基于STM32的智能腰椎拉伸熱敷床墊設計

李建軍　方永　段韓路等

關鍵詞：STM32；腰椎間盤突出癥；智能床墊；調(diào)控式氣囊；石墨烯；熱敷

隨著現(xiàn)代工作壓力的不斷增加，久坐不動逐漸成為上班族的常態(tài)。長期坐在辦公室工作的人群，因身體長時間處于一種姿態(tài)，使腰部肌肉組織相對于正常情況下更緊縮，從而導致腰部肌肉損傷或勞損[1]。如此，脊柱的外源性平衡被破壞，進而引發(fā)脊柱內(nèi)源性平衡喪失，最終導致腰椎間盤突出征（Lumbar Disc Herniation，LDH）的發(fā)生[2]。

治療LDH 分為手術和非手術兩大類。手術治療因有創(chuàng)、住院費高等特點，所以患者多傾向選擇非手術治療的保健預防為主。非手術治療手段主要包括推拿、牽引及腰部墊枕等，對于大部分的LDH 患者均能取得較好的療效[3]，但各有利弊。具體而言，推拿治療LDH的手法多種多樣，不同的操作者可能產(chǎn)生不同的治療效果，在一定程度上影響了推拿治療LDH的規(guī)范化設計[4]。牽引治療在臨床中被廣泛應用，可有效的改善患者的癥狀，但需要在專業(yè)的醫(yī)生指導下進行，對安全性要求較高[5]。腰部墊枕治療腰椎間盤突出征， 方法簡單，安全可靠，可以說是行之有效的方法[6]，但在腰部墊枕高度和舒適度等個性化定制方面，使用時不夠靈活。

針對當前非手術治療中的不足，考慮到易用性和可實現(xiàn)性，本文設計一種具有動態(tài)腰部拉伸熱敷功能的智能床墊。該床墊采用柔性氣囊調(diào)節(jié)和石墨烯熱敷技術，通過對床墊腰部區(qū)域柔性氣囊智能充放氣，擠壓推動腰椎動態(tài)上下拉伸牽引，同時結合石墨烯熱敷促進血液循環(huán)，來達到改善和緩解LDH 的目的，區(qū)別于專業(yè)類腰椎健康改善方案，本設計主要面向非手術腰椎健康改善的生活場景。

1 智能腰椎拉伸熱敷床墊系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)工作原理

智能腰椎拉伸熱敷床墊工作原理：借鑒了懸吊牽引的優(yōu)點，將腰部懸吊改為可調(diào)式氣囊腰枕，并通過調(diào)控氣囊中的氣壓改變氣囊的形狀，來支撐頂擠腰部而發(fā)揮作用。當腰部墊放氣囊充氣氣壓上升時，氣囊壁受內(nèi)壓作用而向四周膨脹產(chǎn)生頂擠力量支撐頂擠腰部上抬，使椎間隙被肌肉牽拉開，從而減輕對神經(jīng)根的擠壓，使腰腿疼痛緩解或消失[7]。當氣囊在未充氣狀態(tài)下，整個氣囊處于扁平狀態(tài)，不影響用戶床墊的整體睡感。同時，腰部區(qū)域設計有石墨烯加熱片，加熱時可以產(chǎn)生6～15 μm 波長的遠紅外波，有利于人體對熱能的吸收，從而起到增強理療及治療的功效[8]。

1.2 系統(tǒng)結構設計

本文設計的智能腰椎拉伸熱敷床墊在結構上充分考慮床墊舒適度和工藝實際需求[9]，進行了分層模組化設計：按鍵開關安裝在頂層絎縫層和外套的側邊，方便用戶躺在床上時自然開關操作；發(fā)熱片安裝在舒適層和絎縫層之間腰部區(qū)域位置，采用大小50x16cm柔性石墨烯發(fā)熱片，發(fā)熱功率15 W，可以兼顧腰部熱敷效果和異物感；腰部和腿部氣囊分別安裝在床墊腰部[10] 和腿部區(qū)域位置，采用大小50 cm×17 cm，最大充氣高度10 cm 的熱塑性聚氨酯彈性體氣囊，可以解決其他類型材料硬度較高、不能適應曲度增加后腰背部弧度等問題；控制盒安裝于床墊尾部圍邊海綿上，內(nèi)置了充氣氣泵、電磁閥等控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對床墊拉伸熱敷功能的系統(tǒng)控制。床墊系統(tǒng)結構設計如圖1 所示。

1.3 系統(tǒng)硬件設計

1.3.1硬件總體設計

智能腰椎拉伸熱敷床墊的主控芯片采用STM 公司的STM32F030C8 單片機[11]，其作為微控制單元（microcontroller unit，MCU），并使用單片機自帶的SPI、USART、GPIO、定時器等資源，以滿足系統(tǒng)設計需求。

系統(tǒng)硬件設計如圖2 所示。

外圍主要由按鍵和指示燈電路、flash 存儲電路、Wi-Fi 加藍牙二合一模塊電路、溫度檢測電路、加熱驅動電路、氣壓采樣電路、電磁閥和氣泵驅動電路等組成。MCU 通過采集氣囊氣壓數(shù)據(jù)，結合電磁閥和氣泵驅動電路，控制電磁閥和氣泵的工作狀態(tài)，并根據(jù)用戶工作參數(shù)設置情況和人體工程學特點，進行兩個氣囊的氣壓狀態(tài)變化控制。同時，通過溫度檢測電路，結合加熱驅動電路，控制石墨烯發(fā)熱片的加熱狀態(tài)控制。

1.3.2 Wi-Fi加藍牙二合一模塊電路

為使此智能腰椎拉伸熱敷床墊系統(tǒng)的操作方式不局限于按鍵，同時可以支持和臥室內(nèi)其他智能產(chǎn)品之間的生態(tài)場景聯(lián)動，本文采用涂鴉智能科技的Wi-Fi加藍牙二合一模塊WBR3 來實現(xiàn)該床墊與手機App（Application，App）之間的互聯(lián)。此WBR3 模塊內(nèi)置了Wi-Fi 網(wǎng)絡協(xié)議棧和豐富的庫函數(shù)，用戶可以基于這些開發(fā)滿足自己需求的嵌入式Wi-Fi 產(chǎn)品，以及通過端到云的方式接入到涂鴉智能生態(tài)平臺。該通信模塊原理圖如圖3 所示。

1.3.3 氣壓采樣和電磁閥、氣泵驅動電路

氣壓采樣電路通過XGZP040 和HX711[12] 采集氣囊氣壓數(shù)據(jù)。其中，XGZP040 是一款適用于生物醫(yī)學等領域的壓力傳感器，其核心部分是一顆利用MEMS技術加工的壓阻式壓力敏感芯片，氣壓采集范圍0～40kPa。HX711 是一款高精度24 位A/D 芯片，工作電壓范圍為2.6～5.5 V，該芯片具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點，且與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單。系統(tǒng)通過XGZP040 采集氣囊氣壓數(shù)據(jù)，并通過HX711 轉換成數(shù)字信號傳輸給MCU，從而進行氣囊氣壓的狀態(tài)采集控制。

電磁閥和氣泵驅動電路采用了ULN2803A 驅動芯片，該芯片是一款8 路NPN 達林頓晶體管矩陣，具有電路設計簡單，集成度高等優(yōu)點。系統(tǒng)采用威能電子科技的WP45-24 氣泵對氣囊進行充氣，同時，系統(tǒng)設計時考慮到腿部氣囊支撐時，腰部氣囊動態(tài)充放氣的需求，采用威能電子科技的WV330RB-24 斷電常閉型電磁閥進行充放氣的通斷控制，該電磁閥額定工作電壓直流24 V，最大使用壓力范圍46.7 kPa，可以實現(xiàn)不同氣囊動態(tài)充放氣的產(chǎn)品設計需求。該氣壓采樣和電磁閥、氣泵驅動電路引腳圖如圖4 所示。

1.4 系統(tǒng)軟件設計

智能腰椎拉伸熱敷床墊的軟件層面主要包括：驅動模塊程序初始化、通信模塊程序初始化、功能模塊程序和報警模塊程序等。設備上電啟動后，先對驅動模塊和通信模塊進行程序初始化，進入主程序循環(huán)，等待按鍵或App 下發(fā)的指令判斷工作模式是否啟動，當收到工作模式啟動控制指令時，執(zhí)行對應的工作模式，并周期性監(jiān)測設備電磁閥工作溫度，直至設置的工作時間到達、收到按鍵下發(fā)的停止控制指令、App 下發(fā)的停止控制指令，或電磁閥工作過熱時，執(zhí)行對應的模式關閉工作，氣囊放空氣體，恢復床墊正常平整狀態(tài)。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖5 所示。

2 分析與討論

為了驗證該智能腰椎拉伸熱敷床墊對腰椎健康改善度的影響，對12 名辦公久坐人群開啟床墊拉伸熱敷功能15 mins 前后的豎背肌肌電信號均方根值（root meansquare，RMS） 進行了用戶測試[13]。本測試中RMS 選取靜坐3 mins 期間穩(wěn)定的60 s 數(shù)據(jù)進行分析，具體測試數(shù)據(jù)及相關結果如表1 所示。

分析表明，大部分用戶開啟床墊拉伸熱敷功能后豎背肌肌電信號RMS 減小，表明放松度增加，無論是在個體，還是整體平均值分布上，均有明顯差異，表明該床墊對用戶腰部肌肉放松有明顯改善。

3 結束語

智能腰椎拉伸熱敷床墊整合了柔性氣囊動態(tài)充放氣系統(tǒng)和石墨烯熱敷系統(tǒng)，實現(xiàn)了床墊和動態(tài)腰椎拉伸牽引技術的有效融合，具有安全性高，使用簡單，家居生活化等優(yōu)點。目前該床墊已通過企業(yè)驗收，經(jīng)過長時間工作測試，能有效改善腰椎健康，具有較高的實用意義和市場經(jīng)濟價值。