李玉華，楊應(yīng)洪，向蘋萍，龔有祎，王 勇

(西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心，四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，健康問題成為人們最關(guān)注的話題之一。由于辦公族人群在繁忙的工作中常常忽略時(shí)間而久坐，因此增加了引起肥胖、心臟病發(fā)作甚至患癌的風(fēng)險(xiǎn)。目前市場上已有可以達(dá)到智能調(diào)溫、防盜等不同功能的智能坐墊[1-4]，針對久坐人群，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的智能語音提示坐墊，具有對壓力、久坐時(shí)長檢測并語音提示的功能，可以更好地服務(wù)于大眾健康生活。

1 智能語音提示坐墊系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能語音提示坐墊系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，主要由坐墊機(jī)械結(jié)構(gòu)、主控模塊(CPU)、一定載荷的壓力檢測模塊、語音提示模塊、電源模塊、散熱模塊等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。壓力檢測模塊檢測人體的壓力，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理后將壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給主控板；語音提示模塊與主控板內(nèi)部定時(shí)器配合判斷是否到達(dá)設(shè)定的久坐時(shí)間，當(dāng)時(shí)長超過設(shè)定時(shí)間，則啟動(dòng)語音播放功能發(fā)出提示，從而達(dá)到提醒久坐用戶進(jìn)行起身活動(dòng)的目的；電源模塊能為坐墊智能控制系統(tǒng)持續(xù)供電。

圖1 智能語音提示坐墊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 智能語音提示坐墊系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 坐墊機(jī)械結(jié)構(gòu)

坐墊機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由記憶棉(海綿)、彈簧、金屬網(wǎng)及散熱器托架等構(gòu)成，如圖2所示。使用金屬網(wǎng)格材料作為支撐和固定，利用彈簧作緩沖，并結(jié)合韌性好的記憶性材料對人體重量進(jìn)行有效分解。

圖2 坐墊機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 主要模塊的設(shè)計(jì)

本智能坐墊系統(tǒng)采用STM32F103作為主控制器，內(nèi)置4個(gè)16位定時(shí)器，并有2個(gè)16位監(jiān)視定時(shí)器(Independent and Window)，以及SysTick定時(shí)器，性能較強(qiáng)且功耗低。

2.2.1 壓力檢測模塊

壓力傳感器采用HX711，它是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，芯片內(nèi)有片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，上電后可自動(dòng)復(fù)位。因芯片內(nèi)無內(nèi)置拉高或拉低電阻，所有數(shù)字輸入管腳在使用時(shí)不能懸空。壓力傳感器工作原理如圖3所示。

2.2.2 語音提示模塊

語音合成模塊選用SYN6288-A，利用引腳TXD和RXD以及GND實(shí)現(xiàn)串口通訊，其中GND作為信號(hào)地，如圖4所示。SYN6288-A芯片支持UART接口通訊方式，通過UART接口接收上位機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)。該模塊中文語音合成效果清晰、自然，而且其芯片內(nèi)固化有一些行業(yè)領(lǐng)域的常見提示語音。

圖3 壓力傳感器工作原理

圖4 語音合成模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

編程軟件選擇較為常見的Keil，編程語言選擇基礎(chǔ)的C語言[5]，軟件流程如圖5所示。在STM32主控內(nèi)先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完畢后開始串口通訊，系統(tǒng)每1 000 ms循環(huán)一次，檢測人體壓力，并判斷久坐時(shí)間；當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間后，單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生中斷，讓單片機(jī)自動(dòng)控制語音播放來提醒用戶起身運(yùn)動(dòng)，直至用戶起身活動(dòng)后再停止；重新坐下后，單片機(jī)將重新開始計(jì)時(shí)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

為測試智能語音提示坐墊能否正常運(yùn)行以及提示功能能否滿足要求，特設(shè)計(jì)了制作了模型，并進(jìn)行了兩次測試，如圖6所示。

第一次測試：將小于25 kg的物品放在智能坐墊上，定時(shí)器未開啟，單片機(jī)無法正常工作，因所承載壓力不足設(shè)定值。

第二次測試：將大于40 kg的物品放在智能坐墊上，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后開始語音播報(bào)，提醒用戶起身活動(dòng)。

第一次測試的目的是檢驗(yàn)智能坐墊在承載壓力不足設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)是否按照設(shè)定不工作；第二次測試的目的是檢驗(yàn)彈簧的減壓能力，當(dāng)壓力范圍超過壓力傳感器的檢測范圍，通過彈簧減壓之后壓力傳感器檢測壓力，是否能夠達(dá)到預(yù)定效果。

圖5 軟件流程

圖6 坐墊傳感器測試

5 結(jié)語

以市場出現(xiàn)的智能坐墊為基礎(chǔ)，將單片機(jī)與各傳感器技術(shù)相結(jié)合，共同構(gòu)建了智能語音提示坐墊系統(tǒng)。經(jīng)測試表明：該產(chǎn)品具有操控方便、可靠度高、實(shí)用性強(qiáng)且成本低廉的特點(diǎn)。從健康生活的角度考慮，該坐墊具有很好的市場推廣價(jià)值。