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基于STM32單片機的穿戴式坐姿調整器的設計及其實現

發布時間:2019-10-25 20:57   類型:解決方案   人瀏覽
1 引言 信息化時代,由于伏案坐姿引發的脊椎健康問題日漸突出。同時,隨著經濟進步,家庭愈發重視兒童的成長,而且,成年人的脊椎健康問題很多都是從兒童時期積累的,但由于兒童的脊椎柔韌性較好,一般很難發現癥狀,而到了中年,這些問題就會慢慢顯現出來。加上我國青少年的學業壓力日益增加,需要伏案學習的時間不斷增加,而且大部分的中小學的座位的大部分面積都被學生的書包所占用,學生沒辦法靠坐在椅背上,這使得脊椎要承受的壓力更大,不良坐姿對該人群的影響更甚于以往。 經過搜集人體坐姿的有關數據后,發現可以利用mpu6050陀螺儀對人體姿態進行實時的角度測量,并通過該陀螺儀所得到的原始數據,加上一定的算法,從而得知人體正處于何種坐姿狀態,進而得知是否進行提醒。為了方便用戶獲取自己的坐姿信息,本文利用WIFI通信網絡對該產品進行有關數據的采集以及相關操作。為了增加產品的實用性,本設計還添加了心率傳感器模塊,讓用戶時刻關注自己的身體健康。同時,為了不增加人體負擔,該款坐姿矯正器以便攜為初衷,不同于市面上已有的較大型的同類產品,本產品具有競爭性。再者,相較市場上的同類產品,本產品利用提醒器-網頁端可視化窗口二者有機結合使得該產品既有效矯正不良坐姿又迎合時代潮流,實用性強,“可玩性”強。 2 硬件單元 2.1 紐扣式震動電機   紐扣式震動電機廣泛應用于手機中,屬于一種微型震動馬達,歸屬于直流有刷電機。選用原因如下:噪音小、功耗低;震感強,可以有效地起到提醒警告效果;尺寸小、重量輕,不會增加人體負擔;徑向/周向旋轉(扁平);結構簡單,工作原理簡單;響應時間短;可靠性強。 2.2 WIFI模塊   Wi-Fi模塊又名串口Wi-Fi模塊,歸屬于物聯網傳輸層,功能是將串口或TTL電平轉為符合Wi-Fi無線網絡通信標準的嵌入式模塊。本產品使用ESP8266 WIFI模塊。該模塊芯片使用3.3V直流電源,體積小、功耗低、支持透傳、丟包率低、價格低、性價比高,并具有斷電記憶功能、插口開關狀態查詢功能、設備發現功能。WiFi模塊可通過軟件配置和串口配置。在串口配置中,利用串口通信,向WIFI模塊發送一系列指令以完成WIFI模塊的初始化,達到與onenet平臺的連接,為獲取數據而服務。 2.3 姿態傳感器   使用市面上常見且廣泛使用的MPU-6050模塊。該模塊很好地免除了組合陀螺儀與加速器時的軸間差的問題,可以在不同電壓下工作,其中,該設計可在3.3V±5%的狀態下正常工作,為模塊調試及最終成品提供了便利。 2.4 心率傳感器 心率傳感器基于尺寸大小、性價比、電路結構是否簡易等綜合考慮,采用目前廣泛應用于智能手環中的光學心率傳感器。這種心率傳感器利用PPG(即光電容積脈搏波描記法)來測量心率和其他生物計量指標,基于由于血脈搏率(即心率)或血容積(即心輸出率)發生變化而引起的血流動力變化時,進入人體的光會發生可預見的散射的工作原理。設計思路為,利用PPG的利用血液反射紅光、吸收綠光的特點,在心臟跳動的間隙(2-3秒),將綠光的被吸收量的變化轉換為電信號,通過AD轉換,轉換成相應的數字信號,并通過一系列的計算,從而計算出每分鐘的心跳次數,即心率。 3 系統實現 3.1 工作原理 利用MPU6050模塊,初始化模塊后獲得一個初始值(x軸、y軸、z軸),并在相同間隔的時間內獲取當前人體坐姿的坐標,進而與原始值進行判斷人體是否處于正確坐姿狀態中。若判斷人體處于不正確坐姿中,即坐標偏差值達到程序中設定的報警值(程序中設定偏離6°),則產品會啟動報警模式——振動電機震動。硬件電路原理參見下圖所示:   3.2 WiFi模塊ESP8266 隨著通信業的發展,Wifi通信幾乎遍及人們生活的每個角落。在綜合考慮后,決定該作品的WiFi模塊采用ESP8266,模塊分別進行了軟件配置以及串口配置兩種方式。在軟件配置中,分別加入了模塊的模式初始化函數,發送命令函數,與onenet平臺連接的報文函數,引腳初始化函數以及與串口有關的寫,讀,復位等相關子函數。 3.3 心率傳感器 心率傳感器則采用ADC模數轉換,將采集到的數據進行處理,并利用串口1通過串口調試助手顯示。心率傳感器作為坐姿提醒的附加功能,用以測試佩戴者的脈搏。

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