江子燁，裴 榮，吳 鍵

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

不良坐姿狀態(tài)下人體局部受力不平衡，易導(dǎo)致一些疾病的發(fā)生，對(duì)人體坐姿壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)人體壓力分布的測(cè)量比較少，主要集中在可穿戴式健康設(shè)備與足底壓力的研究上[1]。美國(guó)Tekscan公司研制的壓力分布測(cè)量系統(tǒng)由2片聚酯薄膜組成[2]，該傳感器厚度僅為0.1 mm，且柔性很好，成本低廉，但其遲滯影響嚴(yán)重，功耗高。Roho公司的Xsensor壓力測(cè)量系統(tǒng)[3]為墊面狀電容式壓力傳感器，該傳感器柔軟耐用，但厚度較厚，因此，表面壓力值的測(cè)量準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。日本富士公司研制的壓敏片能通過顏色反映接觸區(qū)域的壓力分布情況[4]，該傳感器較薄，使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但每片只能使用一次。2014年，新加坡團(tuán)隊(duì)Darma設(shè)計(jì)了一種“不可穿戴”設(shè)備，智能坐墊，采用光纖傳感器，可以測(cè)量使用者的坐姿、使用時(shí)間以及心率、呼吸等數(shù)據(jù)，但價(jià)格昂貴，不易于推廣應(yīng)用。

本文基于導(dǎo)電橡膠的壓阻特性，選取了64個(gè)導(dǎo)電橡膠構(gòu)成傳感器陣列進(jìn)行人體壓力信號(hào)的采集，并設(shè)計(jì)了兩級(jí)多路模擬開關(guān)對(duì)信號(hào)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過無線發(fā)送模塊傳輸數(shù)據(jù)，最終在上位機(jī)通過配色方案及插值形成人體壓力的彩色圖像，并應(yīng)用分布式壓縮感知理論降低系統(tǒng)功耗。采用的傳感器成本低廉、柔軟耐用，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其靈敏度高，多路模擬開關(guān)有效地降低了系統(tǒng)功耗。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括柔性觸覺傳感器陣列的設(shè)計(jì)、信號(hào)采集與調(diào)理電路以及無線發(fā)送模塊3部分。其中，單片機(jī)采樣電路主要完成陣列信號(hào)的采集與調(diào)理，將數(shù)據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換后通過無線發(fā)送模塊傳輸至上位機(jī)。

1.1 傳感器陣列設(shè)計(jì)

坐墊應(yīng)舒適且符合人體工學(xué)，因此，傳感器需要柔軟耐用。通過比較常用的壓力傳感器的性能與成本，最終選取了以炭黑為填充材料的導(dǎo)電橡膠[5]，性價(jià)比高，易于集成，柔韌性與彈性良好，且壓阻特性明顯，即導(dǎo)電橡膠會(huì)根據(jù)所受壓力大小而發(fā)生形變，其電阻值也隨之發(fā)生改變。

傳感器陣列由64個(gè)敏感單元組成，每個(gè)敏感單元直徑為10 mm，傳感點(diǎn)根據(jù)人體工學(xué)的特點(diǎn)分布，即傳感點(diǎn)在受力梯度大的區(qū)域密度大，受力梯度小的區(qū)域密度小，如圖1所示。傳感器陣列共分為3層：下面板為薄塑料板，板上敷有銀漿電路形成傳感器陣列的電路排列，并在敏感單元導(dǎo)電橡膠對(duì)應(yīng)位置留有間隙；上面板為粘貼有導(dǎo)電橡膠的薄塑料板，其位置與下面板對(duì)應(yīng)；中間層為網(wǎng)格狀，其網(wǎng)孔和導(dǎo)電橡膠的位置一一對(duì)應(yīng)，起到固定導(dǎo)電橡膠的作用。當(dāng)受到外力時(shí)，上板層的導(dǎo)電橡膠接觸到下板層電路導(dǎo)通[6]。

圖1 傳感器陣列的平面與分層結(jié)構(gòu)

1.2 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路如圖2所示，圖中R為阻值10 kΩ的分壓電阻器，導(dǎo)電橡膠為可變電阻器R0～R63。輸出端的電壓變化分別反映了64個(gè)導(dǎo)電橡膠的阻值變化，由此即可通過64個(gè)導(dǎo)電橡膠的壓力信息，得到人體壓力的分布狀態(tài)。

圖2 傳感器陣列的信號(hào)采集電路原理

選擇了8通道的模擬開關(guān)CD4051[7]實(shí)現(xiàn)多路傳感信號(hào)的高速切換，將CD4051分為2級(jí)對(duì)來自傳感器的信號(hào)進(jìn)行切換，第1級(jí)使用8個(gè)CD4051并行工作，同時(shí)處理64路信號(hào)，其片選端始終處于選通狀態(tài)，第2級(jí)使用一個(gè)CD4051，最終只輸出1路信號(hào)進(jìn)入后續(xù)電路。

1.3 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

選擇低功耗單片機(jī)MSP430G2553。圖3為單片機(jī)對(duì)CD4051的控制電路。選擇了單片機(jī)的6個(gè)I/O口，分別控制第一級(jí)8個(gè)CD4051的地址選擇端以及第二級(jí)CD4051的地址選擇端，即可通過單片機(jī)的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的選通。

圖3 單片機(jī)對(duì)多路模擬開關(guān)的控制電路

MSP430G2553自帶有10位的ADC，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后通過復(fù)用AD功能對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，選擇單通道重復(fù)采樣方式，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。為了增強(qiáng)通信的可靠性，減少通信的誤碼率，在通信過程中約定了上位機(jī)與下位機(jī)間握手方法：上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送握手信號(hào)0xFF，單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)若為0xFF，則發(fā)送數(shù)據(jù)包，并將0xFF作為第一個(gè)數(shù)據(jù)嵌入到數(shù)據(jù)包中；若不是0xFF，則循環(huán)等待。若上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)包中第一個(gè)數(shù)據(jù)不是0xFF，則拋棄該數(shù)據(jù)包；若是，則表示握手成功。

1.4 無線模塊選取

選擇了藍(lán)牙模塊HC—05作為無線發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，HC—05接口電平3.3 V，可以直接與單片機(jī)連接，空曠地有效通信距離20 m，使用簡(jiǎn)單，體積小，且有一定的防靜電能力。HC—05是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，將藍(lán)牙配置于自動(dòng)連接工作模式，當(dāng)與其他設(shè)備配對(duì)成功后，可以忽視藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍(lán)牙做串口使用。選用藍(lán)牙模塊使得數(shù)據(jù)的傳輸更加方便，不受串口線距離的限制。

最終搭建的硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。上位機(jī)通過藍(lán)牙模塊與采集電路建立通信，并將信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，在MATLAB環(huán)境中讀取、處理數(shù)據(jù)，最終形成清晰直觀的人體坐姿壓力分布彩色圖像。

圖4 系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的可視化實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用MATLAB編寫，利用MATLAB提供的設(shè)備控制工具箱(instrument control toolbox)與圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)工具箱對(duì)串口通信與用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力分布情況的圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

使用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)優(yōu)先沖激響應(yīng)(finte impulse response,FIR)低通數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，并使用dlmwrite函數(shù)將濾波處理后的原始電壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè).txt文件中。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后，采用偽彩色的配色方案，即顏色的深淺代表該位置處所受壓力數(shù)值的大小。另外對(duì)64 個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行雙線性插值計(jì)算，從而使得顯示的壓力分布更加清晰直觀。

系統(tǒng)中的傳感器陣列屬于分布式信源，采集的信號(hào)不僅具有信號(hào)內(nèi)的相關(guān)性，還具有信號(hào)間的相關(guān)性，因此,符合分布式壓縮感知的第二聯(lián)合稀疏模型(joint sparse model—2,JSM—2)[8]。使用高斯隨機(jī)矩陣作為觀測(cè)矩陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮，并針對(duì)JSM—2模型的特點(diǎn)，選擇了同步正交匹配追蹤(simultaneous orthogonal matching pursuit,SOMP)算法[9]，該算法適合處理分布式多信源信號(hào)，可以同時(shí)重建多個(gè)信號(hào)。在MATLAB中對(duì)64路信號(hào)進(jìn)行稀疏化，并重構(gòu)得到壓力圖像，從而有效降低系統(tǒng)功耗。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

系統(tǒng)通過3.3 V直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電，實(shí)驗(yàn)時(shí)隨機(jī)挑選一人，監(jiān)測(cè)其正常坐姿時(shí)的人體壓力信號(hào)，通過藍(lán)牙傳輸?shù)玫降膲毫χ等绫?所示，序號(hào)1對(duì)應(yīng)的壓力值為傳感器陣列中第一行第一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，序號(hào)2對(duì)應(yīng)傳感器陣列中第一行第二個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，依次類推。最終形成的壓力分布圖像如圖6(a)所示。表2為該實(shí)驗(yàn)人員坐姿右傾時(shí)的部分壓力信號(hào)值，通過分析可以得出右傾時(shí)右側(cè)的傳感器受力變大，電阻值減小導(dǎo)致輸出電壓值減小，最終形成的壓力分布圖像如圖6(b)所示，圖像清晰易于觀察，可以對(duì)使用者起到很好的提醒作用。

圖6 人體坐姿壓力分布圖像

表1 正常坐姿下人體壓力數(shù)值

表2 坐姿右傾時(shí)部分人體壓力數(shù)值

在MATLAB中應(yīng)用分布式壓縮感知理論，觀測(cè)矩陣采用高斯隨機(jī)矩陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮，并針對(duì)JSM—2模型的特點(diǎn)選擇同步正交匹配追蹤算法，選取30個(gè)測(cè)量值后，最終形成的壓力分布圖像如圖7所示，圖像輪廓一定程度上變模糊，但不影響視覺，證明采用此方法可以有效降低功耗。

圖7 經(jīng)過分布式壓縮感知后形成的壓力分布圖像

4 結(jié)束語

系統(tǒng)采用64個(gè)的導(dǎo)電橡膠設(shè)計(jì)一種傳感器陣列，通過多路模擬開關(guān)與藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸，并在MATLAB

環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體坐姿壓力信號(hào)的采集與處理，通過分布式壓縮感知減少采樣數(shù)據(jù)，最終形成彩色圖像直觀地顯示壓力的分布情況。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和分辨率，為搭建人體坐姿壓力分布測(cè)量系統(tǒng)提供了便捷低廉的設(shè)計(jì)方案。

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