瞳博士防近視提醒系統的研究與設計

張開放　李云峰　袁單煒　石秀均

摘要：近些年來，我國青少年的近視率逐年攀升，近視人群也在逐漸向低齡化發展，近視已經成為一個較為嚴重的社會健康問題。本文針對青少年近視的主要原因，從預防近視的角度設計和實現了一種基于MPU6050傳感器和MSP430單片機的防近視提醒系統，該系統通過對采集到的加速度和角度信號進行閾值分析，并結合頭部運動算法來判斷青少年的坐姿行為，及時提醒兒童坐姿不正的行為，還可以通過藍牙4.0模塊將坐姿信息傳輸到智能手機APP中，長期監測和分析兒童的坐姿行為模式，進而給予合理的建議和幫助來預防近視。

關鍵詞：防近視系統；MPU6050；MSP430；閾值；加速度；角度

1 系統構架設計

本系統由數據采集和分析模塊及手機APP兩部分組成：第一部分包括傳感器MPU6050、主處理器MSP430和藍牙4.0模塊，戴在兒童耳朵上，當檢測到佩戴者坐姿不正時震動提醒改正，并存儲記錄相應次數和時間；第二部分由android智能手機構成，啟動APP后，智能手機和藍牙匹配，將單片機中存儲的坐姿數據傳輸到手機中，進而進行分析和建議。本系統結構如圖1所示。

1.1 主控制器MSP430

TI公司的MSP430G2553單片機具有3種超低功耗模式和5種節能模式，工作頻率最高可達16MHz的工作頻率，同時具有超低的電源電壓范圍（1.8V～3.6V），內置兩個16位定時器，一個通用串行通信接口，內置A/D轉換器。非常適用于低功耗、小體積的設計應用。

1.2 新型MEMS傳感器MPU6050

MPU6050為全球首款整合了三軸陀螺儀與三軸加速計的新型MEMS傳感器，可以同時采集在X、Y和Z方向的加速度和角速度信號，解決了以往陀螺儀與加速度計組合使用時容易產生軸間差的問題，降低了傳感器自身的漂移影響，并減輕了復雜的數據融合算法和操作系統負載的運動處理過程。它和MSP430單片機之間的通信采用400KHz的IIC接口，其供電電壓范圍為5V。

1.3 藍牙4.O模塊

藍牙4.0技術相較于前一代，主要的進步為超低功耗、免配對密碼、可以多連等，其運行功耗和待機功耗特別低。本系統采用的藍牙無線通信模塊是基于TI公司的CC2540低功耗藍牙SOC芯片開發的，支持IOS和android手機通信，主從一體，支持在線固件升級，可以無縫運行TI的BLE協議棧，使用所有藍牙規范版本通用的自適應跳頻，可以最大程度地減少和其他2.4GHz頻段無線技術的串擾，傳輸速度快、延遲短、健壯性強，主控制更加智能，可以休眠更長時間，只在需要執行動作的時候才喚醒。

2 坐姿檢測算法

在靜止情況下，加速度計有一個垂直向下的加速度g，當用戶閱讀時，頭會自然傾斜，與靜止狀態時的加速度會有一個夾角，以此來判斷用戶的姿勢是否正確。對于加速度的信息處理，主要通過設計濾波器來實現。出于對軟件日后的升級維護以及可移植性方面的考慮，整體軟件設計采用“分層”的技術方案。

加速度可以被看作是一個被三軸加速度傳感器所收集的三維矢量，可以表示在空間直角坐標系中，而X、Y、Z軸表示加速度的方向。由于重力方向的頭部中心是不可預測的，并且單方向的加速度不能判斷坐姿情況，因此閾值算法的判斷基礎是基于合成加速度（SVM）的。該SVM表示為：

該SVM是只與運動強度有關，與方向無關的加速度幅值。為了減少誤判，只根據加速度信號不能準確地判斷坐姿情況。

若只通過加速度計檢測佩戴者3個正交方向上的加速度變化，可以由數據分析來確定佩戴者的頭部偏移情況，但這種方法的缺點在于作為判斷依據的有效信息單一，系統抗干擾性差，容易發生誤判。故采用單一的合加速度閾值判斷具有單一性，為提高檢測精度，降低誤判率，引入陀螺儀的角度參數作為二次判斷。

MPU6050可以同時并且實時收集頭部的三軸加速度和角速度的變化，頭部和豎直面之間的角度可以通過積分角速度得到，而且傳感器的輸出為數字數據，可以直接傳送到單片機中進行處理，不需要進行A/D轉換，可以減小系統的功耗和體積。

3 結束語

本文屬于原理設計，是根據市場上已有的防瞌睡提醒器和老人跌倒監測系統設計出的一種基于MPU6050的使用模型。當兒童正確佩戴防近視提醒器后，單片機MSP430根據MPU6050采集到的加速度和角度信號進行閾值分析，再結合運動姿態識別算法，動態實時地正確判定兒童坐姿狀態，并濾除走動、搖頭等正常活動情況，進而做出忽略或提醒改正的響應。此外，還能通過藍牙4.0模塊將坐姿信息傳輸到智能手機APP中，長期監測和分析兒童的坐姿行為模式，進而給予合理的建議和幫助來預防近視，具有一定的現實意義。