋰電池供電兩種方式，方式的切換取決于供電方式切換開關(guān)的狀態(tài)，第二Mini USB接口不但可以為節(jié)點(diǎn)的鋰電池充電，還可以通過USB接口連接外部輸入電壓，為節(jié)點(diǎn)供電。
[0043]上述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，其內(nèi)置了MEMS慣性傳感器模塊，可有效獲取三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)共9軸數(shù)據(jù)，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備數(shù)據(jù)無線通信質(zhì)量和電量實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，節(jié)點(diǎn)不但可以獲取精確的三軸加速度、三軸角速度、三軸地磁場，還能夠支持有線和無線方式組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，使其可以靈活的工作在單節(jié)點(diǎn)工作模式和多節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模式中，并具有數(shù)據(jù)采集精度高、通信方式穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性好、能夠滿足多種應(yīng)用場景等優(yōu)勢。
[0044]關(guān)于MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作過程，結(jié)合圖2和圖3所示，其優(yōu)選工作流程為:上電后，首先進(jìn)行主控模塊初始化，包括USART、IIC、SP1、GP10總線、定時(shí)器等，然后進(jìn)行子模塊的初始化，包括TF卡存儲(chǔ)模塊、射頻模塊、慣性傳感器模塊，接下來對這些模塊進(jìn)行自檢，若存在未通過檢測的模塊，則輸出相應(yīng)的錯(cuò)誤信息，程序不繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)所有模塊的自檢都通過了，則主程序繼續(xù)執(zhí)行，并從TF存儲(chǔ)卡模塊加載系統(tǒng)配置信息，然后啟動(dòng)定時(shí)器開始采集傳感器數(shù)據(jù)，在程序主循環(huán)中，主控模塊不斷掃描“命令收到標(biāo)志變量”的值，如果該值為真，則說明中斷收到命令，程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到解析命令和響應(yīng)命令的流程中。
[0045]為了提高節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，軟件采用中斷的方式接收命令，包括串口中斷接收命令(針對有線傳輸方式)和(外部中斷接收命令)，一旦進(jìn)入任何一種中斷的服務(wù)函數(shù)，則“命令收到標(biāo)志變量的值”為真，在主程序的循環(huán)中就意味著節(jié)點(diǎn)收到命令，從而對命令進(jìn)行解析和對命令做出響應(yīng)。
[0046]為了精確計(jì)算采樣率，采集和發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都是在定時(shí)器中完成，在該過程中，首先根據(jù)TF卡模塊加載的或者臨時(shí)配置的信息，選擇數(shù)據(jù)傳輸方式，然后采集數(shù)據(jù)，打包成數(shù)據(jù)包后，最后發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)是有線的RS232還是無線的高頻載波，取決于數(shù)據(jù)傳輸方式。
[0047]在上述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還對多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，并提出一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，該方法基于PC機(jī)及多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于將其獲取的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)作為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的組網(wǎng)關(guān)系選擇預(yù)設(shè)傳輸方式，基于該預(yù)設(shè)傳輸方式而將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。
[0048]其中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不但能測量和采集精確的三軸加速度、三軸角速度、三軸地磁場、歐拉角(橫滾角、俯仰角、前傾角)，還能對其進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)，并且可以通過有線或者無線的方式發(fā)送到PC機(jī)端的上位機(jī)，系統(tǒng)支持4種數(shù)據(jù)傳輸方式，即有線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式、有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式、無線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，對于不同的數(shù)據(jù)傳輸方式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程和作用不一樣，但是無論工作在哪一種數(shù)據(jù)傳輸方式，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上電后都有共同的軟件工作流程。
[0049]作為優(yōu)選實(shí)施例，有線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式請參照圖4，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過由第一Mini USB接口4或第二Mini USB接口5構(gòu)成的有線傳輸接口將所述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)單獨(dú)傳輸至PC機(jī)。該模式下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)端的9軸慣性數(shù)據(jù)采集平臺(tái)相互通信，9軸慣性數(shù)據(jù)采集平臺(tái)僅采集一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)通過Mini USB接口與計(jì)算機(jī)的USB接口相連，采用RS232通信協(xié)議，節(jié)點(diǎn)僅負(fù)責(zé)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收來自9軸慣性數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的命令，不需要對其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。
[0050]作為優(yōu)選實(shí)施例，有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式請參照圖5，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的第一Mini USB接口4作為接收端，第二Mini USB接口 5作為發(fā)送端，多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依次串聯(lián)，并且最前端的第一Mini USB接口4和最末端的第二Mini USB接口5分別連接于PC機(jī)的USB接口，其中，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)與上一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)打包后發(fā)送至下一 MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該模式下，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過MiniUSB接口串聯(lián)起來，PC機(jī)既與最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，也與第一個(gè)節(jié)點(diǎn)相連。它們構(gòu)成了一個(gè)環(huán)型的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用RS232通信協(xié)議，針對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，Mini USB接口2與下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的Mini USB接口 I相連。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞饺缦?當(dāng)9慣性數(shù)據(jù)采集平臺(tái)對節(jié)點(diǎn)I發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令后，那么節(jié)點(diǎn)I開始采集本身的傳感器數(shù)據(jù)然后將其打包成數(shù)據(jù)包傳遞給節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)2將其本身的傳感器的數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)I傳遞過來的數(shù)據(jù)包打包成數(shù)據(jù)包傳遞給節(jié)點(diǎn)3，節(jié)點(diǎn)3將其本身的傳感器數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)2傳遞過來的節(jié)點(diǎn)I和節(jié)點(diǎn)2的傳感器數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)包傳遞給節(jié)點(diǎn)4，依次類推，最后由與PC機(jī)連接的節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一把前面所有的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞給9軸慣性數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，這是一種不等規(guī)則的傳遞方式，除了第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)既負(fù)責(zé)采集本身的傳感器數(shù)據(jù)，又負(fù)責(zé)搬運(yùn)上一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳遞過來的數(shù)據(jù)，越往后，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量越大，因此整個(gè)系統(tǒng)的采樣率大小取決于最后與PC機(jī)連接的一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。
[0051]作為優(yōu)選實(shí)施例，無線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式請參照圖6，所述PC機(jī)連接有無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過射頻模塊3將所述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)單獨(dú)發(fā)送至無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，再由無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸至PC機(jī)。該方式下，9軸慣性數(shù)據(jù)采集平臺(tái)只采集一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但是跟有線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式不同的是，其需要通過無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器才能與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線傳輸，節(jié)點(diǎn)的射頻模塊和無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器的射頻模塊負(fù)責(zé)完成二者之間的射頻傳輸。
[0052]作為優(yōu)選實(shí)施例，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式請參照圖7，所述PC機(jī)連接有無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器建立星型連接網(wǎng)絡(luò)，并采用輪訓(xùn)的方式，令當(dāng)前MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)向無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸完畢后，驅(qū)動(dòng)下一MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸至無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器。該模式下，節(jié)點(diǎn)之間采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)來收發(fā)驅(qū)動(dòng)命令，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)與無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器采用星型網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用輪訓(xùn)的方式，上一個(gè)節(jié)點(diǎn)往無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸完畢后，立刻驅(qū)動(dòng)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù)上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作，從而保證多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有條不紊的循環(huán)地往無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸數(shù)據(jù)，避免了多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)造成的沖突和碰撞。
[0053]具體地，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過公共信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每兩個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)有預(yù)設(shè)編碼的信道，每一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)設(shè)有節(jié)點(diǎn)編號(hào)。所述PC機(jī)內(nèi)預(yù)置有9軸慣性數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)，所述9軸慣性數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)用于設(shè)置節(jié)點(diǎn)編號(hào)、選擇兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信信道、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸間隔以及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。
[0054]實(shí)際應(yīng)用中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、它與前節(jié)點(diǎn)和后節(jié)點(diǎn)的通信信道，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器的公共信道、以及時(shí)間間隙都統(tǒng)一由9軸慣性數(shù)據(jù)采集平臺(tái)管理，包括增加、刪除節(jié)點(diǎn)和更改采樣率和量程等，并可將配置信息存儲(chǔ)到節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的TF卡模塊中。
[0055]本發(fā)明公開的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，除了能夠獲取三軸加速度、三軸角速度、三軸地磁場和歐拉角外，還具有集成度高，精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，此外，在網(wǎng)絡(luò)傳輸方法中，具備了一般節(jié)點(diǎn)沒法具備的很多，比如具備了4種數(shù)據(jù)傳輸方式，即有線單節(jié)點(diǎn)、有線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線單節(jié)點(diǎn)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方式，四種工作方式根據(jù)不同的應(yīng)用場景，可以通過計(jì)算機(jī)端的9軸慣性數(shù)據(jù)采集平臺(tái)進(jìn)行靈活的配置和切換，配置的結(jié)果可以存儲(chǔ)到TF卡模塊中。節(jié)點(diǎn)既可用USB供電，也可用鋰電池供電，節(jié)點(diǎn)的3色LED燈可以指示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與另外節(jié)點(diǎn)或者無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器的射頻通信質(zhì)量。綜上所述，本發(fā)明較好地提供了一種具有高精度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集、通信方式穩(wěn)定可靠、滿足實(shí)時(shí)性要求、適合多種應(yīng)用場景的傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案，適合在本領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用，并具有較好的市場前景。
[0056]以上所述只是本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)所做的修改、等同替換或者改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明所保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于，包括有: 一 MEMS慣性傳感器模塊，用于獲取三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)； 一通訊模塊，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 一主控模塊，所述MEMS慣性傳感器模塊和通訊模塊分別連接于主控模塊，所述主控模塊用于將MEMS慣性傳感器模塊獲取的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)作為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并經(jīng)由通訊模塊發(fā)送出去。2.如權(quán)利要求1所述的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述通訊模塊包括有射頻模塊和有線傳輸接口，所述射頻模塊用于實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，所述有線傳輸接口用于實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)傳輸。3.如權(quán)利要求2所述的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征在于，還包括有: 鋰電池，用于提供電源； 充電管理模塊，所述充電管理模塊用于控制鋰電池的充電狀態(tài)； 穩(wěn)壓模塊，其連接于鋰電池與控制模塊之間，所述穩(wěn)壓模塊用于將鋰電池的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理后為控制模塊供電； 分壓電路，所述分壓電路的輸入端連接于鋰電池，所述分壓電路的輸出端連接于控制模塊的AD轉(zhuǎn)換接口，所述分壓電路用于采集鋰電池的輸出電壓信號(hào)并傳輸至控制模塊的AD轉(zhuǎn)換接口。4.一種MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于，該方法基于PC機(jī)及多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于將其獲取的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸角速度數(shù)據(jù)和三軸地磁場數(shù)據(jù)作為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的組網(wǎng)關(guān)系選擇預(yù)設(shè)傳輸方式，基于該預(yù)設(shè)傳輸方式而將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。5.如權(quán)利要求4所述的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)傳輸方式包括有線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式: 所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過有線傳輸接口將所述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)單獨(dú)傳輸至PC機(jī)。6.如權(quán)利要求4所述的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于，所述有線傳輸接口包括第一Mini USB接口和第二Mini USB接口，所述預(yù)設(shè)傳輸方式包括有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式: 所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的第一Mini USB接口作為接收端，第二Mini USB接口作為發(fā)送端，多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依次串聯(lián)，并且最前端的第一Mini USB接口和最末端的第二Mini USB接口分別連接于PC機(jī)的USB接口，其中，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)與上一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)打包后發(fā)送至下一 MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。7.如權(quán)利要求4所述的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)傳輸方式包括無線單節(jié)點(diǎn)傳輸方式: 所述PC機(jī)連接有無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過射頻模塊將所述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)單獨(dú)發(fā)送至無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，再由無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸至PC機(jī)。8.如權(quán)利要求4所述的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)傳輸方式包括無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式: 所述PC機(jī)連接有無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，多個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器建立星型連接網(wǎng)絡(luò)，并采用輪訓(xùn)的方式，令當(dāng)前MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)向無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸完畢后，驅(qū)動(dòng)下一 MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸至無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器。9.如權(quán)利要求8所述的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于，所述MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過公共信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每兩個(gè)MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)有預(yù)設(shè)編碼的信道，每一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)設(shè)有節(jié)點(diǎn)編號(hào)。10.如權(quán)利要求9所述的MEMS慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于，所述PC機(jī)內(nèi)預(yù)置有9軸慣性數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)，所述9軸慣性數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)用于設(shè)置節(jié)點(diǎn)編號(hào)、選擇兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信信道、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸間隔以及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK105915631SQ201610383671
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】寧運(yùn)琨, 趙國如, 李慧奇
【申請人】深圳先進(jìn)技術(shù)研究院