一種兒童坐姿監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

陸 鋒

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原030008）

兒童在學(xué)習(xí)時，不知不覺中坐姿產(chǎn)生變化，眼睛距離桌面越來越近。隨著學(xué)習(xí)時間的增加,坐姿不端正會引起勁椎、腰椎的變形和眼睛近視，不利于以后的生長發(fā)育。為此設(shè)計一款兒童坐姿監(jiān)測器，可以實(shí)時監(jiān)測用戶坐姿和學(xué)習(xí)時間，當(dāng)坐姿不正確時做出報警，當(dāng)學(xué)習(xí)時間超過預(yù)設(shè)值時鬧鈴提醒。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

兒童坐姿監(jiān)測系統(tǒng)主要由單片機(jī)核心控制模塊、紅外測距模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊、蜂鳴器報警模塊和按鍵輸入模塊等組成，系統(tǒng)設(shè)計總框圖如圖1所示。

圖1 兒童坐姿監(jiān)測系統(tǒng)總體方案框圖

1.1 主要器件選擇

1.1.1 STM32系統(tǒng)電路設(shè)計

系統(tǒng)采用低成本、低功耗，專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32系列單片機(jī)[1]。STM32F103VT6片內(nèi)集成有32～128 K字節(jié)的閃存，從6～20 K字節(jié)的SRAM，DMA有7個通道，外設(shè)定時器、3個USART、2個I2C、2個 SPI、USB2.0全速接口和CAN接口。而且，STM32F103VT6采用封裝為LQFP100，包含80個快速I/O口，所有I/O口與16個外部中斷構(gòu)成映射關(guān)系[2-3]。

1.1.2 超聲波測距模塊

SHARP公司的GP 2Y0A21YK0F和GP2Y0A02 YK0F測距模塊是一種距離測量傳感器單元，該類傳感器基于三角測量原理工作，而且波束角比較小，在測量用戶距離時，不會因?yàn)榻嵌榷斐烧`差[4]。紅外傳感器的發(fā)射端口會發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體的時候，光束會反射到接收端[5]。本設(shè)計中，因?yàn)楸O(jiān)測兒童坐姿的水平距離較近，而斜方向的距離較遠(yuǎn)，所以測量角度較大的斜方向的兩個傳感器選用了測距范圍為20～150 cm的GP2Y0A02YK0F測距模塊，而水平的測距模塊和斜向角度較小的傳感器選用了測距范圍為10～80 cm的GP 2Y0A21YK0F測距模塊。

1.2 超聲波測距模塊測角度原理

如圖2所示，紅外測距傳感器測量兩個不同角度的用戶距離b和c值，根據(jù)公式（1）、余弦定理和已知的紅外夾角α，計算三角形的第三邊長a。然后再根據(jù)余弦定理和公式（2），計算用戶與桌面所成的角度β。

圖2 坐姿監(jiān)測原理圖

1.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電初始化完成后，首先開始采集DS1302時鐘模塊的數(shù)據(jù)，從DS1302時鐘模塊中讀取日期、時間數(shù)據(jù)，將日期、時間數(shù)據(jù)進(jìn)行字符串的拼接，將拼接好的數(shù)據(jù)通過串行的方式發(fā)送到LCD12864液晶顯示屏上顯示，重復(fù)進(jìn)行這個采集時間數(shù)據(jù)并顯示的過程。開啟單片機(jī)的外部中斷，等待用戶按鍵被按下，當(dāng)按鍵被按下時，檢測是否改變時間，若修改時鐘的時間信息，則將用戶設(shè)定的時間存儲到DS1302時鐘芯片中。若不改變時間，則檢測是否設(shè)定鬧鐘，若設(shè)定鬧鐘，則將設(shè)定的鬧鈴進(jìn)行存儲。單片機(jī)還需要每秒鐘檢測當(dāng)前時間是否是鬧鈴設(shè)定的時間，若是鬧鈴設(shè)定的時間，則蜂鳴器實(shí)現(xiàn)鬧鐘提醒，否則不提醒。

單片機(jī)通過通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADC采集50次水平紅外測距模塊的數(shù)據(jù)，將采集到的50次距離數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，得到一個濾波后的距離值。再通過單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADC，采集50次斜向紅外測距模塊的數(shù)據(jù)，將采集的50次斜向距離數(shù)據(jù)也進(jìn)行中值濾波，得到濾波后的斜向距離值。通過兩次測量的距離，計算用戶與桌面所成的角度。依靠這個原理，用設(shè)計中安裝的三個紅外測距模塊測出用戶的三個坐姿角度，然后對三個坐姿角度再進(jìn)行中值濾波得到最終的用戶坐姿角度。最后，判斷用戶與桌面所成的角度是否介于規(guī)定的角度之間，若不在規(guī)定的范圍內(nèi)，則蜂鳴器進(jìn)行報警，否則不做出任何提示信息。上述過程循環(huán)進(jìn)行。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 測距系統(tǒng)制作

圖3所示為超聲波測距系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，3個超聲波測距模塊安裝在由3D打印機(jī)打印的機(jī)械結(jié)構(gòu)上。工作時，只需要將該系統(tǒng)放置在兒童的書桌前方即可完成兒童坐姿的監(jiān)測。

圖3 超聲波測距系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有:坐姿監(jiān)測、坐姿報警、顯示時間、鬧鐘報警和按鍵調(diào)時。圖3描述了兒童坐姿監(jiān)測系統(tǒng)主要的程序設(shè)計流程。

以STM32單片機(jī)為控制器，采集紅外測距模塊的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的計算分析，來判定使用者是否為正確的坐姿，重復(fù)監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)坐姿不正確，則控制蜂鳴器模塊報警，直到監(jiān)測到使用者變成正確的坐姿才停止報警。同時，采集DS1302時鐘模塊的數(shù)據(jù)，通過得到的時鐘數(shù)據(jù)得到當(dāng)前的日期時間，并把時間信息顯示在LCD12864液晶顯示屏上，并且當(dāng)兒童學(xué)習(xí)時間超過預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)鬧鈴提醒用戶休息。

3 結(jié)論

完成兒童坐姿監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計后，驗(yàn)證了該系統(tǒng)是否可以按要求實(shí)現(xiàn)功能。首先，通過計算得出用戶的坐姿角度理論值。然后啟動系統(tǒng)，對坐姿監(jiān)測器計算的坐姿角度進(jìn)行測試，記錄不同情況的坐姿角度參數(shù)。最后，將測試值與理論值進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，本系統(tǒng)滿足功能及精度的要求。

圖4 程序設(shè)計流程圖