基于MPU6050六軸傳感器的頸椎健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊圣華　王永偉　李曉蕾

摘 要：針對當(dāng)前頸椎病呈現(xiàn)出的“人數(shù)多、低齡化、危害大，難治愈”趨勢，為了防患頸椎病于未然。本文基于MPU6050六軸陀螺儀設(shè)計并實現(xiàn)了一款智能頸環(huán)。該方案采用嵌入式設(shè)計，以MPU6050作為姿態(tài)監(jiān)測傳感器，nRF51822藍(lán)牙芯片作為單片機(jī)，通過MATLAB等仿真軟件及卡爾曼濾波處理得到精確的頸椎運動監(jiān)測模型。

關(guān)鍵詞：可穿戴設(shè)備；傳感器；頸椎病

21世紀(jì)初，世界衛(wèi)生組織宣布頸椎病已經(jīng)成為世界第二大頑疾，越來越多的新聞也表明頸椎病有低齡化的趨勢。頸椎病的危害極大，患者臨床表現(xiàn)復(fù)雜，最重可至癱瘓，治愈的可能性也極低。本文從預(yù)防頸椎病的方向出發(fā)，提出一款智能頸環(huán)的設(shè)計方案。該方案將對系統(tǒng)的總體方案，硬件電路和軟件設(shè)計等內(nèi)容做詳細(xì)介紹，通過MPU6050采集頸椎運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合ARM單片機(jī)內(nèi)核做數(shù)據(jù)分析后利用藍(lán)牙4.0與上位機(jī)實現(xiàn)通訊。

一、系統(tǒng)總體方案

在本產(chǎn)品中，智能頸環(huán)MCU是ARM單片機(jī)nRF51822。該處理器的芯片面積小且能耗極低。本方案通過貼片工藝將MPU6050芯片及nRF51822芯片嵌入到頸環(huán)目標(biāo)板當(dāng)中。頸環(huán)工作原理如下：MPU6050芯片采集用戶運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，MCU通過I2C協(xié)議讀取到傳感器中的歐拉角數(shù)據(jù)，并通過芯片內(nèi)的算法得到姿態(tài)數(shù)據(jù)。姿態(tài)數(shù)據(jù)會通過藍(lán)牙串口通訊服務(wù)發(fā)送到上位機(jī)，也會被存入M25P16存儲芯片。系統(tǒng)總體方案圖如圖1所示。

二、硬件設(shè)計

（一）單片機(jī)

考慮到智能頸環(huán)需要擁有可靠的續(xù)航能力，單片機(jī)采用低功耗藍(lán)牙芯片nRF51822。該芯片具有現(xiàn)成的s110協(xié)議棧及與之相匹配的SDK，內(nèi)置256Kb閃存及16Kb RAM，靈活的電源管理ADC以及數(shù)據(jù)接收信號強(qiáng)度檢測（RSSI）等豐富硬件資源[ 1 ]。通過搭載貼片陶瓷天線和阻容器件即可實現(xiàn)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

（二）傳感器

傳感器采用MPU6050，該芯片由一個三軸陀螺儀和一個三軸加速計組成。通過它內(nèi)部集成的數(shù)字運動處理器DMP即可直接運算出四元數(shù)和歐拉角[ 2 ]。單片機(jī)只需等待DMP解算完成后產(chǎn)生的外部中斷，在外部中斷中就可以輕易讀取姿態(tài)解算的結(jié)果。此外，通過DMP解算后的數(shù)據(jù)已經(jīng)去除了高斯白噪聲，使得以此建立的算法分析模型更精確[ 3 ]。經(jīng)過DMP解算后的數(shù)據(jù)將會通過I2C協(xié)議傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)當(dāng)中，隨后單片機(jī)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析。

（三）存儲器單元

存儲器主要由片內(nèi)存儲及外設(shè)M25P16存儲芯片組成，通過操作nRF51822內(nèi)部的Flash或通過SPI總線將數(shù)據(jù)存儲到M25P16實現(xiàn)數(shù)據(jù)長久存儲。

三、軟件設(shè)計

（一）初始化

在單片機(jī)軟件編程中需要注意每個元件的初始化工序。在這里我們需要注意的是六軸陀螺儀MPU6050的初始化。MPU6050的初始化分為陀螺儀的初始化以及DMP的初始化，首先初始化I2C總線，然后通過I2C總線往MPU6050當(dāng)中寫入數(shù)據(jù)，包括設(shè)置采樣率、晶振頻率、工作模式等；隨后開始初始化DMP，該過程包括初始化I2C總線，設(shè)置所需傳感器、FIFO、采樣率、加載dmp固件等功能。

（二）算法模型

算法模型為自主研發(fā)的基于卡爾曼濾波的姿態(tài)檢測算法。該算法的工作原理是借助六軸陀螺儀內(nèi)部自帶的卡爾曼濾波引擎，將三軸加速計監(jiān)測得到的加速度值作為基準(zhǔn)值，將三軸陀螺儀的值作為比較值。通過將兩個軸的加速度進(jìn)行反三角函數(shù)運算得到物體在空間當(dāng)中的角度，即三個歐拉角。通過將三軸陀螺儀每個角速度進(jìn)行積分得到三個歐拉角。隨后將兩個角度輸入卡爾曼引擎，引擎根據(jù)多個比較值與基準(zhǔn)值之間的協(xié)方差[ 4 ]做濾波分析，得到可靠的歐拉角并輸出。在這里卡爾曼濾波的核心原理是利用陀螺儀與加速計的對比降噪，減少高斯白噪聲。隨后利用經(jīng)過降噪后所得的三個歐拉角量化用戶佩戴頸環(huán)時的姿勢，通過多次數(shù)據(jù)采樣，檢測出左傾，右傾，低頭等頸椎姿態(tài)數(shù)據(jù)變化并記錄。最后將記錄的數(shù)據(jù)通過MATLAB分析建模，得到頸椎姿態(tài)算法模型。

（三）流程設(shè)計

主線對單片機(jī)進(jìn)行一部分初始化設(shè)置后開始廣播，此時若沒有外部中斷產(chǎn)生則芯片自動進(jìn)入休眠化并持續(xù)運行運動姿態(tài)算法，直到藍(lán)牙連接請求被接收到之后開啟中斷。中斷部分根據(jù)主設(shè)備發(fā)送的字符來執(zhí)行不同的功能。

四、結(jié)語

本文提出了一種新型的可穿戴式設(shè)備——智能頸環(huán)。該頸環(huán)利用MPU6050作為傳感器，并設(shè)計了基于卡爾曼濾波的姿態(tài)角監(jiān)測算法來監(jiān)測佩戴者頸椎運動狀況，實現(xiàn)頸椎姿態(tài)的智能監(jiān)測。獲得的頸椎姿態(tài)數(shù)據(jù)可以通過藍(lán)牙4.0技術(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)加以利用。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成熟的今天，通過結(jié)合APP及服務(wù)器技術(shù)，可以實現(xiàn)一套科學(xué)的頸椎病預(yù)防方案。本項目的核心技術(shù)在疲勞駕駛檢測，學(xué)習(xí)專注度檢測等各類姿態(tài)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用價值，

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚暉.低功耗藍(lán)牙技術(shù)快速入門[M].北京.北京航空大學(xué)出版社，2016.

[2] 葉龍.基于MPU6050傳感器的方位角傾角算法研究[D].吉林大學(xué)，2015.

[3] 傅忠云，朱海霞，孫金秋，劉文波.基于慣性傳感器MPU6050的濾波算法研究[J].壓電與聲光，2015.

[4] 高顯忠，候中喜，王波，張俊韜.四元數(shù)卡爾曼濾波組合導(dǎo)航算法性能分析[J].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，2013.