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【参赛作品】基于OneNET云平台的穿戴式坐姿提醒器

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发表于 2017-7-3 10:08:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 程序猿#6225 于 2017-7-3 15:15 编辑
【标题】:可穿戴式坐姿提醒器
【个人/团队介绍】:
                    成员:谭聪林  (GDOU-ICteam)                        
【正文】
摘要
    本作品穿戴式坐姿提醒器”是基于STM32最小系统 ,采用了模块化的设计理念对传统的坐姿矫正器赋予新的定义与本质,是其更加富有智能化与人性化。单片机是简单实用的操作系统,现已经应用于人们生活的每一个方面,给我们带来了许多的便利。“便携式坐姿提醒器”可以通过MPU6050 陀螺仪实时感知人体的姿态,该陀螺仪它采用了高灵敏度的6轴运动传感器,相对于你的身体角度,以及躯体动作时的加速度,角速度进行相应的运算,保证了数据的准确性。从而实现对人体的坐姿进行实时的“监视”,在人们出现不良的坐姿时该提醒器就会通过自身所配置的震动电机进行相应程度的提醒。该作品旨在帮助人们改正自身的不良坐姿,减少不良的坐姿给人们带来的不良影响。并佐以Pulse Sensor传感器对使用者的心率进行实时监测。

关键词:坐姿,STM32,可穿戴式设备


1.作品介绍
     近些年随着智能手机和平板电脑的普及,这使得我们大多数人都成为了低头一族。由于没有一个正确的身体坐姿习惯,很多人都会有一些颈椎和腰椎疼痛的毛病,如果长期不注意可以还会引起一些更严重的疾病。可穿戴式坐姿提醒器是能够在你日常的工作学习中做你的坐姿小助手。无论你是青年学生,公司白领,这款设计都能够使你能够以一个更好的姿态去工作,学习,生活。




2.研制背景及意义。
   说起与坐姿矫正有关的,人们的第一印象想到的就是类似于“背背佳”之类的强制矫正坐姿的用具。虽说有些时候强制矫正确实不失为一个好办法,但是如果对人们坐姿不良的时候给予适当的提醒,又有何不可呢?我们团队对于提醒这一方面进行深入剖析,找到了如何可以准确掌握人体坐姿的有关数据。对此我们团队使用mpu6050陀螺仪对人体姿态进行实时的角度测量,通过该陀螺仪测得的原始数据,加以算法的分析,从而得知人体正处于什么状态。此外运用手机APP通过GSM,WIFI等通信网络对提醒器进行有关数据的采集以及相关操作。
不良坐姿会造成颈项肌的疲劳,引起颈肩痛、项肌痉挛,甚至出现头晕目眩;久而久之,势必在成年之后过早地出现颈椎间盘退变,导致颈椎病。特别是有些小孩爱跷二郎腿,会给颈、背部造成持续的负荷,使背部肌肉、韧带长时间受到过度牵拉而受损,从而引发特发性腰痛。 长久坐姿不正确,压迫尾骨神经造成尾骨受伤,引起尾骨疼痛症状,包括臀部尾骨附近有压痛点或腿痛现象,范围包括尾骨、提肛肌及周围的软组织等。健康坐姿的概念是舒适,在安全的坐姿下,健康自由地移动。这个概念涵括有四个要素:稳定,支撑,空隙和姿势。坐得平稳是在坐姿状态下能够控制身体随意、舒适和有效移动的基本条件:脚必须平放于地面或放置于坚固的脚凳上,切不可悬晃,膝盖最舒适的弯曲度为85°至110°,同时保持后背正常生理弧度“S型”姿势,曲线型的脊柱可以起到类似缓冲器的作用,更好地支持身体的重量。头部应平稳地处于脊柱的顶部,手臂自然平放于桌面,使得支撑手臂可以缓解来自肩部的垂力。不良坐姿会引起学生视力下降。青少年时期眼的调节力较强,对近距离工作、学习有高度适应性,近距离视物不易疲劳。但学生若长时间近距离读写,而不加注意保护眼睛,睫状肌则会过度紧张,继而发生疲劳甚至痉挛,出现调节性近视。调节性近视若不及时消除,持续发展则可转化为不可逆性真性近视。
    提醒器—手机—APP三者的有机结合使得该坐姿提醒器不同于以往的类似于“背背佳”之类的强制性的坐姿矫正,将强制的手段的硬杀伤变更为提醒的心灵渗透,就是我们团队制作该便携式坐姿提醒器的初衷。我们对于现有的市面上的相关类型产品进行调查发现,现有市面上的产品除了产品外形大,所测的数据不准确等方面的不足,还有就是功能单一。



3.系统理论分析
    本作品的核心部分采用STM32F103系列为基础的最小系统。再加上STM32是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品,具有丰富的接口,有数字I/O口,模拟I/O口,同时支持SPI,IIC,UART串口通信。能通过各种各样的传感器来感知环境,通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。极大的自由度,可拓展性能非常高!
该坐姿提醒器功能的实现最重要的就是在于MPU6050陀螺仪能够准确的读出实时的有关角度计算的原始数据。读出原始数据之后坐姿提醒器是否可以正常工作,在于有关算法的准确度以及其的合理性。
    关于这次作品我们采用MPU-6050模块实现测量用户坐姿改变并且判断是否处于正确坐姿,是作品的一个重要功能,也是一种创新;6050工作的时候整合了3轴陀螺仪、3轴加速器可以输出6组各轴的加速度和角速度,加速度计对四轴或小车的加速度比较敏感,取瞬时值计算倾角误差比较大;而陀螺仪积分得到的角度不受小车加速度的影响,但是随着时间的增加积分漂移和温度漂移带来的误差比较大。所以这两个传感器正好可以弥补相互的缺点因此我们采用互补滤波的算法将测出的数据融合,从而得到两对准确的实验数据。
我们根据多次的实验数据以及生活经验,总结后,在算法中对每个轴设定一个临界角度角度,在当用户在佩戴上我们的作品,MPU6050建立三维坐标轴,当6050固定在人的身上其实身体的躯干就是其中一个轴,当人的身体发生倾斜的时候,形成一定的角度,此时我们设定的算法中会根据各轴转过角度的大小以及我们设定的临界值判断身体是否处于不正确的姿势,如果处于不正确的姿势,代码会驱动我们作品中的振动电机,振动电机会出发震动,直至人的姿势纠正过后才停止震动,从而达到提醒用户是时候调整姿势的功能,如果人转过的姿势没有超过我们设定的临界值,电机便一直处于待机状态,证明人处于正常姿势工作状态,总的来说作品利用强大的mpu-6050实现了姿态处理,将6050应用于医疗健康电子范畴,对人的健康起到一定的作用。对于人体姿态的变化存在多样性,这就要求算法存在一定的容错机制。所谓的“容错机制”就是在人体发生某些姿态的变化时,并且该动作的发生与变化
和坐姿的不良不存在任何的关联,在这些情况下,不需要触发坐姿提醒器的有关工作机制,防止提醒器对该姿态产生误判。
   采用高精度的陀螺加速度计MPU6050不断采集人体的姿态角数据。MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口,实现高速通信。且内置的可编程卡尔曼滤波器,采用最优化自回归数据处理算法精确测量人体的当前姿态角。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC,将其测量的模拟量转化为可输出的数字量,通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。
4.系统组成
1.系统结构框图

系统框图

系统框图
2.硬件设计
2.1 STM32最小系统原理图

原理图

原理图
                        4-1
2.2心率模块原理图

原理图

原理图

                             4-2
2.3陀螺仪原理图

原理图

原理图
                            4-3
3.程序设计流程图

程序流程图

程序流程图

5.项目的应用价值和转化前景
    目前,应用于坐姿矫正方面的产品,种类单一,功能单调,该项目具有良好的市场前景和很高的经济价值。该项目可在可穿戴式设备方面给予一种新鲜的活力为后续的研究吸引经费、吸引设计人员。对丰富人们的生活和互联网发展有极大的促进作用。
  当下可穿戴行业面临的最大挑战就是如何解决用户的痛点及建立用户粘性的问题,用户购买了一款可穿戴产品,这款产品究竟能为它带来什么是最应该关注的,现在人们手机不离身,最重要的一点就是它的不可替代性,而目前大多数可穿戴式设备集中的监测功能如心率步数等,普通人对它没有硬需求。这也是为何许多手环用户会选择使用一段时间后将其摘下不再佩戴,而这个举动的后果就是也许他们会将其视为鸡肋不再有替换需求或者不推荐周边人群购买,这对可穿戴行业的持续发展无疑造成巨大忧患,而解决这一问题的途径就是抓住人们需求的痛点, 表面宣传的功能不等于智能更不等于用户的真正需求,更多的只是噱头,对于目前的可穿戴行业而言,抓住用户需求与痛点,把功能做到最极致或许是最为可行的方式,而搭配的方式主要是推进传感器核心元器件的发展及相关技术与算法的进步,使针对细分市场的数据可以得到准确采集并能分析和呈现出对于用户能产生实际价值的结果及建议,对人们的生活有一个可信的引导,以一对一的精准服务来反哺硬件的采集及软件的呈现,建立起该市场的用户粘性使人们真正需要该产品。当下儿童手表的热卖恰恰印证了这一观点。


6.项目现况
   目前该创意设计已经设计并手工试制完成了第一代成品,总体表现良好,所有功能都能按照预期的指标完成。作品原型如图6-1所示。

作品图

作品图
                                  6-1

   自定义简易Web版APP可以实时查看相关数据(正式版APP正相关筹划中。),下面是Web版本的APP的使用状况,如下列各图所示。

桌面图标

桌面图标
   

启动页

启动页

显示页

显示页
             图6-2 桌面图标                           图6-3 启动页                                   图6-4 显示页
   大量数据传输实验以确保设备与服务器之间连接的可靠性,如图6-5所示。附录链接中有数据测试的相关视频,由于时间的问题录制了三分钟左右的时长,不足之处敬请指出。
360反馈意见截图1792090298112124.png
                  图6-5
   接下来需要解决的问题是各个部分的传输和抗干扰,具体的驱动方式和使用过程中的稳定性外壳的设计需要达到美观、实用、价廉,制定出更加完善的电路设计的技术方案作品小型化的问题。

附录(相关链接)
应用链接:
https://open.iot.10086.cn/appview/p/fb2886a8e7abaed2235afb7bdae27d19
附源码下载地址:
https://share.weiyun.com/e90acbb936c0c7bb181151e0f217cbfb
视频地址:

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发表于 2017-7-3 10:44:53 来自手机 | 显示全部楼层
666,这个可以商业化

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 楼主| 发表于 2017-7-24 15:39:13 | 显示全部楼层
chenguang3312 发表于 2017-7-24 15:13
web app 是用什么做的

http://www.apicloud.com/

我是在这个平台做的。

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发表于 2018-3-22 11:04:58 来自手机 | 显示全部楼层
学长,资料过期了,能把源码和相关资料发给我吗?544800970@qq.com 谢谢????

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发表于 2018-3-22 00:03:23 来自手机 | 显示全部楼层
学长学长,我正好要做坐姿检测,有好多问题想问你,麻烦加个好友呗

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发表于 2017-10-9 10:17:20 | 显示全部楼层
楼主,能重新分享一下源码吗,想自己学习一下,非常感谢

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 楼主| 发表于 2017-8-1 10:21:37 | 显示全部楼层
taolinbg 发表于 2017-7-21 20:59
再小型化和考虑腰椎的话就好了


集成板妥了,优化中

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发表于 2017-7-24 15:13:59 | 显示全部楼层
web app 是用什么做的

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 楼主| 发表于 2017-7-22 13:45:06 | 显示全部楼层
taolinbg 发表于 2017-7-21 20:59
再小型化和考虑腰椎的话就好了

小型化现在在做,正式的成品尺寸挺理想的。腰椎方面确实没有考虑到,感谢您的提醒!

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发表于 2017-7-21 20:59:08 | 显示全部楼层
再小型化和考虑腰椎的话就好了

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 楼主| 发表于 2017-7-18 13:53:17 | 显示全部楼层
taolinbg 发表于 2017-7-18 13:24
资料都过期的太快了。。。

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 楼主| 发表于 2017-7-3 10:53:33 | 显示全部楼层
aqiang 发表于 2017-7-3 10:44
666,这个可以商业化

正在进行相关优化

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发表于 2017-7-12 04:48:42 | 显示全部楼层
广东海洋大学的都好厉害啊

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发表于 2017-7-18 13:24:29 | 显示全部楼层
资料都过期的太快了。。。

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发表于 2017-7-18 13:26:32 | 显示全部楼层
请问这个产品是戴在哪里的?MPU6050的运算结果是以自身为定位的,带在手上好像不行,是载在颈部吗?

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发表于 2017-7-18 13:29:15 | 显示全部楼层
taolinbg 发表于 2017-7-18 13:26
请问这个产品是戴在哪里的?MPU6050的运算结果是以自身为定位的,带在手上好像不行,是载在颈部吗? ...

如果是戴在手上, 解析的结果不会因为手的晃动而受到影响吗? 请问是怎么处理的?

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 楼主| 发表于 2017-7-18 13:49:20 | 显示全部楼层
taolinbg 发表于 2017-7-18 13:29
如果是戴在手上, 解析的结果不会因为手的晃动而受到影响吗? 请问是怎么处理的?

...

是戴在颈部的

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 楼主| 发表于 2017-7-18 13:52:36 | 显示全部楼层
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