基于九軸重力加速度傳感器設(shè)計的頸椎疾病預(yù)防設(shè)備

高鵬++楊雪晨++李明昕

摘要： 基于人體運(yùn)動追蹤和人機(jī)工程學(xué)原理及物聯(lián)網(wǎng)思想，設(shè)計了一種硬件結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、抗干擾能力強(qiáng)的頸椎疾病預(yù)防設(shè)備。測量單元選用九軸重力加速度傳感器測量人體頭部運(yùn)動傾角，數(shù)據(jù)傳輸單元選用無線藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)與移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（手機(jī)APP）的通信，控制單元選用51系列單片機(jī)STC89C52作為控制核心。實(shí)踐證明，本設(shè)備能有效的預(yù)防頸椎病。

Abstract： Based on ergonomics， moving objects relative parameter measuring principle and networking thought， the article designs cervical spondylosis preventive equipment with simple hardware structure， convenient carrying and better anti-interference capacity. The measure unit use 9-axis acceleration sensor， the data tranfers unit use wireless bluetooth， realizing the communication of moveable type internet application（mobile APP）， the controls unit use 51 signle-chip microcomputer STC89C52. Practice proves that the equipment can prevent cervical spondylosis effectively.

關(guān)鍵詞： 九軸重力加速度傳感器；頸椎疾病預(yù)防；單片機(jī)；移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

Key words： 9-axis acceleration sensor；cerivical spondylosis preventive；SCM；moveable type internet application

中圖分類號：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0151-02

0 引言

目前，國內(nèi)外人體運(yùn)動追蹤的相關(guān)理論發(fā)展日臻成熟，人體運(yùn)動追蹤技術(shù)在許多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。人體追蹤有多種方法，總體上分為三類：非視覺跟蹤、視覺跟蹤和機(jī)器人輔助跟蹤[1]。視覺跟蹤和機(jī)器人輔助跟蹤由于成本較高，在智能醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用較少，而在智能醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用最多的也是最為廣泛的屬非視覺跟蹤。筆者介紹一種用于頸椎疾病預(yù)防的設(shè)備，利用人體追蹤技術(shù)中的慣性傳感器跟蹤方法，將傳感器采集到的信號計算整合后通過藍(lán)牙發(fā)送至軟件端，軟件端通過圖像向用戶呈現(xiàn)出運(yùn)動姿態(tài)是否滿足要求，最終以運(yùn)動頸部的方式達(dá)到預(yù)防頸椎病的目的。

1 九軸重力加速度傳感器傾角測量原理

當(dāng)今市場上慣性傳感器門類眾多，但其原理大同小異。本設(shè)備采用了一款新型的集成傳感器——九軸重力加速度傳感器，其傳感器本體上集成了ADXL345三軸加速度計、HMC5883L磁力計和ITG3205三軸陀螺儀。在普通的慣性狀態(tài)下，傾角的測量一般采用三軸加速度計，以物體所受重力方向為基準(zhǔn)，根據(jù)重力加速度在傳感器的三個感應(yīng)軸上的重力分量來計算物體的傾角。當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，加速度計的測量非常準(zhǔn)確。但是當(dāng)物體處于運(yùn)動狀態(tài)且速度不恒定時，加速度計測量到的是重力加速度與物體運(yùn)動加速度的疊加，此時計算所得的物體姿態(tài)傾角是不準(zhǔn)確的。因此，本設(shè)備采用三軸陀螺儀，通過對其三個測量軸上的瞬時角加速度進(jìn)行積分運(yùn)算來計算物體相對于初始狀態(tài)的偏轉(zhuǎn)角度?？紤]到漂移、噪聲、振動等干擾因素，這里選用一種簡單、直觀的多傳感器融合方法，將三軸加速度計和三軸陀螺儀的測量結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均[2]，以提高測量精度。

基本算法如下：設(shè)n個傳感器的方差為？滓12，？滓22，？滓32，…，？滓n2，待估計的真值為X，各傳感器測量值為X1，X2，X3，…，Xn，它們彼此獨(dú)立，且為X的無偏估計；各傳感器加權(quán)因子分別為W1，W2，W3，…，Wn，將X1，X2，X3，…，Xn進(jìn)行加權(quán)融合，融合后的■值滿足以下關(guān)系：■=■WiXi■Wi=1（1）

式（1）確定的結(jié)果即為融合值。

2 設(shè)計思路

通過大量的資料調(diào)查與分析，人們逐漸認(rèn)識到他們的健康很大程度上是掌握在自己手中的，對個人身體健康的關(guān)注已經(jīng)不單單是去醫(yī)院做檢查、服藥等傳統(tǒng)方式了。而是希望在疾病到來前便進(jìn)行專業(yè)、合理的疾病預(yù)防。此時，運(yùn)用科學(xué)技術(shù)去解決人們生活所需就尤為重要了。所以本設(shè)備采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓線下實(shí)體測量硬件設(shè)備與移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接的設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)對用戶頸部運(yùn)動信息的實(shí)時采集、反饋與整理。該設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)主要包括測量單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和控制單元。

3 硬件設(shè)計

3.1 測量單元

測量單元的主體為一塊集成式九軸重力加速度傳感器，其主要構(gòu)成芯片為三軸加速度計ADXL345、磁力計HMC5883L和ITG3205三軸陀螺儀。本設(shè)計以ITG3205三軸陀螺儀為主要測量芯片，以三軸加速度計ADXL345為補(bǔ)償單元來達(dá)到對用戶頸部運(yùn)動傾角的準(zhǔn)確、實(shí)時測量的目的。設(shè)備上電后，測量單元首先進(jìn)行自測，保證本單元的準(zhǔn)確運(yùn)行。自測結(jié)束后，測量單元開始采集模擬信號，經(jīng)由傳感器上的10位固定分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過SPI數(shù)字接口傳送給控制單元。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

為了達(dá)到硬件與軟件間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃矫苄耘c實(shí)時性，此單元選用市面上較為成熟且應(yīng)用廣泛的藍(lán)牙技術(shù)，作為軟件與硬件間的“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”。系統(tǒng)上電后，藍(lán)牙模塊HC-05便發(fā)出與軟件配對的請求，配對成功后便可連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3.3 控制單元

控制單元的微處理器選用了Atmel公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)STC89C52作為該單元的核心，該單片機(jī)是高速、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)的一款應(yīng)用廣泛的8051單片機(jī)。該單元在得到傳感器的測量結(jié)果后通過內(nèi)部程序中的加權(quán)平均算法對測量結(jié)果進(jìn)行計算、整合，控制HC-05藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上。

測量單元實(shí)時測量時，由單片機(jī)STC89C52的P11、P12兩個I/O口分別控制傳感器的時鐘信號與數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 硬件電路的設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括傳感器電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)和HC-05藍(lán)牙模塊連接電路。由于九軸重力加速度傳感器的輸出信號為數(shù)字量，因此無需A/D轉(zhuǎn)換電路，即可直接與微處理器相連，簡化了電路設(shè)計；單片機(jī)最小系統(tǒng)的復(fù)位電路采用手動復(fù)位方式，晶振電路采用外部時鐘電路，頻率為11.0592MHz。數(shù)據(jù)傳輸單元采用低功耗的HC-05藍(lán)牙模塊，供電電壓為5V（DC），并且體積小，裝配方便。

4 軟件設(shè)計

為了增加此設(shè)備的趣味性，使設(shè)備在指導(dǎo)人們進(jìn)行頸部運(yùn)動鍛煉的同時也可以放松減壓來保障用戶的身體和心理的健康，我們將此設(shè)備做成與手機(jī)應(yīng)用（基于Android）連接的形式。在手機(jī)應(yīng)用端，接收到的硬件測量數(shù)據(jù)會被當(dāng)作控制量，結(jié)合軟件端的動畫，最大程度的提升軟件與用戶之間的交互性。在圖像的特效處理中，使用Android提供的Android.graphics.Matrix類與BitmapShader類實(shí)現(xiàn)圖像的移動特效與后期渲染。[3]并且，APP還可以通過對用戶使用信息的分析整理定期返還用戶健康報告，并預(yù)測本段期間用戶通過使用本產(chǎn)品對預(yù)防頸部疾病起了多大的作用。

軟件端總體上分為四大模塊：

①顯示與監(jiān)控模塊：本模塊的主要功能是對用戶的頸部運(yùn)動進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并對用戶動作是否到位進(jìn)行提示，最終以圖像的形式呈現(xiàn)在移動應(yīng)用端。

②用戶交流模塊：本模塊是為用戶提供一個交流的平臺，用戶與用戶間可以通過提問等方式進(jìn)行交流。

③頸部健康知識科普模塊：本模塊為用戶提供一些頸部健康方面的知識與資料。定期推送一些頸部疾病最新研究成果、頸部疾病康復(fù)設(shè)備等信息。旨在讓用戶進(jìn)行頸部鍛煉的同時了解更多的頸部健康知識。

④個人空間模塊：本模塊的主要功能是記錄用戶的使用信息。例如用戶使用本設(shè)備的時間，用戶每日的使用次數(shù)，用戶動作的到位程度等。同時用戶還可以錄入自己的基本信息，設(shè)置每日定時提醒時間。

5 系統(tǒng)實(shí)驗數(shù)據(jù)分析

為了提高角度測量的精度，降低系統(tǒng)誤差，在傳感器裝配之前需要對傳感器零角度位置進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)備在零點(diǎn)標(biāo)定時需要一個全水平的環(huán)境，利用水平儀輔助裝配，記錄此時傳感器測得角度值，將其寫入控制單元內(nèi)部程序，在實(shí)際應(yīng)用中減去測得值再取絕對值就可以作為最終測量結(jié)果。表1為對不同角度的測量數(shù)據(jù)，測量范圍為0-90度，測量結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。

為檢驗系統(tǒng)工作是否穩(wěn)定、可行，本小組對每一角度做了三次測量，共測量了五組不同角度。通過本次測量，本系統(tǒng)能在誤差允許范圍內(nèi)較為準(zhǔn)確的測量0-90度間的不同的角度，說明本設(shè)計是穩(wěn)定、可行的。

6 系統(tǒng)應(yīng)用價值

隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們已經(jīng)進(jìn)入了一個快節(jié)奏時代。高科技迅速發(fā)展，生活現(xiàn)代化程度日益提高，生活節(jié)奏不斷加快，人們的生活方式不斷發(fā)生改變。人們希望在疾病到來前便進(jìn)行專業(yè)、合理的疾病預(yù)防。正是由于健康意識的不斷提高，人們對家庭醫(yī)療“保健醫(yī)生”的需求增加，醫(yī)療器械產(chǎn)品已經(jīng)逐步走進(jìn)千家萬戶。近年來醫(yī)療產(chǎn)品走入家庭，已經(jīng)不單純是防病治病，而是使人們可以隨時隨地地檢測自己的身體，掌握自己的健康指數(shù)。因此，用戶對于這種特殊產(chǎn)品提出了更高的要求，期望自己所購買的保健產(chǎn)品無論是從生理還是從心理上都能帶來愉悅的感覺，這也標(biāo)志著人們對健康的新生活有了越來越高的追求?！爸悄茚t(yī)療”也隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高應(yīng)運(yùn)而生。有以上可知保健醫(yī)學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用都是近年來的熱點(diǎn)話題。而據(jù)調(diào)查得知，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域更多的是實(shí)現(xiàn)用戶信息采集、整理與分類；遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，幾乎沒有保健設(shè)備應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所以本設(shè)計旨在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為人們提供一款現(xiàn)代化保健設(shè)備。

本設(shè)備利用移動終端的前沿性、時尚性與多樣性在進(jìn)行頸部運(yùn)動實(shí)時監(jiān)測的同時融入頸部運(yùn)動趣味游戲，讓用戶在輕松減壓的氛圍中預(yù)防頸部疾病，而且本設(shè)備具有成本低、功耗小、操作簡單、易攜帶等特點(diǎn)，是我們每個人的頸部健康小助手。本基于九軸重力加速度傳感器設(shè)計的頸椎疾病預(yù)防設(shè)備有著很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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