盛子恒　李躍忠

摘? 要：術(shù)后創(chuàng)傷監(jiān)護是為了防止術(shù)后二次創(chuàng)傷的必要措施。在現(xiàn)代社會生活下，這為監(jiān)護人帶來了時間及身體上的壓力。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，這對監(jiān)護人的幫助極為有限，也可能造成術(shù)后二次創(chuàng)傷。文章設(shè)計了一款基于IMU及AVR微處理器的主要由受壓檢測模塊、電源監(jiān)測模塊組成的防壓耳報警器。受壓檢測模塊主要通過IMU識別頭部姿態(tài)進而檢測患耳是否受壓。電源監(jiān)測模塊主要負責管理鋰電池以及各種執(zhí)行器的供電。此系統(tǒng)實現(xiàn)了包括提前受壓檢測，受壓檢測等功能，充分解決了看護痛點。

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

中圖分類號：TP212.9? 文獻標識碼：A? 文章編號：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、機械、電子、計算機、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耗費時間精力的過程，容易因為監(jiān)護人員一時疏忽而對病人造成傷害。隨著城市化的推進以及工作節(jié)奏的加快，徹夜看護患者對家屬造成的影響是不可估量的，因此帶有受壓檢測功能的術(shù)后健康追蹤器被人們迫切需要。郎建志[2]等人設(shè)計了一款基于PLC控制的智能康復(fù)床，可以通過觸摸屏來控制，具有基本的術(shù)后護理功能，但是不能進行耳壓檢測。許建國[3]等人利用ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了醫(yī)護人員可以實時觀察病房內(nèi)的環(huán)境信息，以及病患診療信息的功能，但是并沒有解決防止術(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處理器進行受壓檢測算法處理，實現(xiàn)了受壓檢測功能[4，5]。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

健康追蹤器，以下簡稱“報警器”，主要由AVR微處理

器、揚聲器、線性振動電機驅(qū)動模塊、數(shù)字IMU（慣性測量單

元）、電源管理系統(tǒng)、RGB以及按鈕構(gòu)成。ATMEGA328PU為該設(shè)計的控制芯片，該芯片庫函數(shù)較多，方便用于開發(fā)。AVR微處理器采集IMU收集的角速度，加速度等信息，并且對其進行分析和處理，以此檢測患者患耳受壓情況。通過RGB、揚聲器、線性震動電機驅(qū)動模塊將報警信息傳遞給患者，完成不同等級、不同類別的受壓報警，以此來減少過長時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UART接口，使得后續(xù)開發(fā)更為方便。防壓耳報警器的系統(tǒng)框架如圖1所示。

2? 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1? 受壓檢測模塊

受壓檢測模塊由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，再利用運動檢測算法進行數(shù)據(jù)處理。圖2為受壓檢測模塊的電路原理圖，R3和R4為上拉電阻，防止工作頻率過高導(dǎo)致通信失敗，C8和C7為濾波電容，分別過濾高頻雜波和低頻雜波。AD0為芯片的地址接口，通過改變此引腳的高低電平來改變傳感器的通信地址，方便單片機控制多個ICM20608。

2.2? 電源監(jiān)測模塊

報警器的應(yīng)用場景對電池續(xù)航要求高。每次使用前用戶需較準確地了解電池此時的最大使用時間。此裝置采用MAX17048電池檢測芯片，其特點如下：負載變化補償、電池容量實時下降率監(jiān)測、初始容量估計、剩余容量精確監(jiān)測、支持I2C通信。這在滿足系統(tǒng)要求的同時縮小了電路板面積，保證了系統(tǒng)安全。電源監(jiān)測芯片需要3.3 V電壓供電，芯片通過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。

電源部分采用了基于MAX16054芯片的冷啟動方案，此去抖動芯片內(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進行分壓壓，VFB的基準電壓為0.5 V。

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

2.3? 線性振動電機驅(qū)動模塊（振動電機）

防壓耳報警器集成了一塊DRV2605L振動電機驅(qū)動芯片，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。該芯片檢測電機線圈的Back-EMF效應(yīng)，通過過載電機驅(qū)動電壓以及閉環(huán)控制實現(xiàn)了對振動電機的精確控制。與傳統(tǒng)方案相比，內(nèi)置振動模式庫，具有體積小、精度高、振感強、方便用戶開發(fā)等特點。使系統(tǒng)在規(guī)定范圍內(nèi)給用戶帶來了更舒適、自然的體驗。DRV2605L振動電機驅(qū)動芯片通過I2C通信模塊與主機進行通信。通過單片機傳遞的控制信號來控制振動大小以及頻率。電機模塊原理圖如圖4所示。

2.4? 揚聲器（無源蜂鳴器）

為減小系統(tǒng)所占體積，貼片無源蜂鳴器被集成在主板上，通過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)載荷的變化來調(diào)制電源輸出的模擬控制方式。實驗中發(fā)現(xiàn)，熟睡中的患者對于報警周期為1 000 ms的PWM信號，高電平時疊加頻率為800 Hz的聲音信號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、價格低廉等特點，基本滿足設(shè)計要求。通過控制各個通道的電壓進而控制RGB所發(fā)出的燈光的顏色，達到為用戶指示系統(tǒng)狀態(tài)的目的。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? IMU運動檢測程序設(shè)計

檢測系統(tǒng)通過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)分別加入隊列當中，通過滑動窗口法處理這些數(shù)據(jù)。位于隊列最前面的數(shù)據(jù)將被提取出來作為設(shè)備是否在運動的檢測數(shù)據(jù)。

由于IMU始終在z軸上受到一個豎直向下的重力1 g，當變速運動時，a將不等于1。根據(jù)這個原理，只要判斷a的取值就能判別設(shè)備在一段時間內(nèi)是否運動。對設(shè)備運動的判斷將會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。因為IMU輸出的角度只能提供[0°，90°]或[-90°，0°]的輸出，而得到[0°，360°]的輸出必須通過判斷IMU朝向（也就是，判斷z軸加速度的極性）來判斷得出。而z軸加速度的投影與IMU運動時對應(yīng)的z軸加速度數(shù)值的變化都會影響角度的線性變換。尤其是，當加速度過大時，轉(zhuǎn)換后的角度會在角度接近-90°或90°時產(chǎn)生毛刺。因此，為了減少毛刺，存儲在隊列中線性變換后的角度值將被計算其標準差，如果標準差大于常數(shù)C，那么可以認為數(shù)據(jù)在這個時刻產(chǎn)生了毛刺，此時程序會從總線中重新讀取10個數(shù)據(jù)并加入隊列，并去掉異常值后求平均值再重新進行線性變換。

最終，對于計算IMU在頭部的相對位置，介于患者在佩戴報警器時報警器不可能完全處于頭部的對稱軸上。因此建立一個相對極坐標系，用于判斷術(shù)后健康追蹤器對應(yīng)雙耳相對位置是必要的。線性變換后的角度數(shù)據(jù)的范圍為[0°， 360°]，并存儲在數(shù)組變量θraw中。

3.2? 主控制程序設(shè)計

所有的IMU觸發(fā)事件基于調(diào)用一個返回值為枚舉類型的回調(diào)函數(shù)實現(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。

通過檢測標識位以及按鍵所觸發(fā)的外部中斷實現(xiàn)參數(shù)配置：配置的參數(shù)包括原點、左側(cè)點和右側(cè)點。當配置按鍵被短按一次時（按鍵按下時間為400～1 500 ms），變量counter將從0開始自加，將counter的值為3時，counter清零，因此范圍為[0，2]。

當counter為0并且按鍵被長按一次（按鍵按下時間大于1 500 ms）時，振動電機短振3次，同時RGB藍光閃爍3次，且變量，由此配置原點，并且執(zhí)行：

? = θraw

θy = θraw - ?{?＜θraw≤360}

θy = 360 - ? -? + θraw{0＜θraw≤?}

其中，?為按鍵被長按θraw時的值。

當counter為1并且按鍵被長按一次時，振動電機振動3次，同時RGB黃光閃爍3次，由此配置左側(cè)點，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為按鍵被長按時θ的值。

當counter為2并且按鍵被長按一次時，振動電機長振3次，同時RGB青光閃爍3次，由此配置右側(cè)點，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為按鍵被長按時θ的值。

壓耳報警的實現(xiàn)基于檢測報警事件函數(shù)返回的值實現(xiàn)的。通過條件判斷語句綜合判斷變量a，θ，θpreright，θright，θposright，θpreleft，θleft，θposleft，σ從而實現(xiàn)壓耳檢測。

電量檢測是基于I2C SOC下降率1%警報中斷以及輪訊實現(xiàn)的。輪詢負責檢測報警器的充電狀態(tài)，而I2C警報中斷則是負責檢測電池當前電量從而通過RGB實現(xiàn)電量指示功能。

4? 測試結(jié)果

經(jīng)過六次測試，患者在頭部向右動作時報警器都提前報警，但是在向左側(cè)運動和平躺狀態(tài)時，受壓檢測有一次失敗，準確率達到了88%。在后續(xù)研究中將繼續(xù)通過增加傳感器的濾波算法，以及增加多個傳感器互相結(jié)合以此來進一步提高準確率。該設(shè)計基本實現(xiàn)了受壓檢測功能以及電源管理功能。這大大減少了病患在手術(shù)后的風險，給病人家屬減少了生活負擔。測試結(jié)果如表1所示。

5? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于慣性測量單元（IMU）的防壓耳報警器。該報警器通過ICM20608傳感器接收人體頭部運動時的加速度以及角速度信息，隨后利用受壓檢測算法在MCU中進行數(shù)據(jù)處理，判斷人體受壓情況，最終通過震動，燈光和揚聲器的方式來進行報警。該設(shè)計實現(xiàn)了人體受壓檢測的功能以及電源檢測功能。在有效幫助監(jiān)護人看護患者，極大緩解監(jiān)護人壓力的同時，保證了手術(shù)后患耳的安全，為患者家庭營造了一個更好的術(shù)后看護氛圍。該設(shè)備已經(jīng)通過小規(guī)模的市場驗證，反饋良好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

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作者簡介：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，工學博士，研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。