穿戴式頸部姿態預防矯正儀設計探討

韓婉婉　姜楠　張超

摘要：根據調查顯示，頸椎病的發病人群趨于年輕化，尤其是辦公室人群和青少年。據此，文章設計了一款基于STM32F103單片機的頸部姿態預防矯正儀。此頸部姿態預防矯正儀可實現對用戶工作時頸部姿態的檢測、顯示以及語音提醒的功能。該設計采用多角度檢測，全面可靠、實用價值高、應用范圍廣。

關鍵詞：頸椎病；STM32F103單片機；多角度檢測；預部姿態；預防矯正儀 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2015）19-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.013

頸椎病是一種常見病與多發病，影響人群范圍較廣，從21～83歲均可患病，患病率達64.52%以上。一般而言，頸椎病是中老年人的一種多發病，40～60歲為高發年齡，而70歲以后患病率達90%。但近年來的研究表明，頸椎病患病率呈現年輕化的趨勢，越來越多的青少年人群和辦公室工作者患頸椎病，特別是對于長期伏案工作或工作環境緊張的人員來說，頸椎病的患病率明顯高于其他人群。本文設計的頸部姿態矯正器旨在降低頸椎病的發生率，特別是青少年人群和辦公室工作者。

本文設計的頸部姿態矯正器是一種穿戴式的儀器，采用小型STM32F103作為主控芯片，GY-521傳感器和彎曲傳感器分別獲取用戶的頸部傾斜角度和背部彎曲程度，GY-521傳感器所獲得數據經IIC通信發送給主控芯片，主控芯片根據獲取的信息智能控制提醒模塊實時提醒用戶做頸部保健操。與其他坐姿矯正儀相比，此頸部姿態矯正儀能夠更加集中的檢測用戶頸部的姿態，更注重提醒用戶做頸部保健操，提高了儀器的實用價值，使用起來更加簡單、方便。

1 系統結構

系統以STM32F103單片機作為主控芯片，以GY-521六軸傳感器實現對用戶坐姿的檢測，利用彎曲傳感器檢測身體背部的彎曲程度。將信息通過顯示和語音提醒的方式傳達給用戶。首先檢測用戶正常坐姿情況下所對應的頸部傾斜角度范圍值，然后將此范圍值作為STM32F103單片機檢測用戶坐姿的標準。當用戶佩戴后，GY-521六軸傳感器會實時檢測當前坐姿，并將獲取的數據通過IIC通信傳送給STM32F103單片機，單片機對數據進行綜合分析，判斷用戶此時的坐姿是否在人體正常坐姿的標準范圍內。若佩戴者坐姿不正確或工作時間過長，單片機則控制提醒模塊做出相應的提醒并將此時的信息通過LCD顯示屏提供給用戶。另外，彎曲傳感器實時檢測佩戴者的背部彎曲程度，并將數據發送給STM32F103單片機，單片機對數據進行檢測之后將背部信息通過LCD顯示屏顯示，從而使頸部姿態預防矯正器達到使用的全面化、方便化，實時地達到預防頸椎病的目的。設計系統框圖如圖1所示：

圖1 系統框圖

2 硬件系統

2.1 STM32F103單片機模塊

在本系統中，STM32F103單片機作為主控芯片，主要負責控制檢測模塊GY-521六軸傳感器和提醒模塊。系統還將利用主控芯片的IIC通信功能和LCD屏顯示功能將自身頸部姿態信息和背部彎曲信息傳達給佩戴者。通過IIC通信接收GY-521六軸傳感器傳送的數據并進行判斷，再通過LCD顯示屏將數據顯示給用戶，使用戶清楚明了自己此時所處的姿態，有利于用戶建立頸部保健意識。部分LCD顯示模塊如圖2所示：

圖2 基本信息顯示

2.2 提醒模塊

系統使用語音芯片OTP和手機震動電機作為提醒用戶的工具。用戶可根據實際情況在不同的場合下選擇不同的提醒模式。

當選擇語音提醒時，若判斷出用戶坐姿不正確，STM32F103單片機將控制語音芯片OTP發出“請糾正您的坐姿，謝謝！”的提示；若判斷出用戶的工作時間超過1個小時，STM32F103單片機將控制語音芯片OTP發出“您的工作時間過長，請注意休息并做頸部保健操，謝謝！”的提示；在此，語音提醒的聲音大小可根據佩戴者自己的意愿進行調整，在做頸部保健操的同時，語音芯片將會播放佩戴者事先下載好的音樂，使用戶體驗較舒服的休息方式。此模式較適用于輕松、適宜播放聲音的工作場合。

當選擇震動提醒時，若判斷出用戶坐姿不正確，STM32F103單片機將控制震動電機發出短時間的震動提醒；若判斷出用戶工作時間超過1個小時，STM32F103單片機將控制震動電機發出長時間的震動提醒。因為震動模式不會發出較大的響聲，所以比較適于安靜的工作

場合。

2.3 GY-521傳感器檢測傾斜角度

GY-521傳感器由三軸陀螺儀和三軸加速度計組成，三軸陀螺儀和三軸加速度計都可分別計算角度值，但計算出的角度存在誤差較大的缺點。本設計利用融合算法將三軸陀螺儀測得的角速度和三軸加速度計測得的角度進行融合得到更加準確的頸部傾斜角度值，再將測得的數值通過IIC通信發送給STM32F103單片機。

加速度計計算的姿態角：

陀螺儀計算的角速度：

頸部傾斜角度計算公式：

經實驗驗證，利用上述公式計算出的角度值比單一的陀螺儀、加速度計測出的角度精確許多。

其中，0.98和0.02是根據平衡效果得到，不同的要求數值會有所不同。

2.4 彎曲傳感器

系統使用彎曲傳感器實現對用戶背部彎曲程度的檢測。彎曲傳感器的工作原理是將外界的彎曲程度轉化為可視化的電阻值輸出。本系統中的彎曲傳感器主要根據用戶背部的彎曲程度的變化，對應輸出變化的阻值。將模擬量電阻轉化為數字量發送到STM32F103單片機中。STM32F103單片機通過綜合分析之后，對此時用戶背部姿態做出判斷，并將相應的數據通過LCD顯示屏顯示給用戶。

3 測試結果與分析

通過實驗，得出正確坐姿的頸部縱向傾斜角度變化范圍為15°左右，若前傾角度范圍和后仰角度范圍超出15°一定時間時會對佩戴者的頸部造成一定程度的危害，所以，當佩戴者的頸部傾斜角度超出這一范圍，頸部姿態預防矯正儀將會提醒佩戴者做出恰當的改正，起到預防頸椎病的效果。

通過對測試人員的反復試驗得出本款設計完全能夠達到及時提醒、及時預防、提醒用戶及時做頸部保健操的目的。

4 結語

隨著人們生活水平越來越趨于信息化，人們的健康意識也得到了一定的提高。隨著頸椎病發病率的逐年提高以及發病率的年輕化趨勢，頸部姿態預防矯正儀將會是人們生活中不可或缺的一部分。本款設計通過STM32F103單片機、GY-521六軸傳感器、語音提醒、震動提醒模塊，在多次試驗的基礎上將頸部姿態矯正器的矯正指標調整到最好，以達到能夠正確矯正佩戴者坐姿以及預防頸椎病的目的。使佩戴者使用起來更放心、更方便，提高了本設計產品的適用范圍。

參考文獻

[1] 王冰，段義萍，張友常，等.頸椎病患病特征的流行病學研究[J].中南大學學報，2004，4（29）.

[2] 施杞.要重視對頸椎病的研究[J].中國中醫骨傷科雜志，1997，7（1）.

[3] 趙定麟.頸椎傷病學[M].上海：上海科技教育出版社，1994.

[4] 王擁軍，施杞.頸椎病發病因素的流行病學概況[J].中醫正骨，1999，（3）.

[5] 劉亞梅，徐振奇，劉巖，崔向宇，祝金華.青少年頸椎病的預防及康復治療[J].臨床薈萃，2011，11（26）.

[6] 吳佰良，孫霄月.淺談頸椎病的預防[J].中國醫學創新，2010，33（7）.

[7] 徐鵬，曾碧新，陳仁愛，黃勝海，崔賀，戴志岳.基于重力感應芯片的智能坐姿矯正眼鏡研究[J].科技信息，2013，（9）.

作者簡介：韓婉婉（1993-），女，河南人，西南科技大學信息工程學院學生，研究方向：生物醫學工程。

（責任編輯：周 瓊）