基于數(shù)字IMU的術(shù)后健康追蹤器設(shè)計(jì)

盛子恒　李躍忠

摘? 要：術(shù)后創(chuàng)傷監(jiān)護(hù)是為了防止術(shù)后二次創(chuàng)傷的必要措施。在現(xiàn)代社會(huì)生活下，這為監(jiān)護(hù)人帶來(lái)了時(shí)間及身體上的壓力。而傳統(tǒng)的方案具有適應(yīng)性差、可靠性低、舒適感低等特點(diǎn)，這對(duì)監(jiān)護(hù)人的幫助極為有限，也可能造成術(shù)后二次創(chuàng)傷。文章設(shè)計(jì)了一款基于IMU及AVR微處理器的主要由受壓檢測(cè)模塊、電源監(jiān)測(cè)模塊組成的防壓耳報(bào)警器。受壓檢測(cè)模塊主要通過(guò)IMU識(shí)別頭部姿態(tài)進(jìn)而檢測(cè)患耳是否受壓。電源監(jiān)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)管理鋰電池以及各種執(zhí)行器的供電。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了包括提前受壓檢測(cè)，受壓檢測(cè)等功能，充分解決了看護(hù)痛點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：微控制器；可穿戴設(shè)備；健康追蹤器；術(shù)后護(hù)理；AVR

中圖分類號(hào)：TP212.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）12-0058-04

Design of Postoperative Health Tracker Based on Digital IMU

SHENG Ziheng1， LI Yuezhong2

（1.No.3 Middle School of Nanchang， Nanchang? 330029， China; 2.East China University of Technology， Nanchang? 330032， China）

Abstract： Postoperative trauma monitoring is a necessary measure to prevent secondary trauma after operation. In modern social life， this brings time and physical pressure to the guardian. However， the traditional scheme has the characteristics of poor adaptability， low reliability and low comfort， which is extremely limited to help the guardian and may cause secondary trauma after operation. This paper designs an anti-pressure ear alarm based on IMU and AVR microprocessor， which is mainly composed of pressure detection module and power monitoring module. The pressure detection module is mainly used to identify the head posture through IMU to detect whether the affected ear is under pressure. The power monitoring module is mainly responsible for managing the power supply of lithium batteries and various actuators. This system realizes the functions including early pressure detection， pressure detection， and fully solves the nursing pain points.

Keywords： microcontroller; wearable equipment; health tracker; postoperative care; AVR

0? 引? 言

康復(fù)器械產(chǎn)品涉及生物、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、新材料等技術(shù)領(lǐng)域，是典型的技術(shù)交叉型特殊產(chǎn)品[1]。然而防止傷口因受壓而造成傷害是一個(gè)耗費(fèi)時(shí)間精力的過(guò)程，容易因?yàn)楸O(jiān)護(hù)人員一時(shí)疏忽而對(duì)病人造成傷害。隨著城市化的推進(jìn)以及工作節(jié)奏的加快，徹夜看護(hù)患者對(duì)家屬造成的影響是不可估量的，因此帶有受壓檢測(cè)功能的術(shù)后健康追蹤器被人們迫切需要。郎建志[2]等人設(shè)計(jì)了一款基于PLC控制的智能康復(fù)床，可以通過(guò)觸摸屏來(lái)控制，具有基本的術(shù)后護(hù)理功能，但是不能進(jìn)行耳壓檢測(cè)。許建國(guó)[3]等人利用ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)護(hù)人員可以實(shí)時(shí)觀察病房?jī)?nèi)的環(huán)境信息，以及病患診療信息的功能，但是并沒(méi)有解決防止術(shù)后二次創(chuàng)傷的難題。本文利用IMU傳感器讀取頭部位置，角速度等信息，并且使用AVR處理器進(jìn)行受壓檢測(cè)算法處理，實(shí)現(xiàn)了受壓檢測(cè)功能[4，5]。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

健康追蹤器，以下簡(jiǎn)稱“報(bào)警器”，主要由AVR微處理

器、揚(yáng)聲器、線性振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)字IMU（慣性測(cè)量單

元）、電源管理系統(tǒng)、RGB以及按鈕構(gòu)成。ATMEGA328PU為該設(shè)計(jì)的控制芯片，該芯片庫(kù)函數(shù)較多，方便用于開(kāi)發(fā)。AVR微處理器采集IMU收集的角速度，加速度等信息，并且對(duì)其進(jìn)行分析和處理，以此檢測(cè)患者患耳受壓情況。通過(guò)RGB、揚(yáng)聲器、線性震動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將報(bào)警信息傳遞給患者，完成不同等級(jí)、不同類別的受壓報(bào)警，以此來(lái)減少過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的患耳受壓所造成的二次術(shù)后傷害。程序與硬件各自預(yù)留了系統(tǒng)參數(shù)接口以及一個(gè)UART接口，使得后續(xù)開(kāi)發(fā)更為方便。防壓耳報(bào)警器的系統(tǒng)框架如圖1所示。

2? 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1? 受壓檢測(cè)模塊

受壓檢測(cè)模塊由ICM20608芯片構(gòu)成，ICM20608 是 InvenSense 出品的一款6軸MEMS傳感器，工作電壓為3.3 V，包括3軸加速度和3軸陀螺儀。ICM20608使用iic協(xié)議與AVR處理器進(jìn)行通信，傳遞人體的角速度與加速度數(shù)據(jù)給控制中心，再利用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖2為受壓檢測(cè)模塊的電路原理圖，R3和R4為上拉電阻，防止工作頻率過(guò)高導(dǎo)致通信失敗，C8和C7為濾波電容，分別過(guò)濾高頻雜波和低頻雜波。AD0為芯片的地址接口，通過(guò)改變此引腳的高低電平來(lái)改變傳感器的通信地址，方便單片機(jī)控制多個(gè)ICM20608。

2.2? 電源監(jiān)測(cè)模塊

報(bào)警器的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電池續(xù)航要求高。每次使用前用戶需較準(zhǔn)確地了解電池此時(shí)的最大使用時(shí)間。此裝置采用MAX17048電池檢測(cè)芯片，其特點(diǎn)如下：負(fù)載變化補(bǔ)償、電池容量實(shí)時(shí)下降率監(jiān)測(cè)、初始容量估計(jì)、剩余容量精確監(jiān)測(cè)、支持I2C通信。這在滿足系統(tǒng)要求的同時(shí)縮小了電路板面積，保證了系統(tǒng)安全。電源監(jiān)測(cè)芯片需要3.3 V電壓供電，芯片通過(guò)CELL引腳與鋰電池相連接，然后處理剩余電量容量數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)I2C通信方式將電量信息傳遞給控制芯片。圖3為電源模塊原理圖。

主板核心供電電壓為3.3 V，此電壓介于鋰電池的滿電電壓與截止電壓之間。因此，報(bào)警器采用TPS63802升降壓轉(zhuǎn)換器：最大輸出電流2 A，具有小體積，轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。

電源部分采用了基于MAX16054芯片的冷啟動(dòng)方案，此去抖動(dòng)芯片內(nèi)置雙穩(wěn)態(tài)電路，芯片的輸出引腳連接到了TPS63802的使能引腳。穩(wěn)壓芯片使用R10與R11進(jìn)行分壓壓，VFB的基準(zhǔn)電壓為0.5 V。

通過(guò)公式可知，R11和R10的值分別定為511 kΩ和91 kΩ，通過(guò)R11和R10分壓輸出3.3 V。C11為芯片的濾波電容，過(guò)濾低頻干擾。芯片的輸入連接到了按鈕。EN為芯片的使能引腳，通過(guò)控制器的GPIO引腳來(lái)控制。MODE引腳則是由控制芯片通過(guò)控制GPIO的高低電平來(lái)選擇模式，低電平為穩(wěn)壓輸出模式，高電平則為PWM控制模式。而關(guān)機(jī)功能是通過(guò)拉低芯片復(fù)位引腳電平完成雙穩(wěn)態(tài)電路復(fù)位，進(jìn)而拉低輸出引腳電平來(lái)關(guān)閉TPS63802電路的工作狀態(tài)。

2.3? 線性振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（振動(dòng)電機(jī)）

防壓耳報(bào)警器集成了一塊DRV2605L振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片工作電壓為3.3 V，常用于觸摸屏的觸摸反饋，以及按鍵反饋。該芯片檢測(cè)電機(jī)線圈的Back-EMF效應(yīng)，通過(guò)過(guò)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓以及閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)電機(jī)的精確控制。與傳統(tǒng)方案相比，內(nèi)置振動(dòng)模式庫(kù)，具有體積小、精度高、振感強(qiáng)、方便用戶開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。使系統(tǒng)在規(guī)定范圍內(nèi)給用戶帶來(lái)了更舒適、自然的體驗(yàn)。DRV2605L振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)I2C通信模塊與主機(jī)進(jìn)行通信。通過(guò)單片機(jī)傳遞的控制信號(hào)來(lái)控制振動(dòng)大小以及頻率。電機(jī)模塊原理圖如圖4所示。

2.4? 揚(yáng)聲器（無(wú)源蜂鳴器）

為減小系統(tǒng)所占體積，貼片無(wú)源蜂鳴器被集成在主板上，通過(guò)PWM控制發(fā)聲。PWM一般指脈沖寬度調(diào)制，是一種根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制電源輸出的模擬控制方式。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，熟睡中的患者對(duì)于報(bào)警周期為1 000 ms的PWM信號(hào)，高電平時(shí)疊加頻率為800 Hz的聲音信號(hào)感到最為舒適且敏感。

2.5? RGB

RGB指示燈采用AVR微處理器的DAC功能控制，此RGB具有體積小、低功耗、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，基本滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)控制各個(gè)通道的電壓進(jìn)而控制RGB所發(fā)出的燈光的顏色，達(dá)到為用戶指示系統(tǒng)狀態(tài)的目的。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? IMU運(yùn)動(dòng)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)I2C總線讀取IMU輸出的三軸加速度及角度數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)分別加入隊(duì)列當(dāng)中，通過(guò)滑動(dòng)窗口法處理這些數(shù)據(jù)。位于隊(duì)列最前面的數(shù)據(jù)將被提取出來(lái)作為設(shè)備是否在運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

由于IMU始終在z軸上受到一個(gè)豎直向下的重力1 g，當(dāng)變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，a將不等于1。根據(jù)這個(gè)原理，只要判斷a的取值就能判別設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)是否運(yùn)動(dòng)。對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的判斷將會(huì)作為是否激活電量指示功能的條件。

在術(shù)后健康追蹤器的使用條件中，獲取范圍為[0°，360°]的IMU的角度是必要的。因?yàn)镮MU輸出的角度只能提供[0°，90°]或[-90°，0°]的輸出，而得到[0°，360°]的輸出必須通過(guò)判斷IMU朝向（也就是，判斷z軸加速度的極性）來(lái)判斷得出。而z軸加速度的投影與IMU運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的z軸加速度數(shù)值的變化都會(huì)影響角度的線性變換。尤其是，當(dāng)加速度過(guò)大時(shí)，轉(zhuǎn)換后的角度會(huì)在角度接近-90°或90°時(shí)產(chǎn)生毛刺。因此，為了減少毛刺，存儲(chǔ)在隊(duì)列中線性變換后的角度值將被計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差，如果標(biāo)準(zhǔn)差大于常數(shù)C，那么可以認(rèn)為數(shù)據(jù)在這個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生了毛刺，此時(shí)程序會(huì)從總線中重新讀取10個(gè)數(shù)據(jù)并加入隊(duì)列，并去掉異常值后求平均值再重新進(jìn)行線性變換。

最終，對(duì)于計(jì)算IMU在頭部的相對(duì)位置，介于患者在佩戴報(bào)警器時(shí)報(bào)警器不可能完全處于頭部的對(duì)稱軸上。因此建立一個(gè)相對(duì)極坐標(biāo)系，用于判斷術(shù)后健康追蹤器對(duì)應(yīng)雙耳相對(duì)位置是必要的。線性變換后的角度數(shù)據(jù)的范圍為[0°， 360°]，并存儲(chǔ)在數(shù)組變量θraw中。

3.2? 主控制程序設(shè)計(jì)

所有的IMU觸發(fā)事件基于調(diào)用一個(gè)返回值為枚舉類型的回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)返回值的不同觸發(fā)不同事件。主要觸發(fā)事件如圖5所示。

通過(guò)檢測(cè)標(biāo)識(shí)位以及按鍵所觸發(fā)的外部中斷實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置：配置的參數(shù)包括原點(diǎn)、左側(cè)點(diǎn)和右側(cè)點(diǎn)。當(dāng)配置按鍵被短按一次時(shí)（按鍵按下時(shí)間為400～1 500 ms），變量counter將從0開(kāi)始自加，將counter的值為3時(shí)，counter清零，因此范圍為[0，2]。

當(dāng)counter為0并且按鍵被長(zhǎng)按一次（按鍵按下時(shí)間大于1 500 ms）時(shí)，振動(dòng)電機(jī)短振3次，同時(shí)RGB藍(lán)光閃爍3次，且變量，由此配置原點(diǎn)，并且執(zhí)行：

? = θraw

θy = θraw - ?{?＜θraw≤360}

θy = 360 - ? -? + θraw{0＜θraw≤?}

其中，?為按鍵被長(zhǎng)按θraw時(shí)的值。

當(dāng)counter為1并且按鍵被長(zhǎng)按一次時(shí)，振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)3次，同時(shí)RGB黃光閃爍3次，由此配置左側(cè)點(diǎn)，并且執(zhí)行：

θ = θy，a = 0{0＜θ≤180}

θ = 360 - θy，a = 1{180＜θ≤360}

θleft = θposleft = θ

θpreleft = θposleft - 0.25×θposleft

θposleft = θposleft + 0.55×θposleft

其中，θposleft為按鍵被長(zhǎng)按時(shí)θ的值。

當(dāng)counter為2并且按鍵被長(zhǎng)按一次時(shí)，振動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)振3次，同時(shí)RGB青光閃爍3次，由此配置右側(cè)點(diǎn)，并且執(zhí)行：

θ = θy，a = 0{0＜θ≤180}

θ = 360 - θy，a = 1{180＜θ≤360}

θright = θright = θ

θpreright = θposright - 0.25×θposright

其中，θposright為按鍵被長(zhǎng)按時(shí)θ的值。

壓耳報(bào)警的實(shí)現(xiàn)基于檢測(cè)報(bào)警事件函數(shù)返回的值實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)條件判斷語(yǔ)句綜合判斷變量a，θ，θpreright，θright，θposright，θpreleft，θleft，θposleft，σ從而實(shí)現(xiàn)壓耳檢測(cè)。

電量檢測(cè)是基于I2C SOC下降率1%警報(bào)中斷以及輪訊實(shí)現(xiàn)的。輪詢負(fù)責(zé)檢測(cè)報(bào)警器的充電狀態(tài)，而I2C警報(bào)中斷則是負(fù)責(zé)檢測(cè)電池當(dāng)前電量從而通過(guò)RGB實(shí)現(xiàn)電量指示功能。

4? 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)六次測(cè)試，患者在頭部向右動(dòng)作時(shí)報(bào)警器都提前報(bào)警，但是在向左側(cè)運(yùn)動(dòng)和平躺狀態(tài)時(shí)，受壓檢測(cè)有一次失敗，準(zhǔn)確率達(dá)到了88%。在后續(xù)研究中將繼續(xù)通過(guò)增加傳感器的濾波算法，以及增加多個(gè)傳感器互相結(jié)合以此來(lái)進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率。該設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了受壓檢測(cè)功能以及電源管理功能。這大大減少了病患在手術(shù)后的風(fēng)險(xiǎn)，給病人家屬減少了生活負(fù)擔(dān)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于慣性測(cè)量單元（IMU）的防壓耳報(bào)警器。該報(bào)警器通過(guò)ICM20608傳感器接收人體頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度以及角速度信息，隨后利用受壓檢測(cè)算法在MCU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷人體受壓情況，最終通過(guò)震動(dòng)，燈光和揚(yáng)聲器的方式來(lái)進(jìn)行報(bào)警。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了人體受壓檢測(cè)的功能以及電源檢測(cè)功能。在有效幫助監(jiān)護(hù)人看護(hù)患者，極大緩解監(jiān)護(hù)人壓力的同時(shí)，保證了手術(shù)后患耳的安全，為患者家庭營(yíng)造了一個(gè)更好的術(shù)后看護(hù)氛圍。該設(shè)備已經(jīng)通過(guò)小規(guī)模的市場(chǎng)驗(yàn)證，反饋良好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：盛子恒（2006—），男，漢族，江西余干人，研究

方向：嵌入式系統(tǒng)；通訊作者：李躍忠（1969—），男，漢族，江西贛州人，教授，工學(xué)博士，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。