穿戴式頸部姿態(tài)預(yù)防矯正儀設(shè)計(jì)探討

韓婉婉　姜楠　張超

摘要：根據(jù)調(diào)查顯示，頸椎病的發(fā)病人群趨于年輕化，尤其是辦公室人群和青少年。據(jù)此，文章設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103單片機(jī)的頸部姿態(tài)預(yù)防矯正儀。此頸部姿態(tài)預(yù)防矯正儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶工作時(shí)頸部姿態(tài)的檢測(cè)、顯示以及語音提醒的功能。該設(shè)計(jì)采用多角度檢測(cè)，全面可靠、實(shí)用價(jià)值高、應(yīng)用范圍廣。

關(guān)鍵詞：頸椎病；STM32F103單片機(jī)；多角度檢測(cè)；預(yù)部姿態(tài)；預(yù)防矯正儀 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP242 文章編號(hào)：1009-2374（2015）19-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.013

頸椎病是一種常見病與多發(fā)病，影響人群范圍較廣，從21～83歲均可患病，患病率達(dá)64.52%以上。一般而言，頸椎病是中老年人的一種多發(fā)病，40～60歲為高發(fā)年齡，而70歲以后患病率達(dá)90%。但近年來的研究表明，頸椎病患病率呈現(xiàn)年輕化的趨勢(shì)，越來越多的青少年人群和辦公室工作者患頸椎病，特別是對(duì)于長(zhǎng)期伏案工作或工作環(huán)境緊張的人員來說，頸椎病的患病率明顯高于其他人群。本文設(shè)計(jì)的頸部姿態(tài)矯正器旨在降低頸椎病的發(fā)生率，特別是青少年人群和辦公室工作者。

本文設(shè)計(jì)的頸部姿態(tài)矯正器是一種穿戴式的儀器，采用小型STM32F103作為主控芯片，GY-521傳感器和彎曲傳感器分別獲取用戶的頸部?jī)A斜角度和背部彎曲程度，GY-521傳感器所獲得數(shù)據(jù)經(jīng)IIC通信發(fā)送給主控芯片，主控芯片根據(jù)獲取的信息智能控制提醒模塊實(shí)時(shí)提醒用戶做頸部保健操。與其他坐姿矯正儀相比，此頸部姿態(tài)矯正儀能夠更加集中的檢測(cè)用戶頸部的姿態(tài)，更注重提醒用戶做頸部保健操，提高了儀器的實(shí)用價(jià)值，使用起來更加簡(jiǎn)單、方便。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)作為主控芯片，以GY-521六軸傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶坐姿的檢測(cè)，利用彎曲傳感器檢測(cè)身體背部的彎曲程度。將信息通過顯示和語音提醒的方式傳達(dá)給用戶。首先檢測(cè)用戶正常坐姿情況下所對(duì)應(yīng)的頸部?jī)A斜角度范圍值，然后將此范圍值作為STM32F103單片機(jī)檢測(cè)用戶坐姿的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)用戶佩戴后，GY-521六軸傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前坐姿，并將獲取的數(shù)據(jù)通過IIC通信傳送給STM32F103單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，判斷用戶此時(shí)的坐姿是否在人體正常坐姿的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。若佩戴者坐姿不正確或工作時(shí)間過長(zhǎng)，單片機(jī)則控制提醒模塊做出相應(yīng)的提醒并將此時(shí)的信息通過LCD顯示屏提供給用戶。另外，彎曲傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)佩戴者的背部彎曲程度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)之后將背部信息通過LCD顯示屏顯示，從而使頸部姿態(tài)預(yù)防矯正器達(dá)到使用的全面化、方便化，實(shí)時(shí)地達(dá)到預(yù)防頸椎病的目的。設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件系統(tǒng)

2.1 STM32F103單片機(jī)模塊

在本系統(tǒng)中，STM32F103單片機(jī)作為主控芯片，主要負(fù)責(zé)控制檢測(cè)模塊GY-521六軸傳感器和提醒模塊。系統(tǒng)還將利用主控芯片的IIC通信功能和LCD屏顯示功能將自身頸部姿態(tài)信息和背部彎曲信息傳達(dá)給佩戴者。通過IIC通信接收GY-521六軸傳感器傳送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，再通過LCD顯示屏將數(shù)據(jù)顯示給用戶，使用戶清楚明了自己此時(shí)所處的姿態(tài)，有利于用戶建立頸部保健意識(shí)。部分LCD顯示模塊如圖2所示：

圖2 基本信息顯示

2.2 提醒模塊

系統(tǒng)使用語音芯片OTP和手機(jī)震動(dòng)電機(jī)作為提醒用戶的工具。用戶可根據(jù)實(shí)際情況在不同的場(chǎng)合下選擇不同的提醒模式。

當(dāng)選擇語音提醒時(shí)，若判斷出用戶坐姿不正確，STM32F103單片機(jī)將控制語音芯片OTP發(fā)出“請(qǐng)糾正您的坐姿，謝謝！”的提示；若判斷出用戶的工作時(shí)間超過1個(gè)小時(shí)，STM32F103單片機(jī)將控制語音芯片OTP發(fā)出“您的工作時(shí)間過長(zhǎng)，請(qǐng)注意休息并做頸部保健操，謝謝！”的提示；在此，語音提醒的聲音大小可根據(jù)佩戴者自己的意愿進(jìn)行調(diào)整，在做頸部保健操的同時(shí)，語音芯片將會(huì)播放佩戴者事先下載好的音樂，使用戶體驗(yàn)較舒服的休息方式。此模式較適用于輕松、適宜播放聲音的工作場(chǎng)合。

當(dāng)選擇震動(dòng)提醒時(shí)，若判斷出用戶坐姿不正確，STM32F103單片機(jī)將控制震動(dòng)電機(jī)發(fā)出短時(shí)間的震動(dòng)提醒；若判斷出用戶工作時(shí)間超過1個(gè)小時(shí)，STM32F103單片機(jī)將控制震動(dòng)電機(jī)發(fā)出長(zhǎng)時(shí)間的震動(dòng)提醒。因?yàn)檎饎?dòng)模式不會(huì)發(fā)出較大的響聲，所以比較適于安靜的工作

場(chǎng)合。

2.3 GY-521傳感器檢測(cè)傾斜角度

GY-521傳感器由三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)組成，三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)都可分別計(jì)算角度值，但計(jì)算出的角度存在誤差較大的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用融合算法將三軸陀螺儀測(cè)得的角速度和三軸加速度計(jì)測(cè)得的角度進(jìn)行融合得到更加準(zhǔn)確的頸部?jī)A斜角度值，再將測(cè)得的數(shù)值通過IIC通信發(fā)送給STM32F103單片機(jī)。

加速度計(jì)計(jì)算的姿態(tài)角：

陀螺儀計(jì)算的角速度：

頸部?jī)A斜角度計(jì)算公式：

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用上述公式計(jì)算出的角度值比單一的陀螺儀、加速度計(jì)測(cè)出的角度精確許多。

其中，0.98和0.02是根據(jù)平衡效果得到，不同的要求數(shù)值會(huì)有所不同。

2.4 彎曲傳感器

系統(tǒng)使用彎曲傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶背部彎曲程度的檢測(cè)。彎曲傳感器的工作原理是將外界的彎曲程度轉(zhuǎn)化為可視化的電阻值輸出。本系統(tǒng)中的彎曲傳感器主要根據(jù)用戶背部的彎曲程度的變化，對(duì)應(yīng)輸出變化的阻值。將模擬量電阻轉(zhuǎn)化為數(shù)字量發(fā)送到STM32F103單片機(jī)中。STM32F103單片機(jī)通過綜合分析之后，對(duì)此時(shí)用戶背部姿態(tài)做出判斷，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過LCD顯示屏顯示給用戶。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

通過實(shí)驗(yàn)，得出正確坐姿的頸部縱向傾斜角度變化范圍為15°左右，若前傾角度范圍和后仰角度范圍超出15°一定時(shí)間時(shí)會(huì)對(duì)佩戴者的頸部造成一定程度的危害，所以，當(dāng)佩戴者的頸部?jī)A斜角度超出這一范圍，頸部姿態(tài)預(yù)防矯正儀將會(huì)提醒佩戴者做出恰當(dāng)?shù)母恼鸬筋A(yù)防頸椎病的效果。

通過對(duì)測(cè)試人員的反復(fù)試驗(yàn)得出本款設(shè)計(jì)完全能夠達(dá)到及時(shí)提醒、及時(shí)預(yù)防、提醒用戶及時(shí)做頸部保健操的目的。

4 結(jié)語

隨著人們生活水平越來越趨于信息化，人們的健康意識(shí)也得到了一定的提高。隨著頸椎病發(fā)病率的逐年提高以及發(fā)病率的年輕化趨勢(shì)，頸部姿態(tài)預(yù)防矯正儀將會(huì)是人們生活中不可或缺的一部分。本款設(shè)計(jì)通過STM32F103單片機(jī)、GY-521六軸傳感器、語音提醒、震動(dòng)提醒模塊，在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上將頸部姿態(tài)矯正器的矯正指標(biāo)調(diào)整到最好，以達(dá)到能夠正確矯正佩戴者坐姿以及預(yù)防頸椎病的目的。使佩戴者使用起來更放心、更方便，提高了本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的適用范圍。

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作者簡(jiǎn)介：韓婉婉（1993-），女，河南人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

（責(zé)任編輯：周 瓊）