基于九轴重力加速度传感器设计的颈椎疾病预防设备

高鹏++杨雪晨++李明昕

摘要： 基于人体运动追踪和人机工程学原理及物联网思想，设计了一种硬件结构简单、携带方便、抗干扰能力强的颈椎疾病预防设备。测量单元选用九轴重力加速度传感器测量人体头部运动倾角，数据传输单元选用无线蓝牙，实现与移动互联网应用（手机APP）的通信，控制单元选用51系列单片机STC89C52作为控制核心。实践证明，本设备能有效的预防颈椎病。

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.

关键词： 九轴重力加速度传感器；颈椎疾病预防；单片机；移动互联网应用

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

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0151-02

0 引言

目前，国内外人体运动追踪的相关理论发展日臻成熟，人体运动追踪技术在许多行业中得到广泛应用。人体追踪有多种方法，总体上分为三类：非视觉跟踪、视觉跟踪和机器人辅助跟踪[1]。视觉跟踪和机器人辅助跟踪由于成本较高，在智能医疗行业应用较少，而在智能医疗行业应用最多的也是最为广泛的属非视觉跟踪。笔者介绍一种用于颈椎疾病预防的设备，利用人体追踪技术中的惯性传感器跟踪方法，将传感器采集到的信号计算整合后通过蓝牙发送至软件端，软件端通过图像向用户呈现出运动姿态是否满足要求，最终以运动颈部的方式达到预防颈椎病的目的。

1 九轴重力加速度传感器倾角测量原理

当今市场上惯性传感器门类众多，但其原理大同小异。本设备采用了一款新型的集成传感器——九轴重力加速度传感器，其传感器本体上集成了ADXL345三轴加速度计、HMC5883L磁力计和ITG3205三轴陀螺儀。在普通的惯性状态下，倾角的测量一般采用三轴加速度计，以物体所受重力方向为基准，根据重力加速度在传感器的三个感应轴上的重力分量来计算物体的倾角。当物体处于静止状态时，加速度计的测量非常准确。但是当物体处于运动状态且速度不恒定时，加速度计测量到的是重力加速度与物体运动加速度的叠加，此时计算所得的物体姿态倾角是不准确的。因此，本设备采用三轴陀螺仪，通过对其三个测量轴上的瞬时角加速度进行积分运算来计算物体相对于初始状态的偏转角度。考虑到漂移、噪声、振动等干扰因素，这里选用一种简单、直观的多传感器融合方法，将三轴加速度计和三轴陀螺仪的测量结果进行加权平均[2]，以提高测量精度。

基本算法如下：设n个传感器的方差为？滓12，？滓22，？滓32，…，？滓n2，待估计的真值为X，各传感器测量值为X1，X2，X3，…，Xn，它们彼此独立，且为X的无偏估计；各传感器加权因子分别为W1，W2，W3，…，Wn，将X1，X2，X3，…，Xn进行加权融合，融合后的■值满足以下关系：■=■WiXi■Wi=1（1）

式（1）确定的结果即为融合值。

2 设计思路

通过大量的资料调查与分析，人们逐渐认识到他们的健康很大程度上是掌握在自己手中的，对个人身体健康的关注已经不单单是去医院做检查、服药等传统方式了。而是希望在疾病到来前便进行专业、合理的疾病预防。此时，运用科学技术去解决人们生活所需就尤为重要了。所以本设备采用了物联网技术让线下实体测量硬件设备与移动互联网设备连接的设计方案，实现对用户颈部运动信息的实时采集、反馈与整理。该设备的硬件结构主要包括测量单元、数据传输单元和控制单元。

3 硬件设计

3.1 测量单元

测量单元的主体为一块集成式九轴重力加速度传感器，其主要构成芯片为三轴加速度计ADXL345、磁力计HMC5883L和ITG3205三轴陀螺仪。本设计以ITG3205三轴陀螺仪为主要测量芯片，以三轴加速度计ADXL345为补偿单元来达到对用户颈部运动倾角的准确、实时测量的目的。设备上电后，测量单元首先进行自测，保证本单元的准确运行。自测结束后，测量单元开始采集模拟信号，经由传感器上的10位固定分辨率的模数转换器转换为数字信号，并通过SPI数字接口传送给控制单元。

3.2 数据传输单元

为了达到硬件与软件间的数据传输的私密性与实时性，此单元选用市面上较为成熟且应用广泛的蓝牙技术，作为软件与硬件间的“数据中转站”。系统上电后，蓝牙模块HC-05便发出与软件配对的请求，配对成功后便可连接，实现数据的无线传输。

3.3 控制单元

控制单元的微处理器选用了Atmel公司生产的51系列单片机STC89C52作为该单元的核心，该单片机是高速、低功耗、抗干扰能力强的一款应用广泛的8051单片机。该单元在得到传感器的测量结果后通过内部程序中的加权平均算法对测量结果进行计算、整合，控制HC-05蓝牙模块将数据发送到移动互联网应用上。

测量单元实时测量时，由单片机STC89C52的P11、P12两个I/O口分别控制传感器的时钟信号与数据传输。

3.4 硬件电路的设计

该系统的硬件电路设计主要包括传感器电路、单片机最小系统和HC-05蓝牙模块连接电路。由于九轴重力加速度传感器的输出信号为数字量，因此无需A/D转换电路，即可直接与微处理器相连，简化了电路设计；单片机最小系统的复位电路采用手动复位方式，晶振电路采用外部时钟电路，频率为11.0592MHz。数据传输单元采用低功耗的HC-05蓝牙模块，供电电压为5V（DC），并且体积小，装配方便。

4 软件设计

为了增加此设备的趣味性，使设备在指导人们进行颈部运动锻炼的同时也可以放松减压来保障用户的身体和心理的健康，我们将此设备做成与手机应用（基于Android）连接的形式。在手机应用端，接收到的硬件测量数据会被当作控制量，结合软件端的动画，最大程度的提升软件与用户之间的交互性。在图像的特效处理中，使用Android提供的Android.graphics.Matrix类与BitmapShader类实现图像的移动特效与后期渲染。[3]并且，APP还可以通过对用户使用信息的分析整理定期返还用户健康报告，并预测本段期间用户通过使用本产品对预防颈部疾病起了多大的作用。

软件端总体上分为四大模块：

①显示与监控模块：本模块的主要功能是对用户的颈部运动进行实时监控并对用户动作是否到位进行提示，最终以图像的形式呈现在移动应用端。

②用户交流模块：本模块是为用户提供一个交流的平台，用户与用户间可以通过提问等方式进行交流。

③颈部健康知识科普模块：本模块为用户提供一些颈部健康方面的知识与资料。定期推送一些颈部疾病最新研究成果、颈部疾病康复设备等信息。旨在让用户进行颈部锻炼的同时了解更多的颈部健康知识。

④个人空间模块：本模块的主要功能是记录用户的使用信息。例如用户使用本设备的时间，用户每日的使用次数，用户动作的到位程度等。同时用户还可以录入自己的基本信息，设置每日定时提醒时间。

5 系统实验数据分析

为了提高角度测量的精度，降低系统误差，在传感器装配之前需要对传感器零角度位置进行标定。设备在零点标定时需要一个全水平的环境，利用水平仪辅助装配，记录此时传感器测得角度值，将其写入控制单元内部程序，在实际应用中减去测得值再取绝对值就可以作为最终测量结果。表1为对不同角度的测量数据，测量范围为0-90度，测量结果精确到小数点后两位。

为检验系统工作是否稳定、可行，本小组对每一角度做了三次测量，共测量了五组不同角度。通过本次测量，本系统能在误差允许范围内较为准确的测量0-90度间的不同的角度，说明本设计是稳定、可行的。

6 系统应用价值

随着社会的进步和经济的快速发展，我们已经进入了一个快节奏时代。高科技迅速发展，生活现代化程度日益提高，生活节奏不断加快，人们的生活方式不断发生改变。人们希望在疾病到来前便进行专业、合理的疾病预防。正是由于健康意识的不断提高，人们对家庭医疗“保健医生”的需求增加，医疗器械产品已经逐步走进千家万户。近年来医疗产品走入家庭，已经不单纯是防病治病，而是使人们可以随时随地地检测自己的身体，掌握自己的健康指数。因此，用户对于这种特殊产品提出了更高的要求，期望自己所购买的保健产品无论是从生理还是从心理上都能带来愉悦的感觉，这也标志着人们对健康的新生活有了越来越高的追求。“智能医疗”也随着科学技术水平的提高应运而生。有以上可知保健医学和物联网技术在医疗领域的应用都是近年来的热点话题。而据调查得知，物联网技术应用于医疗领域更多的是实现用户信息采集、整理与分类；远程监控等功能，几乎没有保健设备应用物联网技术，所以本设计旨在结合物联网技术为人们提供一款现代化保健设备。

本设备利用移动终端的前沿性、时尚性与多样性在进行颈部运动实时监测的同时融入颈部运动趣味游戏，让用户在轻松减压的氛围中预防颈部疾病，而且本设备具有成本低、功耗小、操作简单、易携带等特点，是我们每个人的颈部健康小助手。本基于九轴重力加速度传感器设计的颈椎疾病预防设备有着很好的应用前景。

參考文献：

[1]李玲，崔凌，刘浩.人体运动跟踪技术在智能康复系统中的应用[J].科技风，2009，19：222.

[2]李媛媛，张立峰.多传感器自适应加权融合算法及其应用[J].自动化与仪器仪表，2008（02）：10-13.

[3]宋国柱.Android图形图像处理技术研究[A].电脑知识与技术，2014（03）：1800-1801.