基于九軸重力加速度傳感器設計的頸椎疾病預防設備

高鵬++楊雪晨++李明昕

摘要： 基于人體運動追蹤和人機工程學原理及物聯網思想，設計了一種硬件結構簡單、攜帶方便、抗干擾能力強的頸椎疾病預防設備。測量單元選用九軸重力加速度傳感器測量人體頭部運動傾角，數據傳輸單元選用無線藍牙，實現與移動互聯網應用（手機APP）的通信，控制單元選用51系列單片機STC89C52作為控制核心。實踐證明，本設備能有效的預防頸椎病。

Abstract： Based on ergonomics， moving objects relative parameter measuring principle and networking thought， the article designs cervical spondylosis preventive equipment with simple hardware structure， convenient carrying and better anti-interference capacity. The measure unit use 9-axis acceleration sensor， the data tranfers unit use wireless bluetooth， realizing the communication of moveable type internet application（mobile APP）， the controls unit use 51 signle-chip microcomputer STC89C52. Practice proves that the equipment can prevent cervical spondylosis effectively.

關鍵詞： 九軸重力加速度傳感器；頸椎疾病預防；單片機；移動互聯網應用

Key words： 9-axis acceleration sensor；cerivical spondylosis preventive；SCM；moveable type internet application

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0151-02

0 引言

目前，國內外人體運動追蹤的相關理論發展日臻成熟，人體運動追蹤技術在許多行業中得到廣泛應用。人體追蹤有多種方法，總體上分為三類：非視覺跟蹤、視覺跟蹤和機器人輔助跟蹤[1]。視覺跟蹤和機器人輔助跟蹤由于成本較高，在智能醫療行業應用較少，而在智能醫療行業應用最多的也是最為廣泛的屬非視覺跟蹤。筆者介紹一種用于頸椎疾病預防的設備，利用人體追蹤技術中的慣性傳感器跟蹤方法，將傳感器采集到的信號計算整合后通過藍牙發送至軟件端，軟件端通過圖像向用戶呈現出運動姿態是否滿足要求，最終以運動頸部的方式達到預防頸椎病的目的。

1 九軸重力加速度傳感器傾角測量原理

當今市場上慣性傳感器門類眾多，但其原理大同小異。本設備采用了一款新型的集成傳感器——九軸重力加速度傳感器，其傳感器本體上集成了ADXL345三軸加速度計、HMC5883L磁力計和ITG3205三軸陀螺儀。在普通的慣性狀態下，傾角的測量一般采用三軸加速度計，以物體所受重力方向為基準，根據重力加速度在傳感器的三個感應軸上的重力分量來計算物體的傾角。當物體處于靜止狀態時，加速度計的測量非常準確。但是當物體處于運動狀態且速度不恒定時，加速度計測量到的是重力加速度與物體運動加速度的疊加，此時計算所得的物體姿態傾角是不準確的。因此，本設備采用三軸陀螺儀，通過對其三個測量軸上的瞬時角加速度進行積分運算來計算物體相對于初始狀態的偏轉角度。考慮到漂移、噪聲、振動等干擾因素，這里選用一種簡單、直觀的多傳感器融合方法，將三軸加速度計和三軸陀螺儀的測量結果進行加權平均[2]，以提高測量精度。

基本算法如下：設n個傳感器的方差為？滓12，？滓22，？滓32，…，？滓n2，待估計的真值為X，各傳感器測量值為X1，X2，X3，…，Xn，它們彼此獨立，且為X的無偏估計；各傳感器加權因子分別為W1，W2，W3，…，Wn，將X1，X2，X3，…，Xn進行加權融合，融合后的■值滿足以下關系：■=■WiXi■Wi=1（1）

式（1）確定的結果即為融合值。

2 設計思路

通過大量的資料調查與分析，人們逐漸認識到他們的健康很大程度上是掌握在自己手中的，對個人身體健康的關注已經不單單是去醫院做檢查、服藥等傳統方式了。而是希望在疾病到來前便進行專業、合理的疾病預防。此時，運用科學技術去解決人們生活所需就尤為重要了。所以本設備采用了物聯網技術讓線下實體測量硬件設備與移動互聯網設備連接的設計方案，實現對用戶頸部運動信息的實時采集、反饋與整理。該設備的硬件結構主要包括測量單元、數據傳輸單元和控制單元。

3 硬件設計

3.1 測量單元

測量單元的主體為一塊集成式九軸重力加速度傳感器，其主要構成芯片為三軸加速度計ADXL345、磁力計HMC5883L和ITG3205三軸陀螺儀。本設計以ITG3205三軸陀螺儀為主要測量芯片，以三軸加速度計ADXL345為補償單元來達到對用戶頸部運動傾角的準確、實時測量的目的。設備上電后，測量單元首先進行自測，保證本單元的準確運行。自測結束后，測量單元開始采集模擬信號，經由傳感器上的10位固定分辨率的模數轉換器轉換為數字信號，并通過SPI數字接口傳送給控制單元。

3.2 數據傳輸單元

為了達到硬件與軟件間的數據傳輸的私密性與實時性，此單元選用市面上較為成熟且應用廣泛的藍牙技術，作為軟件與硬件間的“數據中轉站”。系統上電后，藍牙模塊HC-05便發出與軟件配對的請求，配對成功后便可連接，實現數據的無線傳輸。

3.3 控制單元

控制單元的微處理器選用了Atmel公司生產的51系列單片機STC89C52作為該單元的核心，該單片機是高速、低功耗、抗干擾能力強的一款應用廣泛的8051單片機。該單元在得到傳感器的測量結果后通過內部程序中的加權平均算法對測量結果進行計算、整合，控制HC-05藍牙模塊將數據發送到移動互聯網應用上。

測量單元實時測量時，由單片機STC89C52的P11、P12兩個I/O口分別控制傳感器的時鐘信號與數據傳輸。

3.4 硬件電路的設計

該系統的硬件電路設計主要包括傳感器電路、單片機最小系統和HC-05藍牙模塊連接電路。由于九軸重力加速度傳感器的輸出信號為數字量，因此無需A/D轉換電路，即可直接與微處理器相連，簡化了電路設計；單片機最小系統的復位電路采用手動復位方式，晶振電路采用外部時鐘電路，頻率為11.0592MHz。數據傳輸單元采用低功耗的HC-05藍牙模塊，供電電壓為5V（DC），并且體積小，裝配方便。

4 軟件設計

為了增加此設備的趣味性，使設備在指導人們進行頸部運動鍛煉的同時也可以放松減壓來保障用戶的身體和心理的健康，我們將此設備做成與手機應用（基于Android）連接的形式。在手機應用端，接收到的硬件測量數據會被當作控制量，結合軟件端的動畫，最大程度的提升軟件與用戶之間的交互性。在圖像的特效處理中，使用Android提供的Android.graphics.Matrix類與BitmapShader類實現圖像的移動特效與后期渲染。[3]并且，APP還可以通過對用戶使用信息的分析整理定期返還用戶健康報告，并預測本段期間用戶通過使用本產品對預防頸部疾病起了多大的作用。

軟件端總體上分為四大模塊：

①顯示與監控模塊：本模塊的主要功能是對用戶的頸部運動進行實時監控并對用戶動作是否到位進行提示，最終以圖像的形式呈現在移動應用端。

②用戶交流模塊：本模塊是為用戶提供一個交流的平臺，用戶與用戶間可以通過提問等方式進行交流。

③頸部健康知識科普模塊：本模塊為用戶提供一些頸部健康方面的知識與資料。定期推送一些頸部疾病最新研究成果、頸部疾病康復設備等信息。旨在讓用戶進行頸部鍛煉的同時了解更多的頸部健康知識。

④個人空間模塊：本模塊的主要功能是記錄用戶的使用信息。例如用戶使用本設備的時間，用戶每日的使用次數，用戶動作的到位程度等。同時用戶還可以錄入自己的基本信息，設置每日定時提醒時間。

5 系統實驗數據分析

為了提高角度測量的精度，降低系統誤差，在傳感器裝配之前需要對傳感器零角度位置進行標定。設備在零點標定時需要一個全水平的環境，利用水平儀輔助裝配，記錄此時傳感器測得角度值，將其寫入控制單元內部程序，在實際應用中減去測得值再取絕對值就可以作為最終測量結果。表1為對不同角度的測量數據，測量范圍為0-90度，測量結果精確到小數點后兩位。

為檢驗系統工作是否穩定、可行，本小組對每一角度做了三次測量，共測量了五組不同角度。通過本次測量，本系統能在誤差允許范圍內較為準確的測量0-90度間的不同的角度，說明本設計是穩定、可行的。

6 系統應用價值

隨著社會的進步和經濟的快速發展，我們已經進入了一個快節奏時代。高科技迅速發展，生活現代化程度日益提高，生活節奏不斷加快，人們的生活方式不斷發生改變。人們希望在疾病到來前便進行專業、合理的疾病預防。正是由于健康意識的不斷提高，人們對家庭醫療“保健醫生”的需求增加，醫療器械產品已經逐步走進千家萬戶。近年來醫療產品走入家庭，已經不單純是防病治病，而是使人們可以隨時隨地地檢測自己的身體，掌握自己的健康指數。因此，用戶對于這種特殊產品提出了更高的要求，期望自己所購買的保健產品無論是從生理還是從心理上都能帶來愉悅的感覺，這也標志著人們對健康的新生活有了越來越高的追求。“智能醫療”也隨著科學技術水平的提高應運而生。有以上可知保健醫學和物聯網技術在醫療領域的應用都是近年來的熱點話題。而據調查得知，物聯網技術應用于醫療領域更多的是實現用戶信息采集、整理與分類；遠程監控等功能，幾乎沒有保健設備應用物聯網技術，所以本設計旨在結合物聯網技術為人們提供一款現代化保健設備。

本設備利用移動終端的前沿性、時尚性與多樣性在進行頸部運動實時監測的同時融入頸部運動趣味游戲，讓用戶在輕松減壓的氛圍中預防頸部疾病，而且本設備具有成本低、功耗小、操作簡單、易攜帶等特點，是我們每個人的頸部健康小助手。本基于九軸重力加速度傳感器設計的頸椎疾病預防設備有著很好的應用前景。

參考文獻：

[1]李玲，崔凌，劉浩.人體運動跟蹤技術在智能康復系統中的應用[J].科技風，2009，19：222.

[2]李媛媛，張立峰.多傳感器自適應加權融合算法及其應用[J].自動化與儀器儀表，2008（02）：10-13.

[3]宋國柱.Android圖形圖像處理技術研究[A].電腦知識與技術，2014（03）：1800-1801.