穿戴式智能按摩儀控制模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

黎裕達(dá)， 鐘敦華， 許純菲， 陳依桐， 李建華

（上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院， 上海 201318）

0 引 言

隨著時(shí)代的高速發(fā)展，快節(jié)奏的生活方式使許多年輕人的身體狀況呈現(xiàn)亞健康狀態(tài)。 亞健康是指機(jī)體沒有器質(zhì)性病變指標(biāo)，但卻呈現(xiàn)出免疫力下降、生理功能低下、活力降低、適應(yīng)能力不同程度減退的一種生理、心理狀態(tài)［1］。 大多以疲乏無力困倦、腰膝酸軟、情緒低落、睡眠障礙、注意力不集中、記憶力下降等為主要癥狀，嚴(yán)重影響了人們的工作、生活和學(xué)習(xí)效率。 亞健康狀態(tài)已成為當(dāng)今社會(huì)威脅人類健康的隱形殺手，成為醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題［2］。 亞健康的治療方法主要有運(yùn)動(dòng)療法、物理療法等，其中按摩治療具有較好的效果［3］。

隨著人們對(duì)健康狀況的關(guān)注不斷增強(qiáng)，穿戴式按摩儀作為一種重要的健康管理產(chǎn)品，得到了廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已經(jīng)有許多廠商生產(chǎn)和銷售穿戴式按摩儀產(chǎn)品。 其中，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上穿戴式按摩儀的主要品牌有百思圖、寶貝家和天天向上等；國(guó)外市場(chǎng)上穿戴式按摩儀的主要品牌有SIXPAD、Theragun 和Hyperice 等等。

通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，雖然市場(chǎng)上已有很多的品牌，但還不同程度的存在一些問題。 例如：產(chǎn)品的橡膠質(zhì)量不佳，使用壽命較短，電池容量不足等等［4-5］。 未來產(chǎn)品的研發(fā)方向應(yīng)該是逐步實(shí)現(xiàn)智能化，提高產(chǎn)品的安全性、舒適性和使用壽命，進(jìn)一步滿足消費(fèi)者的需求，從而在市場(chǎng)上更加占有優(yōu)勢(shì)。在整個(gè)穿戴式按摩儀的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，其核心部分的智能控制模塊，占有非常重要的地位。 本文設(shè)計(jì)的穿戴式按摩儀的智能控制模塊，采用單片機(jī)等低功耗元器件，使用智能設(shè)備原有的藍(lán)牙模塊與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信，達(dá)到無線測(cè)控的目的，使得按摩儀的安全性能高、隱蔽性好，且能夠智能控制、操作簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本穿戴式按摩儀智能控制模塊的構(gòu)建由硬件和軟件兩部分組成。 其中，硬件結(jié)構(gòu)以51 單片機(jī)為核心，主要包括藍(lán)牙模塊、LED 顯示模塊、繼電器模塊、電路控制模塊等4 部分；軟件部分從內(nèi)容上主要包含下位機(jī)程序、上位機(jī)程序（手機(jī)APP 程序）部分［6-8］，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 System architecture diagram

使用者進(jìn)入安裝在智能設(shè)備（如智能手機(jī)、平板電腦等）上的APP，點(diǎn)擊需要進(jìn)行電刺激按摩的穴位，APP 生成控制指令，控制指令由智能設(shè)備通過藍(lán)牙連接發(fā)送到按摩儀的電路控制模塊，由單片機(jī)解析指令，控制按摩儀相應(yīng)穴位點(diǎn)發(fā)出電刺激進(jìn)行按摩［9-10］。

1.2 設(shè)計(jì)思路

穿戴式按摩儀智能控制模塊的功能由上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)作完成。 上位機(jī)使用Android Studio 軟件作為開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)APP 通過智能設(shè)備自帶的藍(lán)牙搜索功能來連接單片機(jī)，連接成功后，通過APP 發(fā)送指令到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的回應(yīng)。 下位機(jī)使用單片機(jī)搭載藍(lán)牙功能模塊，可發(fā)送藍(lán)牙信號(hào)、接收藍(lán)牙信號(hào)，實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)，由單片機(jī)解析指令，控制相應(yīng)電路開始工作。

2 模塊開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 上位機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中上位機(jī)應(yīng)用部分采用原生態(tài)Android 開發(fā)，主要包括藍(lán)牙配置、按摩部位控制、按摩強(qiáng)度控制和藍(lán)牙通信API 模塊。 如圖2 所示，上位機(jī)功能包含如下子模塊：

圖2 上位機(jī)功能模塊圖Fig. 2 Functional module diagram of the upper control computer

（1）藍(lán)牙配置模塊主要負(fù)責(zé)藍(lán)牙通訊鏈路的建立和維護(hù)。 在APP 中，藍(lán)牙配置模塊采用自帶的藍(lán)牙配對(duì)功能模塊，使用系統(tǒng)提供的藍(lán)牙API 接口，快速實(shí)現(xiàn)智能終端與藍(lán)牙通訊鏈路的建立。

（2）按摩部位控制模塊主要負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的按摩部位選擇，通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按摩部位，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的部位進(jìn)行按摩控制。 在APP 中，按摩部位控制模塊根據(jù)硬件設(shè)備提供的按摩區(qū)域，動(dòng)態(tài)生成按摩部位界面，可供用戶自由選擇按摩區(qū)域。

（3）按摩強(qiáng)度控制模塊主要負(fù)責(zé)按摩強(qiáng)度的控制。 在APP 中，按摩強(qiáng)度控制模塊通過控制電流大小來控制按摩強(qiáng)度。 用戶可以根據(jù)自身需要選擇適當(dāng)?shù)陌茨?qiáng)度。

（4）藍(lán)牙通信API 模塊主要負(fù)責(zé)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的打包、發(fā)送等。 在APP 中，藍(lán)牙通信API 模塊采用原生態(tài)Android 藍(lán)牙API，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。 同時(shí)，為了提高藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，該模塊還在數(shù)據(jù)傳輸中增加了校驗(yàn)和等待機(jī)制。

2.2 上位機(jī)應(yīng)用開發(fā)

本項(xiàng)目使用Microsoft Windows 平臺(tái)，Android APP 開發(fā)環(huán)境為Android Studio 3.0 以上版本，該版本集成了相應(yīng)的Android SDK、Android debug bridge及Android 虛擬機(jī)。 Android Studio 整合gradle 構(gòu)建工具，新的構(gòu)建工具提取了Ant 和Maven 的優(yōu)點(diǎn)，并將其完美的集合。 使用Android Studio 開發(fā)工具，可以輕松地以Android 系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行各種所需的軟件開發(fā)；Android Studio 支持Git、Markdown、Gradle等多種插件。 所以在整個(gè)設(shè)計(jì)中，選擇Android Studio 作為APP 開發(fā)工具。 如圖3 所示，使用Android Studio 完成APP 界面設(shè)計(jì)后，可以相應(yīng)調(diào)整頁面布局。

圖3 APP 頁面設(shè)計(jì)Fig. 3 APP UI design

2.3 下位機(jī)芯片選型

51 單片機(jī)是目前最普及的8 位MCU，其采用普通結(jié)構(gòu)和總線寄存器，不僅具有完美的中央集中式管理功能，還擁有各種各樣的啟動(dòng)邏輯和豐富的控制指令系統(tǒng)。 由于51 單片機(jī)容易上手、使用方便且價(jià)格親民，本設(shè)計(jì)的下位機(jī)采用了51 單片機(jī)［11-12］。單片機(jī)程序采用C 語言在Keli 編譯器中進(jìn)行開發(fā)，主要包括藍(lán)牙數(shù)據(jù)的解析（串口通訊）和控制端口的處理（I／O 操作）。

2.4 下位機(jī)程序開發(fā)

下位機(jī)程序以單片機(jī)程序?yàn)橹鳎捎幂^為常用的Keli C51 集成開發(fā)環(huán)境。 Keli 提供了一個(gè)完美的單片機(jī)程序開發(fā)環(huán)境，其中包括編程器、宏觀匯編、鏈接器、庫(kù)管理以及強(qiáng)大的模擬調(diào)試器等。

開發(fā)環(huán)境采用C 語言作為開發(fā)語言，具有兼容的51 系列單片機(jī)。 與匯編語言相比，C 語言在功能、結(jié)構(gòu)、易讀性和維護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 下位機(jī)程序的主要功能是接收上位機(jī)傳輸過來的指令。 盡管本設(shè)計(jì)中采用藍(lán)牙透?jìng)髂K實(shí)現(xiàn)無線傳輸，但對(duì)于下位機(jī)，即單片機(jī)而言，該傳輸方式與串口傳輸模式的原理相同。 下位機(jī)程序流程如圖4 所示。

圖4 下位機(jī)工作流程Fig. 4 Program Flow Chart of lower computer

3 數(shù)據(jù)通訊

3.1 藍(lán)牙傳輸

考慮到使用的舒適性及上位機(jī)軟件使用的方便性，設(shè)計(jì)中使用藍(lán)牙作為上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊方式。 藍(lán)牙是一種無線電技術(shù)，支持短距離（通常在10 米之內(nèi)）的設(shè)備通信。 許多裝置，包括手機(jī)、無線耳機(jī)、筆記本電腦、平板電腦以及相關(guān)的周邊設(shè)備，都能通過藍(lán)牙交換無線信息。 設(shè)計(jì)使用Bluetooth 通訊技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)無線通訊的前提條件下，是便捷性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮后的最佳方案。

設(shè)計(jì)使用HC-06 藍(lán)牙串口通信模塊來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的交互通信，HC-06 Bluetooth 串行通信模塊是使用最廣泛的Bluetooth 模塊之一。又稱作藍(lán)牙透明傳輸模塊，相對(duì)于上位機(jī)和下位機(jī)可以認(rèn)為該模塊是透明的，對(duì)于上位機(jī)只需要當(dāng)成是藍(lán)牙進(jìn)行處理，對(duì)于下位機(jī)只需按照串行端口［13-15］進(jìn)行處理。

3.2 通訊協(xié)議

在上位機(jī)APP 和單片機(jī)程序之間的通信過程中，主要涉及到兩者之間的數(shù)據(jù)交換，在此項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的上位機(jī)和下位機(jī)通信的數(shù)據(jù)格式見表1。

表1 交換數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表（協(xié)議）Tab. 1 Exchange Data Structure （Protocol）

4 模塊測(cè)試與分析

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的智能控制模塊，完成了穿戴式按摩儀樣機(jī)的制作。 在樣機(jī)測(cè)試過程中，排除了可能對(duì)電脈沖按摩有不適感的人群后，招募了20 名有脊柱健康問題的“正常人”作為實(shí)驗(yàn)參與者。

使用SPSS 分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，比較實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組之間的療效差異，分析穿戴式按摩儀器的有效性和可行性。

實(shí)驗(yàn)組（穿戴式按摩儀器）數(shù)據(jù)設(shè)置：

平均按摩時(shí)間：30 分鐘

平均按摩強(qiáng)度：中等

平均按摩頻率：每分鐘50 次

平均按摩部位：腰椎、肩頸部位

對(duì)照組（未穿戴式按摩儀器）數(shù)據(jù)設(shè)置：

平均按摩時(shí)間：15 分鐘

平均按摩強(qiáng)度：中等

平均按摩頻率：每分鐘30 次

平均按摩部位：腰椎、肩頸部位

由表2 所示的測(cè)試結(jié)果可見，與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組有效率明顯高于對(duì)照組（P＜0.05）。 可以得出結(jié)論，穿戴式按摩儀具有一定的有效性和可行性，對(duì)緩解參與者的亞健康問題有明顯改善。 參與者在使用穿戴式按摩儀后，舒適感提升、疲勞感減少、亞健康問題綜合分?jǐn)?shù)下降，證明穿戴式按摩儀是一種行之有效的保健工具。

表2 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組療效判定比較Tab. 2 Comparison tab of Control group and experimental group

5 結(jié)束語

隨著科學(xué)社會(huì)發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，手機(jī)、平板等智能設(shè)備的功能愈發(fā)完善，已經(jīng)成為人們尤其是年輕人生活中必不可少的一部分，在按摩儀中引入智能化，并且使用智能設(shè)備進(jìn)行相關(guān)連，完全符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。 智能化的按摩儀不僅可以更加安全有效地對(duì)使用者進(jìn)行身體舒緩治療，且體積小、便捷的特點(diǎn)也減輕了使用者的使用空間成本和時(shí)間成本，為今后類似的器械設(shè)計(jì)提供了新的思路。

目前，本設(shè)計(jì)的智能控制模塊能夠進(jìn)行基礎(chǔ)的運(yùn)行工作，后期可在智能控制模塊中加入健康大數(shù)據(jù)、健康管理等模塊，實(shí)現(xiàn)由按摩儀持續(xù)收集人體健康數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙通信傳輸?shù)街悄茉O(shè)備上，APP會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端，經(jīng)過大數(shù)據(jù)整理分析后，將報(bào)告發(fā)送給專業(yè)的醫(yī)務(wù)人員，由專業(yè)人士給出健康處方等。