MEMS加速度传感器在人体坐姿的检测和纠正中的应用

本文把加速度传感器作为检测的模块，一方面可用来防止坐姿的不当，提醒本人注意坐姿，另一方面可用来做运动的测量装置如(计步器)(灯光调节器)(音乐调节器)。可把它作为一个运动检测的扩展平台，故其具有广阔的应用前景。

　　坐姿纠正系统

　　本设计主要是完成对颈部、背部、腰部以及腿部的测量。首先是静止状态下颈部和背部的检测。有关数据表明：人体在正常情况下，当脊柱的倾斜度偏离正常生理弯曲大于15度，时间达到40~50秒，就有可能形成不良姿势习惯。这时利用置于颈部的加速度传感器给出的倾斜度数据进行报警提醒，对于初始的人体正常生理弯曲，将设定一个固定的门限值，以针对不同的对象，来得到最佳的报警提示。其次是运动状态下时腰部和腿部的检测。现在各公司一般都会为职工提供方便而舒心的健身场所，此时可以把加速度传感器置于腰际，这样，当人们行走时就可以通过检测加速度和角度的周期变化，得到行走的大体频率，知道人体的正常步距，就可以知道人体总的行走长度。可以把这些信息实时用LCD 显示，也可以传给上位机，以方便后续的处理和应用。另外还可以把加速度传感器置于人体的不同部位，当人们运动时把运动数据利用 XBee发回电脑作统计与分析，这样通过传感器给出的综合信号，来给健身的人们一个综合的反馈信息，相信在下次运动时一定会对其健身的力度、方式、姿势有更好的改进。另外还可以充分利用XBee 网络的易扩张性，增加一些室外的调节功能：如在运动室增加灯光的调节功能，随运动的节奏来调节灯光，增加音乐的调节功能，随运动的节奏调节上位机的音乐，即当动作慢时灯光、音乐节奏较舒缓，反之则节奏较明快。这样人们可以尽情放松，这些功能将在以后的逐步的添加和实现。

　　系统的硬件设计

　　系统的主要组成

　　MXT8051器件

　　这里使用的MXT8051具有众多IO接口，如ADC、PWM 、LCD driver以及URAT。对于SPI 和I2C总线，可以利用多余的IO口采取软件模拟的方法获取。在本设计中，PMW可以驱动扬声器，给使用者以提醒;LCD driver可以直接驱动LCD;而软件模拟的SPI和I2C总线则用于加速度传感器和MCU控制器的连接，可以说达到了物尽其用的目的。ADXL345加速度器件

　　这里采用三轴加速度传感器ADXL345 。ADXL345 是具有数字输出的三轴加速度传感器，具有可切换的灵敏度和可调的带宽范围，最高可达16g的灵敏度。最重要的是其具有可编程设计的中断唤醒功能，从而避免了连续时间的检测，这正符合检测时的低功耗要求。

　　Zigbee器件

　　现在Zibbee 已经从单一的射频器件，发展到综合的SoC产品，这里充分利用了Dig公司的XBee 模块产品，其是增强型的Zigbee模块，具有极高的集成度，可以减少体积，也可以减少功耗，同时方便组网。

　　机械器件的设计

　　从表1可以看出人体正常的坐姿标准，利用这些数据，一方面可以为上位机的软件设计提供一标准数据库，及时给予报警提示，另一方面还为机械方面的设计提供了条件，这里可以设计相应的机械纠正设备，如在椅子部分加装微型电机，调节测试者距离椅子的距离以及座椅的姿态，来达到机械强制纠正的目的。

　　总之本文的目的是把设备应用到姿态的检测上，必须充分考虑功耗和体积这些问题，而这里器件的选择充分满足了这些要求。

　　系统的硬件主要框图

　　这里共用了3组XBee，其中1号XBee和加速度传感器组成了基本的检测模块，可以称之为主机，来完成对人体静止和运动时的姿态检测;2号XBee负责与MXT8051通信，而MXT8051负责底层的驱动控制如LCD 、Speaker 以及电机驱动等，另外定时的警告信号都由这一模块完成传输，故数据传输任务较重;3号XBee主要来完成上位机接口的通信，这里考虑到信息存储的容量，以及灯光和音乐控制的复杂性，采用上位机来存储控制以及处理。

　　系统的软件设计

　　系统软件主要由上位机软件和下位机软件组成，上位机软件主要负责信息的存储、控制及处理，当采集到大量的信息时，可以通过Zigbee 模块把采集到信息存入上位机数据库中。除此以外还设计了一个坐姿的控制提示界面。如图2 所示。下一步需要做的则是在这个基础上加以设计和改进。

　　下位机软件则包括信号采集和结果显示所必须的一些模块的初始化，如LCD、 URAT、 PWM 、Zigbee等。

　　系统软件总体流程图

　　系统软件总体流程如图3所示。检测模块的框图

　　首先是单片机的初始化，其次是加速度值的采集，这里利用中断方式来读取数值加速度值，可以减少功耗、提高效率，接着是通过无线串口Zigbee发送FIFO(先进先出)内存块上的加速度数值，最终由上位机通过分析综合来控制相应的设备执行各自的动作。其流图如图 4所示。

　　实验结果与特点分析

　　产品的实物图如图5所示。

　　产品性能优势

　　充分利用了MXT8051的资源，极大地降低检测设备的体积和功耗。采用了ADXL345加速度传感器，一方面由于其具有极低的功耗特色，符合人体长时间携带的需求，另一方面由于MEMS器件的价格会越来越便宜，所以具有较高的性价比。采用Zigbee，方便扩展和联网，这是以后扩展其它功能以及实现无线传输的关键所在，且具有高度的稳定性。

　　该系统做为运动检测的扩展平台，具有足够多的扩展接口，便于后续的开发。不足与改进

　　设计随身携带的部分时，检测模块体积较大，成型时可选用纽扣这样的锂电池来达到减少体积和发热量的目的。

　　结语

　　本文创新性的把MEMS加速度传感器用于人体坐姿的检测和纠正，随着集成电路的发展，现在MEMS加速度传感器的价格已经大幅度下降且应用也愈加广泛，而其在运动器材方面的应用也显现出独有的特色，可以说本系统具有较高的性价比。

　　由于MCU MXT8051可以用在血压计方面，利用本设计功能的易扩展性，可以方便的把血压计的功能也加进去，这样使设计由电脑病克星—坐姿纠正仪，变为人体健康仪。

　　随着微电子器件的发展和人们对健康的更高追求，相信本设计会有其广阔的发展潜力和空间。