基于多種傳感器組合的坐姿檢測系統設計

張思寬 鄭文雄 徐怡飛

（天津工業大學 機械工程學院,天津300387）

1 概述

隨著青少年學習生活負擔越來越重,因久坐、坐姿不正而導致的各類疾病正日漸低齡化。久坐時不會一直保持良好的姿態,還可能出現高低肩、脊柱側彎、骨盆側傾等體態問題。若長時間不糾正,會影響學生的健康和生長發育[1]。本文設計了一款基于柔性壓敏傳感器和紅外測距傳感器的坐姿檢測系統, 它能夠有效地監測出使用者的坐姿數據, 通過單片機運算出坐姿判斷結果。坐姿判斷結果和測量數據傳輸到上位機, 由上位機中的MATLAB 收集后處理,最后顯示出壓力熱力圖、傾斜角度和坐姿判斷結果。

2 系統總體設計

本檢測系統主要由柔性壓敏傳感器陣列、壓力信號處理電路、紅外測距傳感器電路、單片機和上位機共五部分構成,原理框圖如圖1 所示。柔性壓敏傳感器陣列主要由傳感器陣列和相關附屬電路組成；壓力信號處理電路主要由模擬開關構成,壓力信號經過處理電路后由單片機自帶的ADC 進行處理；由于紅外測距傳感器本身輸出的為數字信號,故可直接傳入單片機；單片機程序處理完得出坐姿的判斷結果,之后數據由USB 接口傳入作為上位機的計算機中, 由計算機進行熱力圖的繪制和結果的顯示。

圖1 系統原理圖

2.1 系統硬件設計

本系統的硬件部分由四個部分組成, 它們分別是柔性壓敏傳感器電路、壓力信號處理電路、紅外測距傳感器電路和單片機電路。

2.1.1 柔性壓敏傳感器電路

為了測量出使用者坐姿的坐墊部分壓力分布情況, 本系統采用柔性壓敏傳感器陣列作為檢測坐姿壓力數據的主要元件。本壓敏傳感器的原理是當壓力作用于傳感器時, 電阻值發生相應的變化,從而得到相應變化的電壓值[2]。柔性壓敏傳感器陣列選用柔希科技的RX-M1616L 壓敏傳感器陣列, 該傳感器有16行16 列,共256 個感應單元,每一個感應單元相互獨立,它們分布在456mm 長357mm 寬的長方形內,每一個感應單元的長寬均為25.1mm 和18.3mm,傳感器陣列實物圖如圖2 所示。

當施加壓力到傳感器上時, 其電阻會隨著壓力的變大而變小,其電阻和壓力呈現出反比例函數關系,而其電阻的倒數則和壓力近似呈線性關系,其電阻和壓力的關系圖如圖3 所示。

柔性壓敏傳感器信號采集電路如圖4 所示, 圖中的R 為用來分壓的電阻,它們的電阻值分別為10kΩ,傳感器中的每一個敏感單元都可以看作一個可變電阻, 輸出端的輸出電壓分別反映這256 個敏感單元的電阻,從而反映使用者的壓力分布情況。

圖2 柔性壓敏傳感器實物圖

圖3 電阻-壓力關系圖

圖4 壓敏傳感器陣列壓力采集等效原理圖

2.1.2 壓力信號處理電路

由于壓敏傳感器陣列有16 行16 列共256 個敏感單元,故采用多選一的模擬開關進行信號處理。模擬開關則采用由德州儀器的CD4067 十六選一模擬開關。由單片機向CD4067 發出控制信號,CD4067 根據控制信號選通相應輸出接口,CD4067 的輸入接口連接電源, 每一個輸出接口可以為一行傳感器敏感單元供電,從而使該行傳感器工作,該行16 個敏感單元的信號直接輸入到單片機的ADC 接口中,CD4067 的控制電路如圖5 所示。

圖5 單片機對CD4067 控制電路圖

2.1.3 紅外測距傳感器電路

為了進行坐姿的前后傾判斷, 本系統采用測量使用者背部傾斜角度的方式進行判斷。在坐墊靠背處安裝兩個紅外測距傳感器,分別對應使用者背部脊柱中線上下兩點,傳感器保持水平同方向。上下兩個傳感器同時測量使用者背部兩點到傳感器的水平距離,將數據傳輸到單片機中,由單片機進行處理。紅外測距傳感器采用意法半導體的VX53L0X 傳感器,最長測量距離為2m,內部集成了光學測量所需要的濾波器和驅動電路,可以直接與單片機通過I2C 通信。單片機對紅外測距傳感器控制電路如圖6 所示。

2.1.4 單片機電路

本系統采用意法半導體的一款基于ARM 內核的微控制器的STM32F103ZET6 單片機。單片機電路中包括了必要的電源電路和通信電路。單片機將柔性壓敏傳感器陣列和兩個測距傳感器獲得的數據進行處理, 求出前后傾判斷結果和左右傾判斷結果, 和測量得到的數據一起通過串口連接CH340 芯片,由CH340 芯片將串口信號轉換為USB 信號后傳入上位機。

圖6 單片機對VX53L0X 控制電路圖

2.2 數據獲取與處理

本系統從傳感器獲取數據和處理的工作主要是在單片機中進行。單片機程序主要包括兩大部分：分別為左右傾判斷程序和前后傾判斷程序。左右傾判斷程序負責柔性壓敏傳感器陣列的數據獲取和處理, 前后傾判斷程序負責紅外測距傳感器的數據獲取和處理。

2.2.1 左右傾判斷程序

左右傾判斷程序通過單片機控制ADC 運行掃描模式, 使模擬開關對壓敏傳感器陣列的每一列進行掃描, 并將數據進行保存, 形成一個16×16 的壓力矩陣, 最后通過對矩陣進行計算處理,得出左右傾判斷結果。正常坐姿時,身體處于端正狀態,壓力矩陣具有左右對稱性[3]。我們分別將壓力矩陣的左邊8 列數據和右邊8 列數據進行求和,分別記作L 和R,則左半部分和與右半部分和之差△為

設置閾值為P,P 為正數。將P 與△比較,得出判斷結果,程序框圖如圖7 所示。

2.2.2 前后傾判斷程序

前后傾判斷程序以單片機為控制核心,采集兩個紅外測距傳感器的數據, 通過對數據的計算分析得出使用者背部傾斜角度來判定使用者是否為正確的坐姿[4]。其原理圖如圖8 所示。

單片機采集到的上紅外測距傳感器測得距離和下紅外測距傳感器測得距離分別記作X1和X2,上下紅外測距傳感器之間的垂直距離為B, 在安裝調試時水平方向上兩個紅外測距傳感器之間有一定距離,記作Y,Y 為正數,則為求得使用者的前傾角度,前傾距離A 為

2.3 數據可視化

圖7 左右傾判斷程序框圖

圖8 前后傾角度求解原理圖

本系統的數據可視化主要由上位機來負責,單片機采集到的壓敏傳感器陣列各點的數據、左右壓力和、左右傾判斷結果、上下紅外測距傳感器測得距離、使用者傾斜角度和前后傾判斷結果通過USB 接口傳入上位機, 由上位機的MATLAB 接收并處理。

利用MATLAB 提供的設備控制工具箱與圖形用戶界面工具箱對串口通信與用戶界面進行設計[5]。接收到的壓力傳感器陣列數據在MATAB 中經過處理后在UI 上顯示為熱力圖的形式,其他結果則直接顯示在MATLAB 設計的UI 上。

3 系統實現

完成系統的各項設計后,我們進行了實物的制作。在制作實物的過程中,考慮到使用者的舒適度,我們在柔性壓敏傳感器陣列上墊上了一個坐墊,將兩個紅外測距傳感器裝入一個靠墊中,兩紅外測距傳感器水平距離為110mm,垂直距離為215mm。

為驗證系統的可行性,我們隨機選擇了一位志愿者進行了正坐和左前方撐桌子兩個動作的測量,志愿者的體重約為70kg。我們設置左右傾的閾值為10kg,前后傾閾值為10°。

志愿者正坐時,背部兩測距點因人體脊柱生理狀態存在一定的傾斜角度,左右股坐姿壓力和也存在一定的差值,但仍在正常正坐坐姿范圍內,因此系統綜合判斷為坐姿正常。

背部兩測距點上下距離差偏大, 背部脊柱傾斜角度達到22.26°,系統判斷為坐姿前傾。由于人體一部分壓力因坐姿變化而被腿部及手部承擔,因此左右股壓力總和下降,但測得左右股坐姿壓力和差值仍達到20.071kg,系統判斷為左傾。因此系統綜合判斷為坐姿左前傾狀態。

4 結論

隨著社會現代化進程的不斷發展,青少年學習生活的壓力負擔加重, 久坐行為已經不可避免。采用多傳感器的坐姿檢測系統, 針對不同坐姿壓力數據變化及背部傾斜角度數據共同進行分析,能有效呈現使用者的坐姿狀態,并作出判斷及反饋。同時通過柔性壓敏傳感器測量相關坐姿壓力數據可為座椅坐墊設計、人體工學研究等提供有效參考。考慮到不良坐姿給青少年身心發育成長健康帶來的諸多不良影響, 通過外在手段對青少年不良坐姿進行矯正, 能有效輔助青少年采用正確坐姿進行學習生活,避免因不良坐姿引起的各類不良疾病。