張思寬 鄭文雄 徐怡飛

（天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津300387）

1 概述

隨著青少年學(xué)習(xí)生活負(fù)擔(dān)越來(lái)越重,因久坐、坐姿不正而導(dǎo)致的各類疾病正日漸低齡化。久坐時(shí)不會(huì)一直保持良好的姿態(tài),還可能出現(xiàn)高低肩、脊柱側(cè)彎、骨盆側(cè)傾等體態(tài)問(wèn)題。若長(zhǎng)時(shí)間不糾正,會(huì)影響學(xué)生的健康和生長(zhǎng)發(fā)育[1]。本文設(shè)計(jì)了一款基于柔性壓敏傳感器和紅外測(cè)距傳感器的坐姿檢測(cè)系統(tǒng), 它能夠有效地監(jiān)測(cè)出使用者的坐姿數(shù)據(jù), 通過(guò)單片機(jī)運(yùn)算出坐姿判斷結(jié)果。坐姿判斷結(jié)果和測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī), 由上位機(jī)中的MATLAB 收集后處理,最后顯示出壓力熱力圖、傾斜角度和坐姿判斷結(jié)果。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)主要由柔性壓敏傳感器陣列、壓力信號(hào)處理電路、紅外測(cè)距傳感器電路、單片機(jī)和上位機(jī)共五部分構(gòu)成,原理框圖如圖1 所示。柔性壓敏傳感器陣列主要由傳感器陣列和相關(guān)附屬電路組成；壓力信號(hào)處理電路主要由模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成,壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)處理電路后由單片機(jī)自帶的ADC 進(jìn)行處理；由于紅外測(cè)距傳感器本身輸出的為數(shù)字信號(hào),故可直接傳入單片機(jī)；單片機(jī)程序處理完得出坐姿的判斷結(jié)果,之后數(shù)據(jù)由USB 接口傳入作為上位機(jī)的計(jì)算機(jī)中, 由計(jì)算機(jī)進(jìn)行熱力圖的繪制和結(jié)果的顯示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分由四個(gè)部分組成, 它們分別是柔性壓敏傳感器電路、壓力信號(hào)處理電路、紅外測(cè)距傳感器電路和單片機(jī)電路。

2.1.1 柔性壓敏傳感器電路

為了測(cè)量出使用者坐姿的坐墊部分壓力分布情況, 本系統(tǒng)采用柔性壓敏傳感器陣列作為檢測(cè)坐姿壓力數(shù)據(jù)的主要元件。本壓敏傳感器的原理是當(dāng)壓力作用于傳感器時(shí), 電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化,從而得到相應(yīng)變化的電壓值[2]。柔性壓敏傳感器陣列選用柔希科技的RX-M1616L 壓敏傳感器陣列, 該傳感器有16行16 列,共256 個(gè)感應(yīng)單元,每一個(gè)感應(yīng)單元相互獨(dú)立,它們分布在456mm 長(zhǎng)357mm 寬的長(zhǎng)方形內(nèi),每一個(gè)感應(yīng)單元的長(zhǎng)寬均為25.1mm 和18.3mm,傳感器陣列實(shí)物圖如圖2 所示。

當(dāng)施加壓力到傳感器上時(shí), 其電阻會(huì)隨著壓力的變大而變小,其電阻和壓力呈現(xiàn)出反比例函數(shù)關(guān)系,而其電阻的倒數(shù)則和壓力近似呈線性關(guān)系,其電阻和壓力的關(guān)系圖如圖3 所示。

柔性壓敏傳感器信號(hào)采集電路如圖4 所示, 圖中的R 為用來(lái)分壓的電阻,它們的電阻值分別為10kΩ,傳感器中的每一個(gè)敏感單元都可以看作一個(gè)可變電阻, 輸出端的輸出電壓分別反映這256 個(gè)敏感單元的電阻,從而反映使用者的壓力分布情況。

圖2 柔性壓敏傳感器實(shí)物圖

圖3 電阻-壓力關(guān)系圖

圖4 壓敏傳感器陣列壓力采集等效原理圖

2.1.2 壓力信號(hào)處理電路

由于壓敏傳感器陣列有16 行16 列共256 個(gè)敏感單元,故采用多選一的模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行信號(hào)處理。模擬開(kāi)關(guān)則采用由德州儀器的CD4067 十六選一模擬開(kāi)關(guān)。由單片機(jī)向CD4067 發(fā)出控制信號(hào),CD4067 根據(jù)控制信號(hào)選通相應(yīng)輸出接口,CD4067 的輸入接口連接電源, 每一個(gè)輸出接口可以為一行傳感器敏感單元供電,從而使該行傳感器工作,該行16 個(gè)敏感單元的信號(hào)直接輸入到單片機(jī)的ADC 接口中,CD4067 的控制電路如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)對(duì)CD4067 控制電路圖

2.1.3 紅外測(cè)距傳感器電路

為了進(jìn)行坐姿的前后傾判斷, 本系統(tǒng)采用測(cè)量使用者背部?jī)A斜角度的方式進(jìn)行判斷。在坐墊靠背處安裝兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器,分別對(duì)應(yīng)使用者背部脊柱中線上下兩點(diǎn),傳感器保持水平同方向。上下兩個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)量使用者背部?jī)牲c(diǎn)到傳感器的水平距離,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中,由單片機(jī)進(jìn)行處理。紅外測(cè)距傳感器采用意法半導(dǎo)體的VX53L0X 傳感器,最長(zhǎng)測(cè)量距離為2m,內(nèi)部集成了光學(xué)測(cè)量所需要的濾波器和驅(qū)動(dòng)電路,可以直接與單片機(jī)通過(guò)I2C 通信。單片機(jī)對(duì)紅外測(cè)距傳感器控制電路如圖6 所示。

2.1.4 單片機(jī)電路

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體的一款基于ARM 內(nèi)核的微控制器的STM32F103ZET6 單片機(jī)。單片機(jī)電路中包括了必要的電源電路和通信電路。單片機(jī)將柔性壓敏傳感器陣列和兩個(gè)測(cè)距傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 求出前后傾判斷結(jié)果和左右傾判斷結(jié)果, 和測(cè)量得到的數(shù)據(jù)一起通過(guò)串口連接CH340 芯片,由CH340 芯片將串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為USB 信號(hào)后傳入上位機(jī)。

圖6 單片機(jī)對(duì)VX53L0X 控制電路圖

2.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本系統(tǒng)從傳感器獲取數(shù)據(jù)和處理的工作主要是在單片機(jī)中進(jìn)行。單片機(jī)程序主要包括兩大部分：分別為左右傾判斷程序和前后傾判斷程序。左右傾判斷程序負(fù)責(zé)柔性壓敏傳感器陣列的數(shù)據(jù)獲取和處理, 前后傾判斷程序負(fù)責(zé)紅外測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù)獲取和處理。

2.2.1 左右傾判斷程序

左右傾判斷程序通過(guò)單片機(jī)控制ADC 運(yùn)行掃描模式, 使模擬開(kāi)關(guān)對(duì)壓敏傳感器陣列的每一列進(jìn)行掃描, 并將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存, 形成一個(gè)16×16 的壓力矩陣, 最后通過(guò)對(duì)矩陣進(jìn)行計(jì)算處理,得出左右傾判斷結(jié)果。正常坐姿時(shí),身體處于端正狀態(tài),壓力矩陣具有左右對(duì)稱性[3]。我們分別將壓力矩陣的左邊8 列數(shù)據(jù)和右邊8 列數(shù)據(jù)進(jìn)行求和,分別記作L 和R,則左半部分和與右半部分和之差△為

設(shè)置閾值為P,P 為正數(shù)。將P 與△比較,得出判斷結(jié)果,程序框圖如圖7 所示。

2.2.2 前后傾判斷程序

前后傾判斷程序以單片機(jī)為控制核心,采集兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù), 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析得出使用者背部?jī)A斜角度來(lái)判定使用者是否為正確的坐姿[4]。其原理圖如圖8 所示。

單片機(jī)采集到的上紅外測(cè)距傳感器測(cè)得距離和下紅外測(cè)距傳感器測(cè)得距離分別記作X1和X2,上下紅外測(cè)距傳感器之間的垂直距離為B, 在安裝調(diào)試時(shí)水平方向上兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器之間有一定距離,記作Y,Y 為正數(shù),則為求得使用者的前傾角度,前傾距離A 為

2.3 數(shù)據(jù)可視化

圖7 左右傾判斷程序框圖

圖8 前后傾角度求解原理圖

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化主要由上位機(jī)來(lái)負(fù)責(zé),單片機(jī)采集到的壓敏傳感器陣列各點(diǎn)的數(shù)據(jù)、左右壓力和、左右傾判斷結(jié)果、上下紅外測(cè)距傳感器測(cè)得距離、使用者傾斜角度和前后傾判斷結(jié)果通過(guò)USB 接口傳入上位機(jī), 由上位機(jī)的MATLAB 接收并處理。

利用MATLAB 提供的設(shè)備控制工具箱與圖形用戶界面工具箱對(duì)串口通信與用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。接收到的壓力傳感器陣列數(shù)據(jù)在MATAB 中經(jīng)過(guò)處理后在UI 上顯示為熱力圖的形式,其他結(jié)果則直接顯示在MATLAB 設(shè)計(jì)的UI 上。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

完成系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)后,我們進(jìn)行了實(shí)物的制作。在制作實(shí)物的過(guò)程中,考慮到使用者的舒適度,我們?cè)谌嵝詨好魝鞲衅麝嚵猩蠅|上了一個(gè)坐墊,將兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器裝入一個(gè)靠墊中,兩紅外測(cè)距傳感器水平距離為110mm,垂直距離為215mm。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性,我們隨機(jī)選擇了一位志愿者進(jìn)行了正坐和左前方撐桌子兩個(gè)動(dòng)作的測(cè)量,志愿者的體重約為70kg。我們?cè)O(shè)置左右傾的閾值為10kg,前后傾閾值為10°。

志愿者正坐時(shí),背部?jī)蓽y(cè)距點(diǎn)因人體脊柱生理狀態(tài)存在一定的傾斜角度,左右股坐姿壓力和也存在一定的差值,但仍在正常正坐坐姿范圍內(nèi),因此系統(tǒng)綜合判斷為坐姿正常。

背部?jī)蓽y(cè)距點(diǎn)上下距離差偏大, 背部脊柱傾斜角度達(dá)到22.26°,系統(tǒng)判斷為坐姿前傾。由于人體一部分壓力因坐姿變化而被腿部及手部承擔(dān),因此左右股壓力總和下降,但測(cè)得左右股坐姿壓力和差值仍達(dá)到20.071kg,系統(tǒng)判斷為左傾。因此系統(tǒng)綜合判斷為坐姿左前傾狀態(tài)。

4 結(jié)論

隨著社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷發(fā)展,青少年學(xué)習(xí)生活的壓力負(fù)擔(dān)加重, 久坐行為已經(jīng)不可避免。采用多傳感器的坐姿檢測(cè)系統(tǒng), 針對(duì)不同坐姿壓力數(shù)據(jù)變化及背部?jī)A斜角度數(shù)據(jù)共同進(jìn)行分析,能有效呈現(xiàn)使用者的坐姿狀態(tài),并作出判斷及反饋。同時(shí)通過(guò)柔性壓敏傳感器測(cè)量相關(guān)坐姿壓力數(shù)據(jù)可為座椅坐墊設(shè)計(jì)、人體工學(xué)研究等提供有效參考?？紤]到不良坐姿給青少年身心發(fā)育成長(zhǎng)健康帶來(lái)的諸多不良影響, 通過(guò)外在手段對(duì)青少年不良坐姿進(jìn)行矯正, 能有效輔助青少年采用正確坐姿進(jìn)行學(xué)習(xí)生活,避免因不良坐姿引起的各類不良疾病。