摘 要： 設計了一種人員腳步聲采集系統，該系統以STM32微控制器為核心，采用三分量加速度傳感器MMA7260采集人員的腳步聲信號。在與上位機的通信過程中，STM32采用無線發射模塊或者串口向上位機發送數據，上位機在接收到數據后將上傳的數據轉換成模擬波形。大量實驗數據表明，該系統能夠準確地采集到人員的腳步聲信號，為后續的人員腳步聲的特征提取及多人腳步聲信號分離提供了準確的原始數據。
關鍵詞： 加速度傳感器；人員腳步信號；MMA7260；STM32；信號采集
在人獨特的生理特征和行為特征中，人員的腳步聲作為一種新興的生物識別技術正受到越來越多的研究者的關注。較之人臉、指紋、虹膜等其他的生物特征[1]，人員的腳步聲具有在非接觸或者隱蔽的狀態下進行人身份鑒別等優點。由于人的生理特征比較穩定，不易被竊取，因此在生物識別中具有更大的優勢及準確性。現今生物識別技術已經逐漸成為一種公認的應用較為廣泛的身份認證技術[2]。
而生物識別技術是在大量的原始數據的基礎上進行的，因此本文就人員的腳步聲的采集系統進行了設計。設計中采用MMA7260三軸加速度傳感器采集人員的腳步聲信號，經過STM32101C8T6微控制器（MCU）的處理將數據傳送到上位機顯示。該采集系統外形小巧，易于安裝，能夠準確地采集到人員的腳步聲信號，為后續的腳步聲的特征提取及多人腳步聲信號分離提供大量的原始數據。
1 人員腳步聲采集系統方案設計
人員腳步聲信號采集系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成。在硬件系統設計中，通過MMA7260三軸加速度傳感器同時采集人員腳步聲3個方向的加速度信號，將采集到的數據通過STM32的A/D轉換器進行轉換、存儲。在與上位機的通信過程中，STM32將轉換后的數據通過無線發射模塊或者串口發送到上位機上，供上位機處理。硬件系統總體框圖如圖1所示。
在軟件系統設計中，由微控制器軟件系統和上位機軟件系統兩部分組成。單片機軟件系統包括驅動程序和應用程序兩部分，如圖2所示。在驅動程序中，首先需要配置好信號采集過程中用到的A/D驅動、DMA驅動和存儲驅動等。在應用程序中，主要是編寫A/D采集程序及與上位機通信程序。在上位機軟件設計中，將采集到的腳步聲信號轉換成模擬信號，并將模擬信號波形顯示出來。
2 腳步聲采集系統硬件設計
2.1 STM32101C8T6與MMA7260
STM32F101C8T6基于ARM 32 bit的Cortex-M3內核，其具有豐富的外設：2個SPI接口，3個USART接口，10通道的A/D，并且具有DMA、定時器等，可以滿足本系統的需求。因此選取STM32F101C8T6 MCU作為主控制芯片。
MMA7260Q[3]是一種低成本、單芯片、三軸向、高靈敏度的加速度傳感器，基于表面微機械結構，集成信號調理電路、單極點低通濾波器和溫度補償部分，并且具有4種不同的靈敏度選擇模式。本設計采用MMA7260來測量人走路時三維的加速度信號[4]。MMA7260的功能如圖3所示[5]，X、Y、Z 3個相互垂直方向上的加速度由G-Cell傳感單元感知，經過容壓變換器、增益放大、濾波器和溫度補償后，以電壓信號輸出。
2.2 硬件系統總體設計
人員腳步聲采集系統以STM32101C8T6 MCU為核心，STM32的工作電壓（VDD）為2.2~3.6 V，MMA7260的正常工作電壓范圍也是2.2~3.6 V，因此選擇3節1.2 V電池進行供電，能夠滿足系統要求。
MMA7260的3個加速度輸出管腳分別與STM32的A/D轉換器中的3個通道相連。由于MMA7260內部使用開關電容作為濾波器，為降低時鐘帶來的噪聲，在輸出通道上采用RC濾波，在輸出通道上使用1 k?贅的電阻和0.1 μF的電容構成RC濾波器。為了更加準確地采集到人員腳步聲加速度信號，在硬件電路實現時，還應保證MMA7260與STM32的物理連接距離最短，在板卡元器件布局過程中，將MMA7260放在板卡的背面，STM32放在板卡的正面，兩者正對放置，保證了硬件連線最短。這樣既減少了寄生電阻、寄生電容的產生，同時也防止了加速度信號的衰減和噪聲的干擾。
為了能讓采集系統和上位機通信，在設計過程中利用MCU的USART外設外接MAX3232芯片進行電平轉換，引出RS-232接口通過串口線與上位機進行通信。同時，預留了SPI接口，可以外接UTC1212SE無線發射模塊，方便地與上位機進行無線數據傳輸。
硬件電路的設計首先應該按照硬件板卡所要實現的功能及總體功耗來選取適當的器件進行設計。為了達到硬件板卡的小型化及低功耗的目的，在選擇元器件時都選用貼片形式，而整個板卡34 mm×26 mm的尺寸也是比較小巧的，方便了硬件板卡的安裝及放置。在選擇芯片時都選用了帶有休眠功能的芯片，在沒有腳步聲信號到來時，芯片都處于低功耗狀態；腳步聲信號到來時自動喚醒芯片，進行腳步聲信號的采集，有效地降低了系統功耗。
3 腳步聲采集系統軟件設計
3.1 單片機軟件系統設計
在軟件系統設計中，首先根據硬件電路圖配置相應的I/O端口：配置USART引腳；設置g-Select1和g-Select2為0、1；將MMA7260的測量范圍調整到4 g，精度調整到300 mV/g；X軸、Y軸和Z軸3個方向上分別配置成與STM32101C8T6的第7個、第8個和第9個模數轉換通道等。
當MMA7260采集到人員腳步聲3個方向的加速度信號時，STM32101C8T6內置的模數轉換器開始采樣，經過A/D轉換后，將轉換后的數據通過DMA傳輸存儲于內存中。
本系統采用了1 000 Hz的采樣頻率。在實驗中， X軸、Y軸和Z軸3個方向上均記錄5 000個數據， 每個數據占用2 B，3個方向的數據總共需要30 KB的存儲空間。為了保證采集信號時間的準確性，在軟件設計中選用了STM32101C8T6的TIMER1來產生定時器中斷。每1 ms產生一次定時器中斷，在中斷程序中開始采集腳步聲信號，并將其存儲到存儲區。其流程圖如圖4所示。
3.2 上位機軟件設計
在上位機軟件設計中，當上位機接收到數據以后，首先判斷協議頭數據是否正確，若正確，則連續接收后面的數據。數據全部接收完成以后，將3個方向的加速度數字信號分別轉換成相應的模擬信號。轉換完成后分別將3個方向上的模擬量繪圖顯示出來，整個程序流程圖如圖5所示。
4 實驗結果與分析
為了采集到準確的腳步聲信號，在實驗中采集了大量的原始腳步聲信號。實驗環境在噪聲比較小的封閉教室內進行，將硬件板卡的背面（即有MMA7260那面）與地面緊密接觸。測試對象分為單人和多人幾組進行，在單人測試過程中測試對象以T=0.5 s左右的步頻行走5 s；多人測試過程中所有的人也都以T=0.5 s左右的步頻行走5 s，但每個人的開始行走的起始點不同。
單人腳步聲測試以Y軸方向的加速度信號為例，測得的加速度信號如圖6所示。圖6中縱坐標代表加速度信號的強度，橫坐標代表行走時間。測試實驗結果表明，腳步聲信號具有一定的周期性，每隔0.5 s左右能夠檢測到一次腳步聲信號；腳步聲信號的持續時間與人員的行走方式有一定的關系；人員離傳感器距離越來越遠時，腳步聲信號的強度逐漸降低。
多人腳步聲測試Y軸方向的加速度信號為例，測得的加速度信號如圖7所示。圖中縱坐標代表加速度信號的強度，橫坐標代表行走時間。測試結果表明：多人的腳步聲信號混雜在一起，在噪聲比較小的環境中能夠明顯看出多人腳步聲信號的整體輪廓；在腳步聲比較密集時，混雜在一起的腳步聲信號波形也比較密集，在腳步聲比較稀疏時，混雜在一起的腳步聲信號波形也比較的稀疏；每個人的腳步聲信號強度也有些差異。采集到的大量的原始數據，為后續的多人腳步聲信號的分離提供了準確的數據。
本文設計的人員腳步聲采集系統板卡小巧，易于放置，系統整體功耗低，能夠不間斷地長時間工作。實驗結果表明，此采集系統能夠準確地采集到人員的腳步聲信號。采集得到的大量的原始信號為后續的單人腳步聲的特征提取及多人腳步聲的信號分離都提供了準確的數據。在下一步的工作中，將利用采集到的原始信號分離出單一的腳步聲信號。
參考文獻
[1] 薛召軍.步態識別研究現狀與進展[J].生物醫學工程學雜志，2008，25（5）：1217-1221.
[2] 田捷，楊鑫.生物特征識別技術理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2005.
[3] Freescale． MMA7260Q data sheet[EB/OL]． http：//www.freeseale． com/webapp/sps/prod-sunmaary．jsp?code=MMA7260Q&srch=1，2006-03-02．
[4] 李爽，羅志增，孟明．基于加速度傳感器的下肢運動信息獲取方法[J].機電工程，2009，26（1）：5-7，16．
[5] 侯向鋒，劉蓉.加速度傳感器MMA7260在步態特征提取中的應用[J].傳感技術學報，2007，20（3）：508-509.