大数据时代下自主式姿态矫正仪的研究与实现

2021-07-20杨俊伟沈洪锐

电子制作 2021年13期

杨俊伟，沈洪锐

（广东东软学院，广东佛山，528225）

0 引言

根据智研咨询发布的《2017-2022年中国人体工学市场专项调研及投资战略研究报告》，2017年我国约有3.23亿伏案人群，腰椎病患者已突破2亿人，腰椎间盘突出症患者占全国总人数的15.2%，主要患者集中在长期伏案工作、弯腰工作或弯腰搬重物的人群中。医学研究表明，长期不正确的身体姿态，不仅是导致各类腰椎病的重要原因，而且严重时容易导致身体变形、局部血液流通不畅、局部肌肉劳损等各类问题。因此，科学合理的训练和矫正错误姿态以帮助人们养成良好习惯显得尤为重要。

针对以上情况，本项目提出研究一种基于惯性传感器的姿态提醒、矫正产品，帮助用户训练并矫正身体姿态，同时将训练数据上传到云平台进行大数据分析，进而为用户提供更加科学合理的训练方案和建议，这些数据也可用作临床相关疾病诊断的参考。

1 系统框架

系统框架如图1所示，系统包括姿态数据采集处理端、手机端、大数据分析平台三部分，其中姿态数据采集处理端是以贴片的形式粘贴在用户腰椎处。工作过程：中央处理器通过分析MEMS惯性传感模块采集的运动数据以及弯曲度传感模块采集的弯曲度数据，判断当前身体姿态是否在标准阈值之内，如果超出标准阈值，驱动提醒模块以响铃或者亮灯的形式提醒佩戴者矫正姿态；姿态数据采集处理端通过蓝牙无线传输模块将采集的姿态数据实时传送到手机端，用户通过手机端的交互界面控制采集端设备、分析显示姿态以及显示大数据平台反馈的信息；手机端将姿态信息以及矫正信息通过Internet上传至大数据分析平台进行数据挖掘与分析，提供给用户更加科学的信息，帮助用户更好管理腰椎健康问题。

图1 系统框架图

2 硬件设计

■2.1 主控芯片

本系统主控芯片采用STM32L151C8TxA，STM32L1系列是意法半导体开发的基于EnergyLite™超低功耗技术平台的微控制器，STM32L151C8TxA是基于ARM Cortex-M3超低功耗MCU，采用130纳米制造工艺，意法半导体对该平台进行了深度优化以实现超低的泄漏电流特性，该系列微控制器具有5种低功耗模式和创新型自主动态电压调节功能，在工作和睡眠模式下，可以最大限度提升能效。由于其超低功耗、高性能，因此特别适合作为智能可穿戴设备的主控芯片。

■2.2 电源供电模块

该模块使用可充电的3.7V/180mAh锂电池供电，采用CE6230B33F芯片进行电压转换，将电源电压稳压到3.3V为模块供电，电源供电原理图如图2所示。

图2 电源供电模块

■2.3 充电模块

锂电池充电通过充电电路来完成，充电芯片采用CW6303芯片，CW6303是一个高度集成的、能有效控制成本的、针对可穿戴设备的、高精度的电源管理芯片。CW6303包含一个完整的锂电池充电解决方案，最大充电电流为300mA，采用紧凑的QFN16封装，PCB面积小，CW6303 具有很低的静态功耗，适用于电池供电产品。当LDO 全部关闭时，在电池供电端消耗的电流大约 3.7μA。每打开一个LDO，则静态功耗增加1.5μA。当 LDO 全部打开后，静态功耗大约9.7μA。充电电路如图3所示。

图3 电源充电模块

■2.4 蓝牙无线传输模块

蓝牙无线模块采用NORDIC 公司的 nRF51822 芯片作为从机的主控制器,nRF51822是一款低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)。BLE最重要的特性就是低功耗，一粒纽扣电池就可以使其连续工作数年之久。理论上通信距离最高可以达到100米，相较于传统蓝牙10米的有效传输距离，BLE在通信距离上有了大幅提高。BLE 技术做到了3毫秒低延迟，同时还使用了 AES-128 CCM 加密算法，保证了数据传输的安全[1]。蓝牙4.0BLE 技术被广泛地应用在了智能可穿戴产品中。

图4 蓝牙模块

■2.5 弯曲传感器模块

弯曲传感器是将弯曲角度转换为对应的电阻值，先将阻值变化转换为电压变化，硬件电路如图5所示。STM32主控芯片通过ADC接口读取电压值，推算出弯曲传感器的当前阻值，换算阻值对应的弯曲角度[2]。最后从人体工程学角度对弯曲角度进行姿态是否标准的阈值设置。

图5 弯曲传感器数据采集电路

■2.6 MEMS惯性传感器模块

图6 MPU9150传感器接线图

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。MPU-9150就是一款MEMS传感器，本系统采用的MPU-9150是全球首例九轴运动感测追踪传感器，专为低功耗、低成本、高性能的消费性电子产品设计。MPU-9150整合了3轴MEMS陀螺仪、加速度计、3轴MEMS磁强计和数字运动处理（DMP™）硬件加速引擎。

■2.7 外观设计

从曲奇夹心原理与胶囊包装中获取灵感造型，利用顶针充电器充电，简化其结构，把顶针充电口设计在产品表面，防止因流汗导致触电，利用硅胶的材质柔软的特性，使其可以跟随腰椎姿态改变，准确检测腰椎弯曲角度，同时采用PET材质透明特质以及黏附性，使其更好的黏附在表皮上且降低对肌肤的伤害，产品表面进行磨砂处理与亚光制作工艺搭配，突显大气简约同时增加其触感，整体造型简约小巧，便于携带。由于产品嵌入的弯曲传感器长度为80mm左右，因此将产品外观设计效果如图7所示。

图7 产品外观效果图

图8 产品尺寸图

3 软件系统设计

■3.1 姿态解算算法研究

通过主控芯片STM32的I2C接口获取MPU9150九轴传感器的数据，数据包括磁力计、加速度计和陀螺仪三种传感器的三轴数据。准确的计算姿态角可以判定姿势是否正确，本文采用捷联惯性导航技术进行姿态解算算法设计[3]，如图9所示。

图9 姿态解算算法框图

（1）主控芯片STM32采集姿态传感器MPU9150数据，获得加速度和磁感应强度信息，经过初试对准后计算得出姿态矩阵，根据芯片内部的DMP引擎（Digital Motion Processor）求得初试四元数，四元数的基本表示形式为：q0+q1＊i+q2＊j+q3＊k，即1个实部3个虚部；

（2）由于陀螺仪长时间工作会产生误差积累，而加速度计和磁强计短时精度低，为了提高数据的精度和稳定性，采用互补滤波器对三种传感器采集的信息进行数据融合，得到修正融合后的陀螺仪角速度数据从而对四元数进行更新；

（3）虽然四元数可以方便的表示三维空间的旋转，但其形式不太直观，需要转换成pitch、roll、yaw的表示形式，方便观察姿态。其中pitch是围绕X轴旋转，也叫做俯仰角，yaw是围绕Y轴旋转，也叫偏航角，roll是围绕Z轴旋转，也叫翻滚角，程序表述如下：

pitch=asin(-2＊q1＊q3 + 2＊q0＊q2)

roll=atan2(2＊q2＊q3 + 2＊q0＊q1, -2＊q1＊q1 - 2＊q2＊q2 + 1)

yaw=atan2(2＊(q1＊q2 + q0＊q3),q0＊q0+q1＊q1-q2＊q2-q3＊q3)

（4）对四元数进行上述转化后，求取姿态角。

■3.2 基于Android的手机APP开发

本文Android手机App开发工具采用Android studio，利用Android SDK 提供的BLE相关API进行蓝牙通信系统的开发，此系统能够适配任意基于BLE的可穿戴设备，为可穿戴提供一种更经济的蓝牙通信方案[4]。APP通过与蓝牙BLE的通信过程包括：搜索、连接、读写数据。首先使用BluetoothLeScanner类的startScan进行BLE设备的搜索，并通过该方法的回调函数得到BLE设备。搜索过程限定搜索时间作为终止搜索的条件，整个搜索过程会占用一定的系统资源和电能的消耗，通过sendEmptyMessageDelayed方法限定搜索时间，搜索到周边BLE设备后通过方法connectGatt与BLE设备建立GATT连接，通信链路连接成功之后，使用BluetoothGatt类的读写方法对蓝牙的Characteristic进行操作从而实现数据读写。本文采用主动读写数据的方式，由中心设备手机APP控制读写数据时机，通过方法readCharacteristic/writeCharacteristic向BLE设备读写数据，并把读到的数据进行处理显示，同时将数据通过SOCKET上传到大数据分析平台进行分析，用户可以选择监测的时间段，APP的功能包括显示正确姿态时间、目前姿态状态，姿态异常报警实现提醒、电路显示、电量过低提醒等功能。姿态不正确设定三个级别：轻微、中度、严重，并以不同颜色显示并有震动。

■3.3 基于hadoop的数据挖掘平台

构建基于hadoop的数据挖掘系统[5]，从上到下包括：①与用户进行通信的交互层；②对业务流进行指挥和控制操作的应用层；③用于提供并行化数据挖掘算法，负责将计算任务传达到 MapReduce框架中进行分布式计算，再把结果返回给应用层，进而展示给用户的数据挖掘层；④利用分布式文件系统 HDFS 和分布式计算框架 MapReduce完成存储和计算的Hadoop分布式计算层。

通过分析聚类分析算法、分类分析算法以及关联规则算法等各种数据挖掘算法，选择合适的算法对用户的姿态数据进行挖掘，进而为用户提供更加科学合理的训练方案和建议，以及相关疾病的诊断。