一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统及其数据传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系 统及其数据传输方法，属于动作采集技术领域。
【背景技术】
[0002] 从20世纪80年代开始，运动捕捉最初被使用于人体捕捉方面，但是，运动捕捉系统 不但可以捕捉人体，也可以捕捉机械结构、动物等等。其中，对人体、动物的动作捕捉已被大 量应用于影视制作。与此同时，动作捕捉也在向医疗、虚拟现实等方向拓展，发展前景非常 广阔。
[0003] 前端设备对人体动作数据的捕获是惯性动作捕捉系统的关键技术之一，因此，如 何将采集到的数据实时并且正确的传送到数据处理单元成为整个系统的重中之重。数据传 输部分使用的方案主要有有线传输和无线传输两种。
[0004] 有线传输，即将安装在人体身上的每个节点通过总线的方式连接在一起，每个传 感器节点是总线的从设备，通过特定传输协议比如modbus协议与sink节点进行通信。这种 数据通信速率高，并且稳定，但是，各个节点之间的连线会束缚人的运动，用户体验极差。
[0005] 无线传输包括WiFi、Zigbee和蓝牙。其中，WiFi传输能够满足大容量的数据传输要 求，但是，其自组网的功能比较弱，功耗大并且成本较高。Zigbee传输虽然功耗较小，组网机 制比较成熟，但是，Zigbee技术连接速度和数据传输速度都比较慢，不能够达到预期要求。 另外，WiFi和Zigbee都属于ISM2.4G频段，没有自适应跳频功能，不能够和其他无线技术共 存，很容易受到物理空间中的相同频段的信号干扰，数据传输就会出现延迟或者出现错误， 因此，对于环境的要求就比较苛刻。蓝牙4.0技术于2010年被蓝牙技术联盟SIG写入蓝牙规 范。蓝牙4.0支持星型网络拓扑结构和点对点数据传输，能够在多种模式下工作，并且在传 统蓝牙的基础上极大地降低了功耗，数据传输速度为IMbps，蓝牙4.0采用自适应跳频技术， 能够最大程度地减少ISM2.4G其他无线电信号的干扰。随着蓝牙技术的不断发展，组网能力 不断增强，无论是在智能家居、智能硬件还是可穿戴智能设备等物联网领域，蓝牙大有取代 Zigbee的趋势。三种无线技术的参数指标对比如表1所示。
[0006] 表 1
[0008] 目前，基于MEMS的惯性动作捕捉技术正处于发展初期，其数据传输方案也没有非 常好的的解决方法。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数 据传输的惯性动作捕捉系统；
[0010] 本发明还提供了上述惯性动作捕捉系统的数据传输方法。
[0011]术语解释
[0012] 蓝牙低能耗(BLE)技术，是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术，工作在免 许可的2.4GHz ISM射频频段。它从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术。它利用许多智 能手段最大限度地降低功耗。蓝牙低能耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体 应用可以设置为几毫秒到几秒不等。另外，因为BLE技术采用非常快速的连接方式，因此平 时可以处于"非连接"状态(节省能源），此时链路两端相互间只是知晓对方，只有在必要时 才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。
[0013] 本发明的技术方案为：
[0014] -种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统，包括N个 数据采集模块、M个sink节点及一个Root节点，所述N个数据采集模块分成M组，每一组的所 有数据采集模块分别无线连接一个sink节点，M个sink节点分别无线连接一个Root节点；所 述数据采集模块包括若干个传感器、M⑶及一个BLE模块，若干个传感器及一个BLE模块分别 连接M⑶，所述s ink节点包括BLE模块，所述Root节点包括BLE模块，所述N个数据采集模块分 别设置在采集对象的N个关节处；
[0015] 所述数据采集模块用于:采集对应关节处的数据，并将数据传输至与该数据采集 模块连接的s i nk节点；
[0016] 所述s ink节点用于:短时存储该s i nk节点连接的所有数据采集模块传输的数据， 并将其传输至所述Root节点。
[0017] 本发明提出了一种基于蓝牙4.0的动作捕捉系统数据传输的网络结构，即树状网 络拓扑结构:在采集对象各个关节处增加 BLE模块，使得每一个关节处都能够使用蓝牙技术 和sink节点通信，并将所有的关节处分成若干组，每组连接一个sink节点，每一组中的关节 处的数据都可以与和自己的s ink节点进行数据传输，s ink节点通过串口与Roo t节点进行数 据传输，组成一种树状传输网络。
[0018] 本发明基于蓝牙的树状传输网络有效的解决了 WiFi和Zigbee无线技术在动作捕 捉系统中的不足，同时让用户摆脱了数据线的束缚，提升了用户体验，并且降低了整个系统 的功耗。
[0019] 根据本发明优选的，所述BLE模块的型号为SOC-CC2540。
[0020] S〇C-CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051 微控制器，低功耗模式下工作，具有自适应跳频技术选择特定频率下数据传输，减少其他 2.4G无线电磁波的干扰，超低功耗模式下工作，提供可靠稳定持久的数据传输服务。
[0021] 根据本发明优选的，所述M⑶的型号为STM32L152RBT6。
[0022] 根据本发明优选的，所述N的取值范围为15-18。
[0023]根据本发明优选的，所述若干个传感器包括:加速度计、陀螺仪、磁力计，所述加速 度计及所述陀螺仪的型号为MPU6050，所述磁力计的型号为MAG3110。
[0024] 加速度计和陀螺仪使用InvenSense公司的MPU6050芯片，由于该芯片集成了三轴 加速度计与三轴陀螺仪，加速度计与陀螺仪坐标系中心是重合的，无需考虑补偿问题，为硬 件的设计和程序的编写提供了方便。
[0025] 磁力计使用飞思卡尔公司设计生产的MAG3110JAG3110可以在宽达+/-ΙΟΟΟμΤ的 范围内测量磁场强度，先进的过采样技术可以将噪声控制在〇.25uT，同时具有低功耗特性， 在0·6Ηζ的0DR(0utput Data Rate)下仅需8.6uA的电流。
[0026]上述惯性动作捕捉系统的数据传输方法，具体步骤包括：
[0027] (1)所述MCU通过读取所述加速度计、所述陀螺仪、所述磁力计上的数据，获取每个 关节处的动作信息，所述动作信息包括加速度、角速度和磁强度，并将动作信息进行压缩四 元数处理并短暂存储；
[0028] (2)通过所述数据采集模块的BLE模块将步骤(1)处理并短暂存储的每个关节处的 动作信息发送至所述sink节点的BLE模块；
[0029] (3)所述s ink节点的BLE模块将数据发送至Root节点的BLE模块。
[0030]两个BLE模块的之间数据的通信是通过蓝牙协议栈的GATT层实现的。GATT层分为 GATT客户端和GATT服务器端，客户端读取数据，服务器端为客户端提供数据服务。数据的读 写通过读取GATT服务的特征值，特征值可以自己定义，并且特定的特征值的数据长度最大 为20个字节。
[0031] 根据本发明优选的，所述步骤（1)中，所述将动作信息进行压缩四元数处理，具体 是指：对每个关节点的动作信息的格式进行定义，该格式包括Node Identity、Packet Identity、W、X、Y、Z，Node Identity表示每个关节处对应的节点编号，Packet Identity为 数据包的编号，表示已经读取该关节处的动作信息的次数，因为要不断地采集关节处的动 作信息，所以每秒钟需要读取50-60次，这个数据包编号表示发送的第几次动作信息，作用 是同步所有关节处的动作信息;W、X、Y、Z是指加速度计的数据、角速度计的数据和磁力计的 数据压缩的四元数。格式如表2所示：
[0032] 表 2
[0034]节点编号的作用是用于标识该数据包属于采集对象哪个关节处的数据，数据包编 号表示发送的第几次数据，作用是同步所有节点的数据，WXYZ为压缩的四元数，其可以还原 人体动作信息，在网络中可以降低整个系统的网络负载。
[0035] 本发明的有益效果为：
[0036] 1、本发明数据传输方式采用无线的方式，能够很大程度上解决数据传输线对人体 运动的限制和阻碍，增强演员或者游戏者的自由度，极大的提高用户体验。
[0037] 2、本发明的核心技术采用蓝牙4. OBLE规范，能够最大程度地降低整个传输网络的 系统功耗，并且蓝牙4.0具有自适应跳频技术，能够很好的处理空间中ISM2.4G频段其他信 号的干扰，建立一种树状网络拓扑结构，可以提供稳定可靠的数据传输服务，并且这种树状 网络拓扑结构随着sink节点的的级数和数量的增加，网络的拓扑大小和覆盖的范围将随之 增加，网络的可拓展性非常强。
【附图说明】
[0038]图1为蓝牙星型网络拓扑结构图；
[0039] 图1中，蓝牙星型网络拓扑结构是一个主设备与六个从设备通信，现有的蓝牙星型 网络拓扑结构最多是一个主设备与七个从设备通信，但是，人体动作捕捉系统人体关节有 15-18个，不能够满足要求。
[0040] 图2为实施例1所述惯性动作捕捉系统的树状网络拓扑结构图；
[0041]图3为本发明所述数据采集模块的结构框图；
【具体实施方式】
[0042]下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
[0043] 实施例1
[0044] -种基于蓝牙4.0的用于实现低功耗无线数据传输的惯性动作捕捉系统，包括18 个数据采集模块、3个sink节点及1个Root节点，所述18个数据采集模块分成3组，每一组的 所有数据采集模块分别无线连接1个sink节点，3个sink节点分别无线连接1个Root节点;所 述数据采集模块包括若干个传感器、M⑶及一个BLE模块，若干个传感器及一个BLE模块分别 连接MCU，所述sink节