預防頸椎疾病的姿態監測智能設備設計*

鄧開連，周志鵬，楊義錦，曹瀚文，劉朝陽

(東華大學 信息科學與技術學院 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海 201620)

預防頸椎疾病的姿態監測智能設備設計*

鄧開連，周志鵬，楊義錦，曹瀚文，劉朝陽

(東華大學 信息科學與技術學院 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海 201620)

設計了一款預防頸椎疾病的智能監測設備。該設備依賴于六軸加速度計MPU6050，通過采集人體頸椎部位轉動的速度信息和加速度信息,可以得到人體頸椎部位的相應傾角信息，進而將這些數據信息傳送給基于ATmega328的嵌入式設備處理，嵌入式設備處理完數據后，將數據信息通過藍牙模塊傳送給手機移動終端做進一步的分析與處理。并且給予用戶相應的反饋信息。智能設備測試的結果表明，該人體頸椎疾病的智能監測設備具有低成本、小尺寸、反應快、穿戴便捷等優點。

姿態監測；MPU6050；ATmega328

引 言

亞健康是指機體無明確診斷的疾病，在內外環境因素刺激下機體發生的生理或心理異常變化，但尚未達到病理性反應的程度，介于健康與疾病之間的一種健康低質量狀態[1-2]。

以往認為，頸椎病是中老年人的常見病。但近年來人們的學習、工作、生活方式發生了很大的改變，青少年、中學生、大學生、社會工作人員等頸椎病的發病率呈上升趨勢，頸椎病不再是中老年人的“專利”[6-11]。如果能夠開發一種便攜式的頸椎亞健康預警設備，將會給用戶帶了極大的便利，同時讓一部分人不會得頸椎病或脫離頸椎亞健康狀態。

本文設計了一款預防頸椎病的智能設備，該設備主要采用六軸加速度計MPU-6050來監測頸椎的情況，將監測到的數據傳送至單片機，單片機經過處理后通過藍牙模塊將數據發送至手機等移動端，手機根據采集的數據做出相應的反應。

MPU-6050為整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速度計時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。MPU6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1 000與±2 000 (°/s)，可準確追蹤快速與慢速動作。并且，用戶可控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。它可在不同電壓下工作，VDD供電電壓為2.5 V±5%、3.0 V±5%或3.3 V±5%，邏輯接口VVDIO供電為1.8 V±5%。使用該模塊而不使用傾角傳感器的原因是該模塊集成了陀螺儀和加速度計，采集信息更為豐富。

1 硬件設計

頸椎檢測器共分為5個部分：電源管理模塊、頸椎信息采集電路、數據ATmega328處理控制電路、藍牙模塊和手機移動終端，系統結構框圖如圖1所示。為了盡量減小該頸椎監測器的尺寸，處理控制電路的MCU選擇的是ATmega328，而藍牙模塊則是選用TI公司推出的2.4 GHz低功耗片載系統CC2541。該頸椎檢測器因體積小、成本低,適合在日常生活中使用，將其佩戴于脖頸處即可。

圖1 系統結構框圖

1.1 電源管理模塊[12]

圖2 降壓模塊電路圖

作為本模塊的供電電源，系統設計中采用的供電電源是鋰電池，供電電壓一般為3.3～4.2 V。MPU6050模塊需要3.3 V的供電電壓，而主控芯片ATmega328以及藍牙模塊都需要有5 V的供電電壓。因此，電源管理模塊分為降壓模塊和升壓模塊。降壓模塊采用ADP150芯片，該芯片具有寬輸入、紋波小的優點。升壓模塊采用TPS60110芯片，該芯片具有干擾小、轉化效率高的優點。同時，為了防止因為噪聲的影響，在穩壓電源輸出端并入一個旁路電容用于去耦。一般情況下，該電容容值為1 μF，過小則濾出高頻噪聲效果不好，過大則會增加系統的功耗。圖2和圖3分別為降壓電路模塊和升壓電路模塊電路圖。

圖3 升壓模塊電路圖

1.2 頸椎信息采集電路

該電路采用的是MPU6050模塊,MPU6050內部集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀。加速度計輸出參數為x、y、z三個方向對應的線加速度，而陀螺儀輸出參數為x、y、z三個方向對應的角速度。傾角的計算可以分別由以下3個公式所得。

加速度計z軸與自然坐標系Z軸夾角：

(1)

加速度計x軸與自然坐標系X軸夾角：

(2)

加速度計y軸與自然坐標系Y軸夾角：

(3)

因此，由MPU6050中可以讀出傾角和角加速度。MPU6050初始的線加速度和角加速度值包含的噪聲是很大的，同時存在一定偏差，因此需要進行濾波和校準處理。校準處理，每各10ms間隔讀取10個值，求得其均值，也就是偏移量，將每次的讀數都減去偏移量就能得到校準后的數值。濾波處理，由于頸椎的運動一般情況下沒有那么劇烈，因此采用MPU6050內部的DMP數據處理模塊進行濾波即可，其內置有濾波算法，濾波效果較好。實際操作中，利用I2C總線從DMP中讀出數據，然后將讀出的數據發送給主控芯片進行處理。

1.3 數據處理控制電路

數據處理控制電路的核心模塊是ATmega328控制芯片，該芯片不僅功能豐富，而且小巧，適合在集成印刷電路板中應用。利用該控制芯片的I2C總線從MPU6050的DMP數據處理模塊中讀出數據，然后將其傳送至藍牙模塊上，最后藍牙模塊將接收的數據處理后發送至移動終端進行進一步的處理。該控制電路主要起數據傳輸的作用，進一步的數據處理在移動終端的APP中進行。數據處理控制電路如圖4所示。

圖4 數據處理控制電路圖

2 軟件設計

2.1 處理器程序

該部分程序主要分為讀取MPU 6050數據和設置藍牙模塊的通信協議進而發送數據。藍牙模塊設置波特率為9 600 bps。在移動終端無法自動辨別為何種數據，故藍牙發送數據前需要發送一個識別碼。例如，在發送MPU 6050 X軸與自然坐標X軸間的角度前，先發送一個“0x01”來標識這個數據，其他數據也做類似的處理，這樣就可以在移動終端進行數據的辨別。而總共要發送的數據分為3個，分別為x軸角度，y軸角度，z軸角度，在程序中標識為“0x01”～“0x03”。

2.2 手機應用程序設計[13-15]

手機應用程序設計是在Android Studio中開發的，Android Studio是Android集成開發工具，基于IntelliJ IDEA，是由Google開發的Android專用開發環境，替代Eclipse ADT插件。程序主要通過手機的藍牙模塊接收數據，后臺服務程序將接收到的數據保存到SQLite數據庫中，記錄當前時間以及x、y、z三個方向的角度值，并且在應用程序關閉后還能夠繼續接收數據。在應用程序啟動時會從數據庫查詢數據，并且分析低頭次數和低頭持續時間。為了能夠給用戶帶來更好的體驗，應用設計采用了多線程，在藍牙模塊建立連接的過程、數據接收的過程以及數據在數據庫中插入、查詢等耗時過程都使用了一個單獨的線程，保證UI主線程不會卡頓或者出現系統無響應等異常情況，在用戶等待藍牙模塊建立連接和數據查詢分析時都使用了進度條來顯示當前的狀態。數據的存儲使用的是SQLite數據庫，不能存儲過多數據，因此相關數據會在一天后更新，數據的獲取分析都是以一天為周期的。頸椎姿勢判斷標準表如表1所列。

表1 頸椎姿勢判斷標準表

上述的判斷標準，在手機應用程序中的具體處理是：x軸角度超出判定正常范圍時就記錄一次頸椎不規律運動；y、z軸角度超出判定正常范圍持續10 s記錄一次低頭時間過長，并發出震動提醒。手機應用程序數據采集、處理顯示圖如圖5所示。

圖5 手機應用程序數據采集、處理顯示圖

實際上，若再加入角加速度的判斷標準，可以更加有效地預防頸椎疾病，例如在瞬間角加速度過大的時候，表明頸椎的瞬時運動過于劇烈，預防此類問題可以更好地保護頸椎。

結 語

[1] 張青，傅衛紅，黃美蘭，等.飛行人員頸椎亞健康的綜合防治[J].頸腰痛雜志，2014，35(1)：22.

[2] 吳俊曉.護士頸椎亞健康患病現狀及影響因素分析[J].社區醫學雜志，2014，12(12)：44.

[3] 唐漢武.大學生頸椎亞健康患病現狀及其相關因素的分析[D].廣州:廣州中醫藥大學，2008.

[4] 徐江，孫立軍，由世浩.青少年頸椎亞健康中醫病因病機研究[J].長春中醫藥大學學報，2011，27(2)：232.

[5] 趙保禮，張喜芬，陳立濤. 石家莊市區中學生頸椎亞健康現狀及相關因素調查[J].現代預防醫學，2013，40(21)：3984.

[6] 賈連順．頸椎病的現代概念[J]．脊柱外科雜志，2004，2(2)：123-126．

Attitude Monitoring Intelligent Device to Prevent Cervical Vertebra Disease

Deng Kailian,Zhou Zhipeng,Yang Yijin,Cao Hanwen,Liu Zhaoyang

(Engineering Research Center of Digitized Textile&Apparel Technology,College of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China)

In the paper,an intelligent monitoring equipment to prevent cervical vertebra disease is designed.The system is based on the six-axis accelerometer MPU6050,and it obtains the corresponding inclination angle information by collecting the velocity information and acceleration information of the rotation of the cervical vertebra,and the data is transmitted to the embedded device ATMEGA328 for further analysis.After processing the data,the data is transmitted to the mobile terminal through the Bluetooth module,and the system gives the user corresponding feedback information later.The test results show that the cervical vertebra monitor has the advantages of low cost,small size,quick response and convenient wearing.

attitude monitoring;MPU6050;ATmega328

國家大學生創新創業訓練計劃聯合基金項目(項目代碼：H1041601)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(項目代碼：2232016D-32)；東華大學教改項目(項目代碼：104-01-0007076)；東華大學教改項目(項目代碼：104-01-0007066)。

TP23

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