基于MEMS加速度傳感器的人體坐姿的檢測(cè)和糾正

本文把加速度傳感器作為檢測(cè)的模塊，一方面可用來防止坐姿的不當(dāng)，提醒本人注意坐姿，另一方面可用來做運(yùn)動(dòng)的測(cè)量裝置如(計(jì)步器)(燈光調(diào)節(jié)器)(音樂調(diào)節(jié)器)?？砂阉鳛橐粋€(gè)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的擴(kuò)展平臺(tái)，故其具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　坐姿糾正系統(tǒng)

　　本設(shè)計(jì)主要是完成對(duì)頸部、背部、腰部以及腿部的測(cè)量。首先是靜止?fàn)顟B(tài)下頸部和背部的檢測(cè)。有關(guān)數(shù)據(jù)表明：人體在正常情況下，當(dāng)脊柱的傾斜度偏離正常生理彎曲大于15度，時(shí)間達(dá)到40~50秒，就有可能形成不良姿勢(shì)習(xí)慣。這時(shí)利用置于頸部的加速度傳感器給出的傾斜度數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提醒，對(duì)于初始的人體正常生理彎曲，將設(shè)定一個(gè)固定的門限值，以針對(duì)不同的對(duì)象，來得到最佳的報(bào)警提示。其次是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)腰部和腿部的檢測(cè)?，F(xiàn)在各公司一般都會(huì)為職工提供方便而舒心的健身場(chǎng)所，此時(shí)可以把加速度傳感器置于腰際，這樣，當(dāng)人們行走時(shí)就可以通過檢測(cè)加速度和角度的周期變化，得到行走的大體頻率，知道人體的正常步距，就可以知道人體總的行走長度?？梢园堰@些信息實(shí)時(shí)用LCD 顯示，也可以傳給上位機(jī)，以方便后續(xù)的處理和應(yīng)用。另外還可以把加速度傳感器置于人體的不同部位，當(dāng)人們運(yùn)動(dòng)時(shí)把運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)利用 XBee發(fā)回電腦作統(tǒng)計(jì)與分析，這樣通過傳感器給出的綜合信號(hào)，來給健身的人們一個(gè)綜合的反饋信息，相信在下次運(yùn)動(dòng)時(shí)一定會(huì)對(duì)其健身的力度、方式、姿勢(shì)有更好的改進(jìn)。另外還可以充分利用XBee 網(wǎng)絡(luò)的易擴(kuò)張性，增加一些室外的調(diào)節(jié)功能：如在運(yùn)動(dòng)室增加燈光的調(diào)節(jié)功能，隨運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏來調(diào)節(jié)燈光，增加音樂的調(diào)節(jié)功能，隨運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏調(diào)節(jié)上位機(jī)的音樂，即當(dāng)動(dòng)作慢時(shí)燈光、音樂節(jié)奏較舒緩，反之則節(jié)奏較明快。這樣人們可以盡情放松，這些功能將在以后的逐步的添加和實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的主要組成

　　MXT8051器件

　　這里使用的MXT8051具有眾多IO接口，如ADC、PWM 、LCD driver以及URAT。對(duì)于SPI 和I2C總線，可以利用多余的IO口采取軟件模擬的方法獲取。在本設(shè)計(jì)中，PMW可以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，給使用者以提醒;LCD driver可以直接驅(qū)動(dòng)LCD;而軟件模擬的SPI和I2C總線則用于加速度傳感器和MCU控制器的連接，可以說達(dá)到了物盡其用的目的。ADXL345加速度器件

　　這里采用三軸加速度傳感器ADXL345 。ADXL345 是具有數(shù)字輸出的三軸加速度傳感器，具有可切換的靈敏度和可調(diào)的帶寬范圍，最高可達(dá)16g的靈敏度。最重要的是其具有可編程設(shè)計(jì)的中斷喚醒功能，從而避免了連續(xù)時(shí)間的檢測(cè)，這正符合檢測(cè)時(shí)的低功耗要求。

　　Zigbee器件

　　現(xiàn)在Zibbee 已經(jīng)從單一的射頻器件，發(fā)展到綜合的SoC產(chǎn)品，這里充分利用了Dig公司的XBee 模塊產(chǎn)品，其是增強(qiáng)型的Zigbee模塊，具有極高的集成度，可以減少體積，也可以減少功耗，同時(shí)方便組網(wǎng)。

　　機(jī)械器件的設(shè)計(jì)

　　從表1可以看出人體正常的坐姿標(biāo)準(zhǔn)，利用這些數(shù)據(jù)，一方面可以為上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)提供一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，及時(shí)給予報(bào)警提示，另一方面還為機(jī)械方面的設(shè)計(jì)提供了條件，這里可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械糾正設(shè)備，如在椅子部分加裝微型電機(jī)，調(diào)節(jié)測(cè)試者距離椅子的距離以及座椅的姿態(tài)，來達(dá)到機(jī)械強(qiáng)制糾正的目的。

　　總之本文的目的是把設(shè)備應(yīng)用到姿態(tài)的檢測(cè)上，必須充分考慮功耗和體積這些問題，而這里器件的選擇充分滿足了這些要求。

　　系統(tǒng)的硬件主要框圖

　　這里共用了3組XBee，其中1號(hào)XBee和加速度傳感器組成了基本的檢測(cè)模塊，可以稱之為主機(jī)，來完成對(duì)人體靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)檢測(cè);2號(hào)XBee負(fù)責(zé)與MXT8051通信，而MXT8051負(fù)責(zé)底層的驅(qū)動(dòng)控制如LCD 、Speaker 以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等，另外定時(shí)的警告信號(hào)都由這一模塊完成傳輸，故數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)較重;3號(hào)XBee主要來完成上位機(jī)接口的通信，這里考慮到信息存儲(chǔ)的容量，以及燈光和音樂控制的復(fù)雜性，采用上位機(jī)來存儲(chǔ)控制以及處理。

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成，上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)信息的存儲(chǔ)、控制及處理，當(dāng)采集到大量的信息時(shí)，可以通過Zigbee 模塊把采集到信息存入上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中。除此以外還設(shè)計(jì)了一個(gè)坐姿的控制提示界面。如圖2 所示。下一步需要做的則是在這個(gè)基礎(chǔ)上加以設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

　　下位機(jī)軟件則包括信號(hào)采集和結(jié)果顯示所必須的一些模塊的初始化，如LCD、 URAT、 PWM 、Zigbee等。

　　系統(tǒng)軟件總體流程圖