瞳博士防近視提醒系統(tǒng)的研究與設計

張開放　李云峰　袁單煒　石秀均

摘要：近些年來，我國青少年的近視率逐年攀升，近視人群也在逐漸向低齡化發(fā)展，近視已經(jīng)成為一個較為嚴重的社會健康問題。本文針對青少年近視的主要原因，從預防近視的角度設計和實現(xiàn)了一種基于MPU6050傳感器和MSP430單片機的防近視提醒系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對采集到的加速度和角度信號進行閾值分析，并結合頭部運動算法來判斷青少年的坐姿行為，及時提醒兒童坐姿不正的行為，還可以通過藍牙4.0模塊將坐姿信息傳輸?shù)街悄苁謾CAPP中，長期監(jiān)測和分析兒童的坐姿行為模式，進而給予合理的建議和幫助來預防近視。

關鍵詞：防近視系統(tǒng)；MPU6050；MSP430；閾值；加速度；角度

1 系統(tǒng)構架設計

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和分析模塊及手機APP兩部分組成：第一部分包括傳感器MPU6050、主處理器MSP430和藍牙4.0模塊，戴在兒童耳朵上，當檢測到佩戴者坐姿不正時震動提醒改正，并存儲記錄相應次數(shù)和時間；第二部分由android智能手機構成，啟動APP后，智能手機和藍牙匹配，將單片機中存儲的坐姿數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C中，進而進行分析和建議。本系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.1 主控制器MSP430

TI公司的MSP430G2553單片機具有3種超低功耗模式和5種節(jié)能模式，工作頻率最高可達16MHz的工作頻率，同時具有超低的電源電壓范圍（1.8V～3.6V），內(nèi)置兩個16位定時器，一個通用串行通信接口，內(nèi)置A/D轉換器。非常適用于低功耗、小體積的設計應用。

1.2 新型MEMS傳感器MPU6050

MPU6050為全球首款整合了三軸陀螺儀與三軸加速計的新型MEMS傳感器，可以同時采集在X、Y和Z方向的加速度和角速度信號，解決了以往陀螺儀與加速度計組合使用時容易產(chǎn)生軸間差的問題，降低了傳感器自身的漂移影響，并減輕了復雜的數(shù)據(jù)融合算法和操作系統(tǒng)負載的運動處理過程。它和MSP430單片機之間的通信采用400KHz的IIC接口，其供電電壓范圍為5V。

1.3 藍牙4.O模塊

藍牙4.0技術相較于前一代，主要的進步為超低功耗、免配對密碼、可以多連等，其運行功耗和待機功耗特別低。本系統(tǒng)采用的藍牙無線通信模塊是基于TI公司的CC2540低功耗藍牙SOC芯片開發(fā)的，支持IOS和android手機通信，主從一體，支持在線固件升級，可以無縫運行TI的BLE協(xié)議棧，使用所有藍牙規(guī)范版本通用的自適應跳頻，可以最大程度地減少和其他2.4GHz頻段無線技術的串擾，傳輸速度快、延遲短、健壯性強，主控制更加智能，可以休眠更長時間，只在需要執(zhí)行動作的時候才喚醒。

2 坐姿檢測算法

在靜止情況下，加速度計有一個垂直向下的加速度g，當用戶閱讀時，頭會自然傾斜，與靜止狀態(tài)時的加速度會有一個夾角，以此來判斷用戶的姿勢是否正確。對于加速度的信息處理，主要通過設計濾波器來實現(xiàn)。出于對軟件日后的升級維護以及可移植性方面的考慮，整體軟件設計采用“分層”的技術方案。

加速度可以被看作是一個被三軸加速度傳感器所收集的三維矢量，可以表示在空間直角坐標系中，而X、Y、Z軸表示加速度的方向。由于重力方向的頭部中心是不可預測的，并且單方向的加速度不能判斷坐姿情況，因此閾值算法的判斷基礎是基于合成加速度（SVM）的。該SVM表示為：

該SVM是只與運動強度有關，與方向無關的加速度幅值。為了減少誤判，只根據(jù)加速度信號不能準確地判斷坐姿情況。

若只通過加速度計檢測佩戴者3個正交方向上的加速度變化，可以由數(shù)據(jù)分析來確定佩戴者的頭部偏移情況，但這種方法的缺點在于作為判斷依據(jù)的有效信息單一，系統(tǒng)抗干擾性差，容易發(fā)生誤判。故采用單一的合加速度閾值判斷具有單一性，為提高檢測精度，降低誤判率，引入陀螺儀的角度參數(shù)作為二次判斷。

MPU6050可以同時并且實時收集頭部的三軸加速度和角速度的變化，頭部和豎直面之間的角度可以通過積分角速度得到，而且傳感器的輸出為數(shù)字數(shù)據(jù)，可以直接傳送到單片機中進行處理，不需要進行A/D轉換，可以減小系統(tǒng)的功耗和體積。

3 結束語

本文屬于原理設計，是根據(jù)市場上已有的防瞌睡提醒器和老人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)設計出的一種基于MPU6050的使用模型。當兒童正確佩戴防近視提醒器后，單片機MSP430根據(jù)MPU6050采集到的加速度和角度信號進行閾值分析，再結合運動姿態(tài)識別算法，動態(tài)實時地正確判定兒童坐姿狀態(tài)，并濾除走動、搖頭等正?；顒忧闆r，進而做出忽略或提醒改正的響應。此外，還能通過藍牙4.0模塊將坐姿信息傳輸?shù)街悄苁謾CAPP中，長期監(jiān)測和分析兒童的坐姿行為模式，進而給予合理的建議和幫助來預防近視，具有一定的現(xiàn)實意義。