穿戴式颈部姿态预防矫正仪设计探讨

韩婉婉　姜楠　张超

摘要：根据调查显示，颈椎病的发病人群趋于年轻化，尤其是办公室人群和青少年。据此，文章设计了一款基于STM32F103单片机的颈部姿态预防矫正仪。此颈部姿态预防矫正仪可实现对用户工作时颈部姿态的检测、显示以及语音提醒的功能。该设计采用多角度检测，全面可靠、实用价值高、应用范围广。

关键词：颈椎病；STM32F103单片机；多角度检测；预部姿态；预防矫正仪 文献标识码：A

中图分类号：TP242 文章编号：1009-2374（2015）19-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.013

颈椎病是一种常见病与多发病，影响人群范围较广，从21～83岁均可患病，患病率达64.52%以上。一般而言，颈椎病是中老年人的一种多发病，40～60岁为高发年龄，而70岁以后患病率达90%。但近年来的研究表明，颈椎病患病率呈现年轻化的趋势，越来越多的青少年人群和办公室工作者患颈椎病，特别是对于长期伏案工作或工作环境紧张的人员来说，颈椎病的患病率明显高于其他人群。本文设计的颈部姿态矫正器旨在降低颈椎病的发生率，特别是青少年人群和办公室工作者。

本文设计的颈部姿态矫正器是一种穿戴式的仪器，采用小型STM32F103作为主控芯片，GY-521传感器和弯曲传感器分别获取用户的颈部倾斜角度和背部弯曲程度，GY-521传感器所获得数据经IIC通信发送给主控芯片，主控芯片根据获取的信息智能控制提醒模块实时提醒用户做颈部保健操。与其他坐姿矫正仪相比，此颈部姿态矫正仪能够更加集中的检测用户颈部的姿态，更注重提醒用户做颈部保健操，提高了仪器的实用价值，使用起来更加简单、方便。

1 系统结构

系统以STM32F103单片机作为主控芯片，以GY-521六轴传感器实现对用户坐姿的检测，利用弯曲传感器检测身体背部的弯曲程度。将信息通过显示和语音提醒的方式传达给用户。首先检测用户正常坐姿情况下所对应的颈部倾斜角度范围值，然后将此范围值作为STM32F103单片机检测用户坐姿的标准。当用户佩戴后，GY-521六轴传感器会实时检测当前坐姿，并将获取的数据通过IIC通信传送给STM32F103单片机，单片机对数据进行综合分析，判断用户此时的坐姿是否在人体正常坐姿的标准范围内。若佩戴者坐姿不正确或工作时间过长，单片机则控制提醒模块做出相应的提醒并将此时的信息通过LCD显示屏提供给用户。另外，弯曲传感器实时检测佩戴者的背部弯曲程度，并将数据发送给STM32F103单片机，单片机对数据进行检测之后将背部信息通过LCD显示屏显示，从而使颈部姿态预防矫正器达到使用的全面化、方便化，实时地达到预防颈椎病的目的。设计系统框图如图1所示：

图1 系统框图

2 硬件系统

2.1 STM32F103单片机模块

在本系统中，STM32F103单片机作为主控芯片，主要负责控制检测模块GY-521六轴传感器和提醒模块。系统还将利用主控芯片的IIC通信功能和LCD屏显示功能将自身颈部姿态信息和背部弯曲信息传达给佩戴者。通过IIC通信接收GY-521六轴传感器传送的数据并进行判断，再通过LCD显示屏将数据显示给用户，使用户清楚明了自己此时所处的姿态，有利于用户建立颈部保健意识。部分LCD显示模块如图2所示：

图2 基本信息显示

2.2 提醒模块

系统使用语音芯片OTP和手机震动电机作为提醒用户的工具。用户可根据实际情况在不同的场合下选择不同的提醒模式。

当选择语音提醒时，若判断出用户坐姿不正确，STM32F103单片机将控制语音芯片OTP发出“请纠正您的坐姿，谢谢！”的提示；若判断出用户的工作时间超过1个小时，STM32F103单片机将控制语音芯片OTP发出“您的工作时间过长，请注意休息并做颈部保健操，谢谢！”的提示；在此，语音提醒的声音大小可根据佩戴者自己的意愿进行调整，在做颈部保健操的同时，语音芯片将会播放佩戴者事先下载好的音乐，使用户体验较舒服的休息方式。此模式较适用于轻松、适宜播放声音的工作场合。

当选择震动提醒时，若判断出用户坐姿不正确，STM32F103单片机将控制震动电机发出短时间的震动提醒；若判断出用户工作时间超过1个小时，STM32F103单片机将控制震动电机发出长时间的震动提醒。因为震动模式不会发出较大的响声，所以比较适于安静的工作

场合。

2.3 GY-521传感器检测倾斜角度

GY-521传感器由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，三轴陀螺仪和三轴加速度计都可分别计算角度值，但计算出的角度存在误差较大的缺点。本设计利用融合算法将三轴陀螺仪测得的角速度和三轴加速度计测得的角度进行融合得到更加准确的颈部倾斜角度值，再将测得的数值通过IIC通信发送给STM32F103单片机。

加速度计计算的姿态角：

陀螺仪计算的角速度：

颈部倾斜角度计算公式：

经实验验证，利用上述公式计算出的角度值比单一的陀螺仪、加速度计测出的角度精确许多。

其中，0.98和0.02是根据平衡效果得到，不同的要求数值会有所不同。

2.4 弯曲传感器

系统使用弯曲传感器实现对用户背部弯曲程度的检测。弯曲传感器的工作原理是将外界的弯曲程度转化为可视化的电阻值输出。本系统中的弯曲传感器主要根据用户背部的弯曲程度的变化，对应输出变化的阻值。将模拟量电阻转化为数字量发送到STM32F103单片机中。STM32F103单片机通过综合分析之后，对此时用户背部姿态做出判断，并将相应的数据通过LCD显示屏显示给用户。

3 测试结果与分析

通过实验，得出正确坐姿的颈部纵向倾斜角度变化范围为15°左右，若前倾角度范围和后仰角度范围超出15°一定时间时会对佩戴者的颈部造成一定程度的危害，所以，当佩戴者的颈部倾斜角度超出这一范围，颈部姿态预防矫正仪将会提醒佩戴者做出恰当的改正，起到预防颈椎病的效果。

通过对测试人员的反复试验得出本款设计完全能够达到及时提醒、及时预防、提醒用户及时做颈部保健操的目的。

4 结语

随着人们生活水平越来越趋于信息化，人们的健康意识也得到了一定的提高。随着颈椎病发病率的逐年提高以及发病率的年轻化趋势，颈部姿态预防矫正仪将会是人们生活中不可或缺的一部分。本款设计通过STM32F103单片机、GY-521六轴传感器、语音提醒、震动提醒模块，在多次试验的基础上将颈部姿态矫正器的矫正指标调整到最好，以达到能够正确矫正佩戴者坐姿以及预防颈椎病的目的。使佩戴者使用起来更放心、更方便，提高了本设计产品的适用范围。

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作者简介：韩婉婉（1993-），女，河南人，西南科技大学信息工程学院学生，研究方向：生物医学工程。

（责任编辑：周 琼）