膝蓋智能保護(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡雄友　阮太元　周昊　陳虹安

摘要：針對(duì)人們對(duì)膝蓋健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的需求，設(shè)計(jì)了一種智能保護(hù)膝蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM處理器STM32F407為控制與信號(hào)處理核心，通過(guò)對(duì)加速度和壓力傳感器等多種傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，獲取運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下膝蓋的壓力及疲勞信息，可實(shí)時(shí)LCD液晶顯示和語(yǔ)音提示膝蓋信息，完成人機(jī)交互功能。此外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息可本地存儲(chǔ)和通過(guò)WiFi發(fā)送給手機(jī)終端和云服務(wù)管理端。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞：膝蓋健康監(jiān)測(cè)；STM32F407；WiFi；云服務(wù)

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）04-0171-02

近年來(lái)，隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)身體健康的要求也在提高。人們喜歡運(yùn)動(dòng)，如跑步、登山，但在運(yùn)動(dòng)之前沒(méi)有做準(zhǔn)備活動(dòng)或運(yùn)動(dòng)量太大，可造成關(guān)節(jié)疼痛。特別是身患關(guān)節(jié)滑膜炎或骨性關(guān)節(jié)炎的人，更容易引起關(guān)節(jié)疾病發(fā)作或加重。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)人們膝蓋勞損的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是現(xiàn)今亟須解決的問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)階段對(duì)膝蓋健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的需求，本文提出了一種基于云服務(wù)和移動(dòng)終端相結(jié)合的低成本、實(shí)用性強(qiáng)的智能膝蓋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)主要包括膝蓋保護(hù)終端、移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端和云服務(wù)管理端三大模塊，如圖1所示。膝蓋保護(hù)終端采用嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線通信、傳感器檢測(cè)、語(yǔ)音提示和LCD顯示等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，柔性壓力傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員的膝蓋肌肉及關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，從而得到相應(yīng)的膝蓋承受安全指數(shù)信息，接著，該終端把膝蓋信息實(shí)時(shí)語(yǔ)音和LCD顯示提醒運(yùn)動(dòng)員。同時(shí)，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)，該終端把運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的膝蓋信息實(shí)時(shí)傳輸給移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端，移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端再把信息發(fā)送給其他用戶，以及記錄該數(shù)據(jù)，并把信息傳輸?shù)皆品?wù)管理端，以供相關(guān)專業(yè)人士進(jìn)行分析，以及信息反饋，也把相關(guān)信息傳輸給使用者的家人或朋友。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件部分主要是膝蓋保護(hù)終端，該終端的具體包含的硬件模塊如圖2所示。系統(tǒng)核心使用ST意法半導(dǎo)體公司的32位低功耗STM32F407ZET6芯片，該芯片具有強(qiáng)大的硬件功能，如SCI、SPI等，且運(yùn)行速度快，較好地滿足系統(tǒng)要求；無(wú)線通信模塊使用通信穩(wěn)定、低功耗的WiFi模塊和藍(lán)牙模塊，系統(tǒng)使用該WiFi模塊實(shí)現(xiàn)膝蓋保護(hù)終端與移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端和云服務(wù)管理端通信，而藍(lán)牙模塊用于膝蓋端的檢測(cè)系統(tǒng)與顯示模塊進(jìn)行無(wú)線通信；電源模塊包括可充電的鋰電池和3.3V供電的穩(wěn)壓模塊，該模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能。語(yǔ)音提示模塊包括JQ8900語(yǔ)音模塊和揚(yáng)聲器，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，起到語(yǔ)音預(yù)警功能。傳感器監(jiān)測(cè)模塊主要由壓力傳感器、MPU-6050加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，該模塊有效采集人在運(yùn)動(dòng)時(shí)膝蓋的勞損信息；使用LCD液晶作為顯示模塊，該模塊還包含藍(lán)牙無(wú)線通信模塊，主要作為智能手表，在使用時(shí)，才能方便地觀看到膝蓋信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括膝蓋保護(hù)終端、移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端和云服務(wù)管理端。膝蓋保護(hù)終端的程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示，程序系統(tǒng)初始化，主要是嵌入式系統(tǒng)與無(wú)線通信模塊、語(yǔ)音提示模塊、傳感器檢測(cè)模塊和顯示模塊之間的程序初始化。系統(tǒng)在運(yùn)行之后，傳感器檢測(cè)模塊先采集膝蓋擠壓和彎曲程度數(shù)據(jù)，嵌入式系統(tǒng)通過(guò)算法分析與處理采集到的數(shù)據(jù)，判斷采集到的數(shù)據(jù)是否超過(guò)膝蓋勞損安全系數(shù)，如果超過(guò)，則通過(guò)語(yǔ)音和LCD顯示告知使用者，否則，繼續(xù)采集膝蓋的狀態(tài)。無(wú)論采集的數(shù)據(jù)是否超過(guò)膝蓋勞損安全系數(shù)，系統(tǒng)都無(wú)線傳輸采集得到的信息給移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端和云服務(wù)管理端。

移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端使用android平臺(tái)開(kāi)發(fā)，可用于手機(jī)移動(dòng)終端，界面能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者的膝蓋狀態(tài)。云服務(wù)管理端以網(wǎng)頁(yè)的形式監(jiān)測(cè)使用者的膝蓋狀態(tài)，并保存膝蓋保護(hù)終端的實(shí)時(shí)信息，第三方可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)了解使用者的膝蓋信息，同時(shí)，也可以共享信息。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種智能保護(hù)膝蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由膝蓋保護(hù)終端、移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端和云服務(wù)管理端三大模塊組成。膝蓋保護(hù)終端以ARM處理器STM32F407為控制與信號(hào)處理核心，通過(guò)對(duì)多種傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析、信息顯示和語(yǔ)音提示等功能。系統(tǒng)使用WiFi作為膝蓋保護(hù)終端與移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端和云服務(wù)管理端之間的無(wú)線通信。系統(tǒng)基本滿足應(yīng)用市場(chǎng)的人性化需求。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)提供的膝蓋勞損預(yù)警參數(shù)準(zhǔn)確，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]曾磊，張海峰，侯維巖.基于WiFi的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表，2011，v.48；No.54707：81-83+96.

[2]楊洪濤，王英卓，杜娟.基于Android平臺(tái)的WIFI控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，v.15；No.5803：10-16.