预防颈椎疾病的姿态监测智能设备设计*

邓开连，周志鹏，杨义锦，曹瀚文，刘朝阳

(东华大学 信息科学与技术学院 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620)

预防颈椎疾病的姿态监测智能设备设计*

邓开连，周志鹏，杨义锦，曹瀚文，刘朝阳

(东华大学 信息科学与技术学院 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620)

设计了一款预防颈椎疾病的智能监测设备。该设备依赖于六轴加速度计MPU6050，通过采集人体颈椎部位转动的速度信息和加速度信息,可以得到人体颈椎部位的相应倾角信息，进而将这些数据信息传送给基于ATmega328的嵌入式设备处理，嵌入式设备处理完数据后，将数据信息通过蓝牙模块传送给手机移动终端做进一步的分析与处理。并且给予用户相应的反馈信息。智能设备测试的结果表明，该人体颈椎疾病的智能监测设备具有低成本、小尺寸、反应快、穿戴便捷等优点。

姿态监测；MPU6050；ATmega328

引 言

亚健康是指机体无明确诊断的疾病，在内外环境因素刺激下机体发生的生理或心理异常变化，但尚未达到病理性反应的程度，介于健康与疾病之间的一种健康低质量状态[1-2]。

以往认为，颈椎病是中老年人的常见病。但近年来人们的学习、工作、生活方式发生了很大的改变，青少年、中学生、大学生、社会工作人员等颈椎病的发病率呈上升趋势，颈椎病不再是中老年人的“专利”[6-11]。如果能够开发一种便携式的颈椎亚健康预警设备，将会给用户带了极大的便利，同时让一部分人不会得颈椎病或脱离颈椎亚健康状态。

本文设计了一款预防颈椎病的智能设备，该设备主要采用六轴加速度计MPU-6050来监测颈椎的情况，将监测到的数据传送至单片机，单片机经过处理后通过蓝牙模块将数据发送至手机等移动端，手机根据采集的数据做出相应的反应。

MPU-6050为整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速度计时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。MPU6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1 000与±2 000 (°/s)，可准确追踪快速与慢速动作。并且，用户可控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g。它可在不同电压下工作，VDD供电电压为2.5 V±5%、3.0 V±5%或3.3 V±5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8 V±5%。使用该模块而不使用倾角传感器的原因是该模块集成了陀螺仪和加速度计，采集信息更为丰富。

1 硬件设计

颈椎检测器共分为5个部分：电源管理模块、颈椎信息采集电路、数据ATmega328处理控制电路、蓝牙模块和手机移动终端，系统结构框图如图1所示。为了尽量减小该颈椎监测器的尺寸，处理控制电路的MCU选择的是ATmega328，而蓝牙模块则是选用TI公司推出的2.4 GHz低功耗片载系统CC2541。该颈椎检测器因体积小、成本低,适合在日常生活中使用，将其佩戴于脖颈处即可。

图1 系统结构框图

1.1 电源管理模块[12]

图2 降压模块电路图

作为本模块的供电电源，系统设计中采用的供电电源是锂电池，供电电压一般为3.3～4.2 V。MPU6050模块需要3.3 V的供电电压，而主控芯片ATmega328以及蓝牙模块都需要有5 V的供电电压。因此，电源管理模块分为降压模块和升压模块。降压模块采用ADP150芯片，该芯片具有宽输入、纹波小的优点。升压模块采用TPS60110芯片，该芯片具有干扰小、转化效率高的优点。同时，为了防止因为噪声的影响，在稳压电源输出端并入一个旁路电容用于去耦。一般情况下，该电容容值为1 μF，过小则滤出高频噪声效果不好，过大则会增加系统的功耗。图2和图3分别为降压电路模块和升压电路模块电路图。

图3 升压模块电路图

1.2 颈椎信息采集电路

该电路采用的是MPU6050模块,MPU6050内部集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪。加速度计输出参数为x、y、z三个方向对应的线加速度，而陀螺仪输出参数为x、y、z三个方向对应的角速度。倾角的计算可以分别由以下3个公式所得。

加速度计z轴与自然坐标系Z轴夹角：

(1)

加速度计x轴与自然坐标系X轴夹角：

(2)

加速度计y轴与自然坐标系Y轴夹角：

(3)

因此，由MPU6050中可以读出倾角和角加速度。MPU6050初始的线加速度和角加速度值包含的噪声是很大的，同时存在一定偏差，因此需要进行滤波和校准处理。校准处理，每各10ms间隔读取10个值，求得其均值，也就是偏移量，将每次的读数都减去偏移量就能得到校准后的数值。滤波处理，由于颈椎的运动一般情况下没有那么剧烈，因此采用MPU6050内部的DMP数据处理模块进行滤波即可，其内置有滤波算法，滤波效果较好。实际操作中，利用I2C总线从DMP中读出数据，然后将读出的数据发送给主控芯片进行处理。

1.3 数据处理控制电路

数据处理控制电路的核心模块是ATmega328控制芯片，该芯片不仅功能丰富，而且小巧，适合在集成印刷电路板中应用。利用该控制芯片的I2C总线从MPU6050的DMP数据处理模块中读出数据，然后将其传送至蓝牙模块上，最后蓝牙模块将接收的数据处理后发送至移动终端进行进一步的处理。该控制电路主要起数据传输的作用，进一步的数据处理在移动终端的APP中进行。数据处理控制电路如图4所示。

图4 数据处理控制电路图

2 软件设计

2.1 处理器程序

该部分程序主要分为读取MPU 6050数据和设置蓝牙模块的通信协议进而发送数据。蓝牙模块设置波特率为9 600 bps。在移动终端无法自动辨别为何种数据，故蓝牙发送数据前需要发送一个识别码。例如，在发送MPU 6050 X轴与自然坐标X轴间的角度前，先发送一个“0x01”来标识这个数据，其他数据也做类似的处理，这样就可以在移动终端进行数据的辨别。而总共要发送的数据分为3个，分别为x轴角度，y轴角度，z轴角度，在程序中标识为“0x01”～“0x03”。

2.2 手机应用程序设计[13-15]

手机应用程序设计是在Android Studio中开发的，Android Studio是Android集成开发工具，基于IntelliJ IDEA，是由Google开发的Android专用开发环境，替代Eclipse ADT插件。程序主要通过手机的蓝牙模块接收数据，后台服务程序将接收到的数据保存到SQLite数据库中，记录当前时间以及x、y、z三个方向的角度值，并且在应用程序关闭后还能够继续接收数据。在应用程序启动时会从数据库查询数据，并且分析低头次数和低头持续时间。为了能够给用户带来更好的体验，应用设计采用了多线程，在蓝牙模块建立连接的过程、数据接收的过程以及数据在数据库中插入、查询等耗时过程都使用了一个单独的线程，保证UI主线程不会卡顿或者出现系统无响应等异常情况，在用户等待蓝牙模块建立连接和数据查询分析时都使用了进度条来显示当前的状态。数据的存储使用的是SQLite数据库，不能存储过多数据，因此相关数据会在一天后更新，数据的获取分析都是以一天为周期的。颈椎姿势判断标准表如表1所列。

表1 颈椎姿势判断标准表

上述的判断标准，在手机应用程序中的具体处理是：x轴角度超出判定正常范围时就记录一次颈椎不规律运动；y、z轴角度超出判定正常范围持续10 s记录一次低头时间过长，并发出震动提醒。手机应用程序数据采集、处理显示图如图5所示。

图5 手机应用程序数据采集、处理显示图

实际上，若再加入角加速度的判断标准，可以更加有效地预防颈椎疾病，例如在瞬间角加速度过大的时候，表明颈椎的瞬时运动过于剧烈，预防此类问题可以更好地保护颈椎。

结 语

[1] 张青，傅卫红，黄美兰，等.飞行人员颈椎亚健康的综合防治[J].颈腰痛杂志，2014，35(1)：22.

[2] 吴俊晓.护士颈椎亚健康患病现状及影响因素分析[J].社区医学杂志，2014，12(12)：44.

[3] 唐汉武.大学生颈椎亚健康患病现状及其相关因素的分析[D].广州:广州中医药大学，2008.

[4] 徐江，孙立军，由世浩.青少年颈椎亚健康中医病因病机研究[J].长春中医药大学学报，2011，27(2)：232.

[5] 赵保礼，张喜芬，陈立涛. 石家庄市区中学生颈椎亚健康现状及相关因素调查[J].现代预防医学，2013，40(21)：3984.

[6] 贾连顺．颈椎病的现代概念[J]．脊柱外科杂志，2004，2(2)：123-126．

Attitude Monitoring Intelligent Device to Prevent Cervical Vertebra Disease

Deng Kailian,Zhou Zhipeng,Yang Yijin,Cao Hanwen,Liu Zhaoyang

(Engineering Research Center of Digitized Textile&Apparel Technology,College of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China)

In the paper,an intelligent monitoring equipment to prevent cervical vertebra disease is designed.The system is based on the six-axis accelerometer MPU6050,and it obtains the corresponding inclination angle information by collecting the velocity information and acceleration information of the rotation of the cervical vertebra,and the data is transmitted to the embedded device ATMEGA328 for further analysis.After processing the data,the data is transmitted to the mobile terminal through the Bluetooth module,and the system gives the user corresponding feedback information later.The test results show that the cervical vertebra monitor has the advantages of low cost,small size,quick response and convenient wearing.

attitude monitoring;MPU6050;ATmega328

国家大学生创新创业训练计划联合基金项目(项目代码：H1041601)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(项目代码：2232016D-32)；东华大学教改项目(项目代码：104-01-0007076)；东华大学教改项目(项目代码：104-01-0007066)。

TP23

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