鄧開連，周志鵬，楊義錦，曹瀚文，劉朝陽(yáng)

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

預(yù)防頸椎疾病的姿態(tài)監(jiān)測(cè)智能設(shè)備設(shè)計(jì)*

鄧開連，周志鵬，楊義錦，曹瀚文，劉朝陽(yáng)

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

設(shè)計(jì)了一款預(yù)防頸椎疾病的智能監(jiān)測(cè)設(shè)備。該設(shè)備依賴于六軸加速度計(jì)MPU6050，通過采集人體頸椎部位轉(zhuǎn)動(dòng)的速度信息和加速度信息,可以得到人體頸椎部位的相應(yīng)傾角信息，進(jìn)而將這些數(shù)據(jù)信息傳送給基于ATmega328的嵌入式設(shè)備處理，嵌入式設(shè)備處理完數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)信息通過藍(lán)牙模塊傳送給手機(jī)移動(dòng)終端做進(jìn)一步的分析與處理。并且給予用戶相應(yīng)的反饋信息。智能設(shè)備測(cè)試的結(jié)果表明，該人體頸椎疾病的智能監(jiān)測(cè)設(shè)備具有低成本、小尺寸、反應(yīng)快、穿戴便捷等優(yōu)點(diǎn)。

姿態(tài)監(jiān)測(cè)；MPU6050；ATmega328

引 言

亞健康是指機(jī)體無明確診斷的疾病，在內(nèi)外環(huán)境因素刺激下機(jī)體發(fā)生的生理或心理異常變化，但尚未達(dá)到病理性反應(yīng)的程度，介于健康與疾病之間的一種健康低質(zhì)量狀態(tài)[1-2]。

以往認(rèn)為，頸椎病是中老年人的常見病。但近年來人們的學(xué)習(xí)、工作、生活方式發(fā)生了很大的改變，青少年、中學(xué)生、大學(xué)生、社會(huì)工作人員等頸椎病的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)，頸椎病不再是中老年人的“專利”[6-11]。如果能夠開發(fā)一種便攜式的頸椎亞健康預(yù)警設(shè)備，將會(huì)給用戶帶了極大的便利，同時(shí)讓一部分人不會(huì)得頸椎病或脫離頸椎亞健康狀態(tài)。

本文設(shè)計(jì)了一款預(yù)防頸椎病的智能設(shè)備，該設(shè)備主要采用六軸加速度計(jì)MPU-6050來監(jiān)測(cè)頸椎的情況，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)等移動(dòng)端，手機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

MPU-6050為整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速度計(jì)時(shí)間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。MPU6050的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1 000與±2 000 (°/s)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作。并且，用戶可控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。它可在不同電壓下工作，VDD供電電壓為2.5 V±5%、3.0 V±5%或3.3 V±5%，邏輯接口VVDIO供電為1.8 V±5%。使用該模塊而不使用傾角傳感器的原因是該模塊集成了陀螺儀和加速度計(jì)，采集信息更為豐富。

1 硬件設(shè)計(jì)

頸椎檢測(cè)器共分為5個(gè)部分：電源管理模塊、頸椎信息采集電路、數(shù)據(jù)ATmega328處理控制電路、藍(lán)牙模塊和手機(jī)移動(dòng)終端，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為了盡量減小該頸椎監(jiān)測(cè)器的尺寸，處理控制電路的MCU選擇的是ATmega328，而藍(lán)牙模塊則是選用TI公司推出的2.4 GHz低功耗片載系統(tǒng)CC2541。該頸椎檢測(cè)器因體積小、成本低,適合在日常生活中使用，將其佩戴于脖頸處即可。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電源管理模塊[12]

圖2 降壓模塊電路圖

作為本模塊的供電電源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的供電電源是鋰電池，供電電壓一般為3.3～4.2 V。MPU6050模塊需要3.3 V的供電電壓，而主控芯片ATmega328以及藍(lán)牙模塊都需要有5 V的供電電壓。因此，電源管理模塊分為降壓模塊和升壓模塊。降壓模塊采用ADP150芯片，該芯片具有寬輸入、紋波小的優(yōu)點(diǎn)。升壓模塊采用TPS60110芯片，該芯片具有干擾小、轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，為了防止因?yàn)樵肼暤挠绊?，在穩(wěn)壓電源輸出端并入一個(gè)旁路電容用于去耦。一般情況下，該電容容值為1 μF，過小則濾出高頻噪聲效果不好，過大則會(huì)增加系統(tǒng)的功耗。圖2和圖3分別為降壓電路模塊和升壓電路模塊電路圖。

圖3 升壓模塊電路圖

1.2 頸椎信息采集電路

該電路采用的是MPU6050模塊,MPU6050內(nèi)部集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀。加速度計(jì)輸出參數(shù)為x、y、z三個(gè)方向?qū)?yīng)的線加速度，而陀螺儀輸出參數(shù)為x、y、z三個(gè)方向?qū)?yīng)的角速度。傾角的計(jì)算可以分別由以下3個(gè)公式所得。

加速度計(jì)z軸與自然坐標(biāo)系Z軸夾角：

(1)

加速度計(jì)x軸與自然坐標(biāo)系X軸夾角：

(2)

加速度計(jì)y軸與自然坐標(biāo)系Y軸夾角：

(3)

因此，由MPU6050中可以讀出傾角和角加速度。MPU6050初始的線加速度和角加速度值包含的噪聲是很大的，同時(shí)存在一定偏差，因此需要進(jìn)行濾波和校準(zhǔn)處理。校準(zhǔn)處理，每各10ms間隔讀取10個(gè)值，求得其均值，也就是偏移量，將每次的讀數(shù)都減去偏移量就能得到校準(zhǔn)后的數(shù)值。濾波處理，由于頸椎的運(yùn)動(dòng)一般情況下沒有那么劇烈，因此采用MPU6050內(nèi)部的DMP數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行濾波即可，其內(nèi)置有濾波算法，濾波效果較好。實(shí)際操作中，利用I2C總線從DMP中讀出數(shù)據(jù)，然后將讀出的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片進(jìn)行處理。

1.3 數(shù)據(jù)處理控制電路

數(shù)據(jù)處理控制電路的核心模塊是ATmega328控制芯片，該芯片不僅功能豐富，而且小巧，適合在集成印刷電路板中應(yīng)用。利用該控制芯片的I2C總線從MPU6050的DMP數(shù)據(jù)處理模塊中讀出數(shù)據(jù)，然后將其傳送至藍(lán)牙模塊上，最后藍(lán)牙模塊將接收的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至移動(dòng)終端進(jìn)行進(jìn)一步的處理。該控制電路主要起數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?，進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理在移動(dòng)終端的APP中進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理控制電路如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理控制電路圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 處理器程序

該部分程序主要分為讀取MPU 6050數(shù)據(jù)和設(shè)置藍(lán)牙模塊的通信協(xié)議進(jìn)而發(fā)送數(shù)據(jù)。藍(lán)牙模塊設(shè)置波特率為9 600 bps。在移動(dòng)終端無法自動(dòng)辨別為何種數(shù)據(jù)，故藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)前需要發(fā)送一個(gè)識(shí)別碼。例如，在發(fā)送MPU 6050 X軸與自然坐標(biāo)X軸間的角度前，先發(fā)送一個(gè)“0x01”來標(biāo)識(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)也做類似的處理，這樣就可以在移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的辨別。而總共要發(fā)送的數(shù)據(jù)分為3個(gè)，分別為x軸角度，y軸角度，z軸角度，在程序中標(biāo)識(shí)為“0x01”～“0x03”。

2.2 手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[13-15]

手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是在Android Studio中開發(fā)的，Android Studio是Android集成開發(fā)工具，基于IntelliJ IDEA，是由Google開發(fā)的Android專用開發(fā)環(huán)境，替代Eclipse ADT插件。程序主要通過手機(jī)的藍(lán)牙模塊接收數(shù)據(jù)，后臺(tái)服務(wù)程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)保存到SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，記錄當(dāng)前時(shí)間以及x、y、z三個(gè)方向的角度值，并且在應(yīng)用程序關(guān)閉后還能夠繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)會(huì)從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢數(shù)據(jù)，并且分析低頭次數(shù)和低頭持續(xù)時(shí)間。為了能夠給用戶帶來更好的體驗(yàn)，應(yīng)用設(shè)計(jì)采用了多線程，在藍(lán)牙模塊建立連接的過程、數(shù)據(jù)接收的過程以及數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中插入、查詢等耗時(shí)過程都使用了一個(gè)單獨(dú)的線程，保證UI主線程不會(huì)卡頓或者出現(xiàn)系統(tǒng)無響應(yīng)等異常情況，在用戶等待藍(lán)牙模塊建立連接和數(shù)據(jù)查詢分析時(shí)都使用了進(jìn)度條來顯示當(dāng)前的狀態(tài)。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)使用的是SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，不能存儲(chǔ)過多數(shù)據(jù)，因此相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)在一天后更新，數(shù)據(jù)的獲取分析都是以一天為周期的。頸椎姿勢(shì)判斷標(biāo)準(zhǔn)表如表1所列。

表1 頸椎姿勢(shì)判斷標(biāo)準(zhǔn)表

上述的判斷標(biāo)準(zhǔn)，在手機(jī)應(yīng)用程序中的具體處理是：x軸角度超出判定正常范圍時(shí)就記錄一次頸椎不規(guī)律運(yùn)動(dòng)；y、z軸角度超出判定正常范圍持續(xù)10 s記錄一次低頭時(shí)間過長(zhǎng)，并發(fā)出震動(dòng)提醒。手機(jī)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)采集、處理顯示圖如圖5所示。

圖5 手機(jī)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)采集、處理顯示圖

實(shí)際上，若再加入角加速度的判斷標(biāo)準(zhǔn)，可以更加有效地預(yù)防頸椎疾病，例如在瞬間角加速度過大的時(shí)候，表明頸椎的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)過于劇烈，預(yù)防此類問題可以更好地保護(hù)頸椎。

結(jié) 語

[1] 張青，傅衛(wèi)紅，黃美蘭，等.飛行人員頸椎亞健康的綜合防治[J].頸腰痛雜志，2014，35(1)：22.

[2] 吳俊曉.護(hù)士頸椎亞健康患病現(xiàn)狀及影響因素分析[J].社區(qū)醫(yī)學(xué)雜志，2014，12(12)：44.

[3] 唐漢武.大學(xué)生頸椎亞健康患病現(xiàn)狀及其相關(guān)因素的分析[D].廣州:廣州中醫(yī)藥大學(xué)，2008.

[4] 徐江，孫立軍，由世浩.青少年頸椎亞健康中醫(yī)病因病機(jī)研究[J].長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(2)：232.

[5] 趙保禮，張喜芬，陳立濤. 石家莊市區(qū)中學(xué)生頸椎亞健康現(xiàn)狀及相關(guān)因素調(diào)查[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2013，40(21)：3984.

[6] 賈連順．頸椎病的現(xiàn)代概念[J]．脊柱外科雜志，2004，2(2)：123-126．

Attitude Monitoring Intelligent Device to Prevent Cervical Vertebra Disease

Deng Kailian,Zhou Zhipeng,Yang Yijin,Cao Hanwen,Liu Zhaoyang

(Engineering Research Center of Digitized Textile&Apparel Technology,College of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China)

In the paper,an intelligent monitoring equipment to prevent cervical vertebra disease is designed.The system is based on the six-axis accelerometer MPU6050,and it obtains the corresponding inclination angle information by collecting the velocity information and acceleration information of the rotation of the cervical vertebra,and the data is transmitted to the embedded device ATMEGA328 for further analysis.After processing the data,the data is transmitted to the mobile terminal through the Bluetooth module,and the system gives the user corresponding feedback information later.The test results show that the cervical vertebra monitor has the advantages of low cost,small size,quick response and convenient wearing.

attitude monitoring;MPU6050;ATmega328

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃聯(lián)合基金項(xiàng)目(項(xiàng)目代碼：H1041601)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(項(xiàng)目代碼：2232016D-32)；東華大學(xué)教改項(xiàng)目(項(xiàng)目代碼：104-01-0007076)；東華大學(xué)教改項(xiàng)目(項(xiàng)目代碼：104-01-0007066)。

TP23

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