瞳博士防近視提醒系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張開放　李云峰　袁單煒　石秀均

摘要：近些年來，我國青少年的近視率逐年攀升，近視人群也在逐漸向低齡化發(fā)展，近視已經(jīng)成為一個(gè)較為嚴(yán)重的社會(huì)健康問題。本文針對(duì)青少年近視的主要原因，從預(yù)防近視的角度設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于MPU6050傳感器和MSP430單片機(jī)的防近視提醒系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)采集到的加速度和角度信號(hào)進(jìn)行閾值分析，并結(jié)合頭部運(yùn)動(dòng)算法來判斷青少年的坐姿行為，及時(shí)提醒兒童坐姿不正的行為，還可以通過藍(lán)牙4.0模塊將坐姿信息傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)APP中，長期監(jiān)測(cè)和分析兒童的坐姿行為模式，進(jìn)而給予合理的建議和幫助來預(yù)防近視。

關(guān)鍵詞：防近視系統(tǒng)；MPU6050；MSP430；閾值；加速度；角度

1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和分析模塊及手機(jī)APP兩部分組成：第一部分包括傳感器MPU6050、主處理器MSP430和藍(lán)牙4.0模塊，戴在兒童耳朵上，當(dāng)檢測(cè)到佩戴者坐姿不正時(shí)震動(dòng)提醒改正，并存儲(chǔ)記錄相應(yīng)次數(shù)和時(shí)間；第二部分由android智能手機(jī)構(gòu)成，啟動(dòng)APP后，智能手機(jī)和藍(lán)牙匹配，將單片機(jī)中存儲(chǔ)的坐姿數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)中，進(jìn)而進(jìn)行分析和建議。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 主控制器MSP430

TI公司的MSP430G2553單片機(jī)具有3種超低功耗模式和5種節(jié)能模式，工作頻率最高可達(dá)16MHz的工作頻率，同時(shí)具有超低的電源電壓范圍（1.8V～3.6V），內(nèi)置兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)通用串行通信接口，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器。非常適用于低功耗、小體積的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1.2 新型MEMS傳感器MPU6050

MPU6050為全球首款整合了三軸陀螺儀與三軸加速計(jì)的新型MEMS傳感器，可以同時(shí)采集在X、Y和Z方向的加速度和角速度信號(hào)，解決了以往陀螺儀與加速度計(jì)組合使用時(shí)容易產(chǎn)生軸間差的問題，降低了傳感器自身的漂移影響，并減輕了復(fù)雜的數(shù)據(jù)融合算法和操作系統(tǒng)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)處理過程。它和MSP430單片機(jī)之間的通信采用400KHz的IIC接口，其供電電壓范圍為5V。

1.3 藍(lán)牙4.O模塊

藍(lán)牙4.0技術(shù)相較于前一代，主要的進(jìn)步為超低功耗、免配對(duì)密碼、可以多連等，其運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗特別低。本系統(tǒng)采用的藍(lán)牙無線通信模塊是基于TI公司的CC2540低功耗藍(lán)牙SOC芯片開發(fā)的，支持IOS和android手機(jī)通信，主從一體，支持在線固件升級(jí)，可以無縫運(yùn)行TI的BLE協(xié)議棧，使用所有藍(lán)牙規(guī)范版本通用的自適應(yīng)跳頻，可以最大程度地減少和其他2.4GHz頻段無線技術(shù)的串?dāng)_，傳輸速度快、延遲短、健壯性強(qiáng)，主控制更加智能，可以休眠更長時(shí)間，只在需要執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)候才喚醒。

2 坐姿檢測(cè)算法

在靜止情況下，加速度計(jì)有一個(gè)垂直向下的加速度g，當(dāng)用戶閱讀時(shí)，頭會(huì)自然傾斜，與靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的加速度會(huì)有一個(gè)夾角，以此來判斷用戶的姿勢(shì)是否正確。對(duì)于加速度的信息處理，主要通過設(shè)計(jì)濾波器來實(shí)現(xiàn)。出于對(duì)軟件日后的升級(jí)維護(hù)以及可移植性方面的考慮，整體軟件設(shè)計(jì)采用“分層”的技術(shù)方案。

加速度可以被看作是一個(gè)被三軸加速度傳感器所收集的三維矢量，可以表示在空間直角坐標(biāo)系中，而X、Y、Z軸表示加速度的方向。由于重力方向的頭部中心是不可預(yù)測(cè)的，并且單方向的加速度不能判斷坐姿情況，因此閾值算法的判斷基礎(chǔ)是基于合成加速度（SVM）的。該SVM表示為：

該SVM是只與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，與方向無關(guān)的加速度幅值。為了減少誤判，只根據(jù)加速度信號(hào)不能準(zhǔn)確地判斷坐姿情況。

若只通過加速度計(jì)檢測(cè)佩戴者3個(gè)正交方向上的加速度變化，可以由數(shù)據(jù)分析來確定佩戴者的頭部偏移情況，但這種方法的缺點(diǎn)在于作為判斷依據(jù)的有效信息單一，系統(tǒng)抗干擾性差，容易發(fā)生誤判。故采用單一的合加速度閾值判斷具有單一性，為提高檢測(cè)精度，降低誤判率，引入陀螺儀的角度參數(shù)作為二次判斷。

MPU6050可以同時(shí)并且實(shí)時(shí)收集頭部的三軸加速度和角速度的變化，頭部和豎直面之間的角度可以通過積分角速度得到，而且傳感器的輸出為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以直接傳送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以減小系統(tǒng)的功耗和體積。

3 結(jié)束語

本文屬于原理設(shè)計(jì)，是根據(jù)市場(chǎng)上已有的防瞌睡提醒器和老人跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的一種基于MPU6050的使用模型。當(dāng)兒童正確佩戴防近視提醒器后，單片機(jī)MSP430根據(jù)MPU6050采集到的加速度和角度信號(hào)進(jìn)行閾值分析，再結(jié)合運(yùn)動(dòng)姿態(tài)識(shí)別算法，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地正確判定兒童坐姿狀態(tài)，并濾除走動(dòng)、搖頭等正常活動(dòng)情況，進(jìn)而做出忽略或提醒改正的響應(yīng)。此外，還能通過藍(lán)牙4.0模塊將坐姿信息傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)APP中，長期監(jiān)測(cè)和分析兒童的坐姿行為模式，進(jìn)而給予合理的建議和幫助來預(yù)防近視，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。