蔡雄友　阮太元　周昊　陳虹安

摘要：針對人們對膝蓋健康監(jiān)測設備的需求，設計了一種智能保護膝蓋的實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM處理器STM32F407為控制與信號處理核心，通過對加速度和壓力傳感器等多種傳感器采集的信號進行實時處理和分析，獲取運動狀態(tài)下膝蓋的壓力及疲勞信息，可實時LCD液晶顯示和語音提示膝蓋信息，完成人機交互功能。此外，監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息可本地存儲和通過WiFi發(fā)送給手機終端和云服務管理端。實驗證明，該設計的監(jiān)測數(shù)據(jù)準確可靠。

關鍵詞：膝蓋健康監(jiān)測；STM32F407；WiFi；云服務

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0171-02

近年來，隨著人們物質生活水平的不斷提高，人們對身體健康的要求也在提高。人們喜歡運動，如跑步、登山，但在運動之前沒有做準備活動或運動量太大，可造成關節(jié)疼痛。特別是身患關節(jié)滑膜炎或骨性關節(jié)炎的人，更容易引起關節(jié)疾病發(fā)作或加重。如何實現(xiàn)對人們膝蓋勞損的情況進行實時監(jiān)測是現(xiàn)今亟須解決的問題。針對現(xiàn)階段對膝蓋健康監(jiān)測設備的需求，本文提出了一種基于云服務和移動終端相結合的低成本、實用性強的智能膝蓋實時監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

本設計主要包括膝蓋保護終端、移動實時監(jiān)測終端和云服務管理端三大模塊，如圖1所示。膝蓋保護終端采用嵌入式系統(tǒng)、無線通信、傳感器檢測、語音提示和LCD顯示等技術，實現(xiàn)運動員在運動的過程中，柔性壓力傳感器檢測運動員的膝蓋肌肉及關節(jié)的數(shù)據(jù)，通過嵌入式系統(tǒng)對該數(shù)據(jù)進行分析與處理，從而得到相應的膝蓋承受安全指數(shù)信息，接著，該終端把膝蓋信息實時語音和LCD顯示提醒運動員。同時，通過無線通信技術，該終端把運動員運動狀態(tài)的膝蓋信息實時傳輸給移動實時監(jiān)測終端，移動實時監(jiān)測終端再把信息發(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展芾矶耍怨┫嚓P專業(yè)人士進行分析，以及信息反饋，也把相關信息傳輸給使用者的家人或朋友。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)設計的硬件部分主要是膝蓋保護終端，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意法半導體公司的32位低功耗STM32F407ZET6芯片，該芯片具有強大的硬件功能，如SCI、SPI等，且運行速度快，較好地滿足系統(tǒng)要求；無線通信模塊使用通信穩(wěn)定、低功耗的WiFi模塊和藍牙模塊，系統(tǒng)使用該WiFi模塊實現(xiàn)膝蓋保護終端與移動實時監(jiān)測終端和云服務管理端通信，而藍牙模塊用于膝蓋端的檢測系統(tǒng)與顯示模塊進行無線通信；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。語音提示模塊包括JQ8900語音模塊和揚聲器，在系統(tǒng)實時監(jiān)測過程中，起到語音預警功能。傳感器監(jiān)測模塊主要由壓力傳感器、MPU-6050加速度傳感器和信號調理電路組成，該模塊有效采集人在運動時膝蓋的勞損信息；使用LCD液晶作為顯示模塊，該模塊還包含藍牙無線通信模塊，主要作為智能手表，在使用時，才能方便地觀看到膝蓋信息。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計主要包括膝蓋保護終端、移動實時監(jiān)測終端和云服務管理端。膝蓋保護終端的程序設計流程如圖3所示，程序系統(tǒng)初始化，主要是嵌入式系統(tǒng)與無線通信模塊、語音提示模塊、傳感器檢測模塊和顯示模塊之間的程序初始化。系統(tǒng)在運行之后，傳感器檢測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)是否超過膝蓋勞損安全系數(shù)，如果超過，則通過語音和LCD顯示告知使用者，否則，繼續(xù)采集膝蓋的狀態(tài)。無論采集的數(shù)據(jù)是否超過膝蓋勞損安全系數(shù)，系統(tǒng)都無線傳輸采集得到的信息給移動實時監(jiān)測終端和云服務管理端。

移動實時監(jiān)測終端使用android平臺開發(fā)，可用于手機移動終端，界面能實時監(jiān)測使用者的膝蓋狀態(tài)。云服務管理端以網(wǎng)頁的形式監(jiān)測使用者的膝蓋狀態(tài)，并保存膝蓋保護終端的實時信息，第三方可以通過網(wǎng)頁了解使用者的膝蓋信息，同時，也可以共享信息。

4 結語

本文提出了一種智能保護膝蓋的實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由膝蓋保護終端、移動實時監(jiān)測終端和云服務管理端三大模塊組成。膝蓋保護終端以ARM處理器STM32F407為控制與信號處理核心，通過對多種傳感器采集的信號進行實時處理和分析、信息顯示和語音提示等功能。系統(tǒng)使用WiFi作為膝蓋保護終端與移動實時監(jiān)測終端和云服務管理端之間的無線通信。系統(tǒng)基本滿足應用市場的人性化需求。實驗表明，該系統(tǒng)提供的膝蓋勞損預警參數(shù)準確，具有較好的應用前景。

參考文獻

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[2]楊洪濤，王英卓，杜娟.基于Android平臺的WIFI控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].北京工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2016，v.15；No.5803：10-16.