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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),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。在查找相關資料的過程中,發現測量脈搏的傳統方法有三種,分別是:一是從心電信號提取,在平常生活中醫院較為常見;二是從測量血壓時壓力傳感器所測得的波動經過計算處理而得的脈率,以及三是光電容積法,即本作品采用的方法。在決定采用這種方法時考慮到該作品是便于攜帶的可穿戴坐姿提醒器,而前兩種方法會限制佩戴者的活動,與該作品的初衷不復合,便選擇方法簡單,佩戴方便的光電容積法采集所需要帶的脈搏數據。在模塊的初始化中,引腳分配方面該設計采用stm32中的PA1引腳作為信號采集,工作模式為單通道以及單次轉換的模式,出發方式改為用定時器3的外部觸發模式。光電容積法的基本原理是通過人體組織在血管波動時造成的透光率不同來進行脈搏測量的。定時器3配置為每隔2ms采集心率傳感器所獲得的數據。故在設計外形時采用將心率傳感器的透光區留空,以便能夠有效獲得數據。


3.4 陀螺儀模塊MPU6050

關于本作品的關鍵數據——角度采集,該作品采用的是MPU6050模塊。該模塊可以通過測量佩戴者的坐姿偏移角度判斷是否處于正確坐姿。在實驗的過程中,根據多次的實驗數據以及生活經驗,總結后,在算法中對每個軸設定一個臨界角度,當用戶在佩戴上該作品時,MPU6050建立三維坐標軸,而當人的身體發生傾斜的時候,形成一定的角度的偏移,此時該作品設定的算法中將根據各軸獲得角度的大小以及設定的臨界值判斷身體是否處于不正確的姿勢,若處于不正確的姿勢,代碼將驅動振動電機震動,提醒佩戴者注意坐姿,直至佩戴者的姿勢糾正過后才停止震動。如果佩戴者調整過后的姿勢沒有超過設定的臨界值,電機便一直處于待機狀態,證明人處于正常姿勢工作狀態。


3.5 軟件實現

軟件部分分為AD采樣,陀螺儀加速度計速度采集,數據與服務平臺的上傳,PWM輸出控制電機震動頻率以及串口,它們都通過C語言編程實功能。圖3-1為軟件設計總體流程:主程序主要實現各模塊功能的初始化以外部接口相關的初始化。在每個模塊及相關的事件初始化成功后,該作品將在電腦端通過串口1發送對應的初始化成功的語句。當所有的初始化都已成功實現后,該作品通過陀螺加速度計檢測當前姿態所對應的角度,與設定值比較,得出差值,若差值超出一定角度則通過使能定時器4控制紐扣電機的PWM輸出產生一定頻率的震動,提醒佩戴者,當佩戴者對自身的姿勢進行調整后,若MPU6050得到的值與設定值的相對值在設定范圍內,則紐扣電機停止震動,否則將持續至佩戴者達到正確姿勢。其次,定時器3時隔2ms便會觸發心率采樣模塊對佩戴者的心率進行采集,并通過AD轉換,轉換成對應的數字數據。串口2將把以上采集的各種數據集合成一個數組,給予ONE NET 平臺的數據包里,通過串口2,由WIFI模塊聯網,講數據上傳至ONE NET平臺,以記錄和呈現。                     

軟件設計總體架構參見下圖所示:

                         

5 性能測試

5.1心率傳感器獲取佩戴者脈搏

PPG利用血液反射紅光、吸收綠光的特點,在心臟跳動的間隙,將綠光的被吸收量的變化轉換為電信號,從而計算出每分鐘的心跳次數,即心率。

 


5.2 陀螺儀獲取佩戴者的pitch

該作品啟動后,陀螺儀建立三維坐標軸,通過一系列算法,計算得出pitchroll以及yaw值。在綜合考慮佩戴者佩戴的角度,決定采取比較pitch值來判斷佩戴者的坐姿正確與否。


5.3 WiFi模塊與onenet平臺連接

WiFi模塊通過串口配置,將該作品與設定的無線信號進行連接,將心率傳感器及陀螺儀采取到的數值上傳至onenet平臺,并可在應用管理的頁面查看持續上傳的數據記錄,參見下圖所示:

 

 


6 結束語

本設計利用onenet平臺,對坐姿調整器所采集的數據進行可視化記錄,其中的WiFi模塊課通過軟件或串口配置,便于攜帶。在角度采集方面,可以瞬時得到數據并進行提醒,該作品意在提醒坐姿不準確的佩戴者,減少了不良坐姿給青少年帶來的不良影響。


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