CN103745577A

CN103745577A - 基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置

Info

Publication number: CN103745577A
Application number: CN201410019465.1A
Authority: CN
Inventors: 高杨; 何婉婧; 李端; 梅艳莹; 杨浩; 李君儒; 窦源
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明提供了一种基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，包括压力检测部分和接收部分。压力检测部分包括压力传感器、微控制器、蓝牙模块和电源模块；接收部分由智能移动设备和监控模块构成。通过压力检测部分中的压力传感器和微控制器可以实时检测并记录用户的落座时间和坐姿情况；通过压力检测部分中的蓝牙模块能够将落座信息传送给智能移动设备；智能移动设备通过蓝牙接口接收落座信息，使用监控模块控制智能移动设备对落座信息进行处理，并在需要的时候提醒用户久坐时间和纠正坐姿。基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测部分具有主动提醒、便携、易用的优点，广泛适合于伏案工作人员的康体保健。

Description

基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，该发明可以实现用户落坐时间及坐姿的检测，当用户落坐时间超过设定的久坐时间阈值或坐姿不当时，能够以声音、振动或图文的方式给予及时的提醒，广泛适合于伏案工作人员的康体保健。

背景技术

对于伏案工作人员，容易发生久坐或坐姿不当的情况，常常感到颈部酸胀、腰背疼痛、全身疲乏等不适，长期久坐极易引发颈椎病、胃肠道疾病、心血管疾病等。世界卫生组织指出，全球每年有500多万人因久坐而死亡，预计到2020年，70%的疾病都将由坐得太久引起，久坐因此被列为十大致死、致病的杀手之一。

目前已经研发出了一些有价值的久坐检测装置。如201110178636.1号“一种具有坐姿检测装置的座椅”专利，包括测量电路和四个压力传感器，压力传感器分别设置在四个椅脚下，利用模数转换器将压力信号转换为数字信号后传递到处理器，由处理器与正确坐姿下的四个压力传感器的压力值进行比较，然后输出当前人员重心位置与正确坐姿下人员重心位置之间的偏差。该装置可以检测用户的坐姿情况，但不能对用户进行落坐时间的检测与提醒，对坐姿的检测较为简单，没有主动预防作用，价格昂贵不方便携带。201020228472.X号“防止久坐的坐垫”实用新型发明，包括一坐垫主体，坐垫主体内设有压力传感器，压力传感器连接处理坐垫落坐时间并提示的信号处理模块，信号处理模块连接一提示装置，但提示装置安装在坐垫上，不方便查看和预设操作，不能按照个人的健康情况差异对用户进行不同的提醒。201220291946.4号“久坐提醒器”专利，包括电源、检测用传感器、定时控制器、键盘、语音提示电路，可定时提醒人们站起活动以避免久坐，但该装置不能显示用户的久坐信息，只有简单的语音提醒功能，不能根据每个人的情况进行初始设置，操作不方便。上述装置都没有和智能移动设备结合，利用智能移动设备和安装在智能移动设备中的监控模块实现信息处理与显示、用户交互的功能。并且检测信息单一，没有将坐姿和久坐信息结合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，用于伏案工作人员久坐或坐姿不当时及时提醒，达到康体保健的作用。

本发明的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置包括压力检测部分和接收部分。压力检测部分包括压力传感器、微控制器、蓝牙模块和电源模块；压力传感器在压力检测部分里按照放置位置的主要受力点进行平面布局，用于检测用户落坐时间和坐姿；微控制器用于实现压力检测部分的控制；蓝牙模块将压力检测部分的检测数据无线传输到接收部分；电源模块由电池和稳压电路构成，用于压力检测部分的供电。接收部分由智能移动设备构成。智能移动设备通过蓝牙接口无线接收压力检测部分的检测数据；安装在智能移动设备中的监控模块处理压力检测部分的检测数据，获得并显示用户的落坐时间和当前坐姿，落坐时间超过设定的久坐时间阈值或坐姿不当时，智能移动设备以声音、振动或图文的方式给予及时的提醒，用户通过监控模块设置久坐时间阈值、提醒方式。

本发明的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，其中的压力传感器组由8个浙江三科公司生产的接触式压力传感器构成，对称分布于座位平面的4个象限内；其中的微控制器采用ATMEL公司生产的Atmega16L型8位单片机，单片机集成的8路10位的A/D转换，将压力传感器检测的模拟信号转化为数字信号；其中的蓝牙模块采用博陆科电子公司生产的BLK-MD-BC04-B蓝牙模块，实现与智能移动设备蓝牙接口之间的无线数据传输；其中的电源模块采用5号电池组供电，经稳压电路后输出稳定的3.3V电压；其中的智能移动设备，可以是智能手机、智能手表、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴式电脑，也可以是具有近距离无线通信能力和简单计算能力的其它类型的移动互联网设备(MIDs: Mobile Internet Devices)，利用智能移动设备蓝牙接口接收压力检测部分的检测数据，利用智能移动设备的计算能力处理压力检测部分的检测数据，获得用户的落坐时间和当前坐姿；安装在智能移动设备中的监控模块，为用户提供人机交互界面，当用户落坐时间超过设定的久坐时间阈值或坐姿不当时，智能移动设备以声音、振动或图文的方式给予及时的提醒。

为了检测用户的落坐时间和当前坐姿，本发明的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置具有接触式压力传感器。用户落坐后，压力传感器接收到压力信号，压力传感器输出的电压信号与检测到的压力信号呈线性关系。检测该电压信号的变化，就可以知道用户是否时间或起身。通过计算不同平面象限内分布的不同压力传感器的电压值之差，可以判定用户当前的坐姿情况。

为了采集压力传感器输出的电压信号，本发明的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置所选的微控制器自带10位A/D转换。采用的 A/D将压力传感器输出的模拟电压信号进行转换，实现对数据的采集。

为了能够保证运算速度，准确的处理检测数据以及对蓝牙模块的控制，本发明的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置具有微控制器。通过微控制器将采集到的电压信号进行处理。通过不断的扫描压力传感器输出的电压信号，判定用户是否落座或者起身。同时，计算分布在不同位置的压力传感器的电压差值，当差值在一定范围内并持续一段时间，判定用户的坐姿情况。将处理的落坐信息和坐姿信息存在内部存储器中；利用AVR单片机串口通信，实现单片机和蓝牙模块的数据传输。

本发明的一种基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置具有蓝牙模块，能够实现压力检测部分的蓝牙模块与接收部分的智能移动设备蓝牙接口之间的通信。接收部分的蓝牙接口和压力检测部分中的蓝牙模块在同一时刻是一对一通信的，压力检测部分将检测到的开始落座，起身和不同的坐姿判断信号对应不同的编码，蓝牙模块发送不同的编码至接收部分，实现接收部分对用户落坐情况的全面监控。

本发明的一种基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置检测处理装置具有电源模块，稳压电路选择外部电池组作为其输入电源。输入电压为6V，采用LM317与LM1117两个三端集成稳压器实现一种电压等级输入-两种电压等级输出的功能，为微控制器和蓝牙模块提供3.3V的直流电压，为压力传感器提供6V电压。

本发明的一种基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置具有接收部分。接收部分由智能移动设备构成，智能移动设备安装有监控模块与蓝牙接口，当智能移动设备蓝牙和压力检测部分的蓝牙模块连接并开启监控模块时，智能移动移动设备可以接收压力检测部分的蓝牙模块发送的不同编码，对编码进行处理，提醒用户落坐时间和不良坐姿。

本发明的一种基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置的智能移动设备安装有监控模块。监控模块在智能移动设备上运行，主要功能：控制智能移动设备对接收到的不同蓝牙数据进行处理。当智能移动设备的蓝牙接口接受到压力检测部分发送开始落座信号，监控模块开始计时，并且在智能移动设备的屏幕界面上以计时器的方式显示用户落坐的时间。当落坐时间超过设置的久坐时间阀值时，监控模块控制智能设备以振动或声音的方式提醒用户；当智能移动设备的蓝牙接口接受到压力检测部分发送起身信号，监控模块控制智能移动设备停止累计落坐时间，同时提醒结束；当智能移动设备的蓝牙接口接受到压力检测部分发送的不同的坐姿判定信号，监控模块控制智能移动设备显示同种类型的错误坐姿图片，同时以振动或声音方式进行提醒。

本发明的有益效果：它能够自动检测用户坐的时间长短，如果用户落坐的时间超过健康指标要求的阀值（一般连续坐4个小时后，身体就开始发出有害信号），能够通过蓝牙模块传输编码至用户智能移动设备，提醒用户该活动了，该功能可以避免用户因久坐不起造成的身体不适。通过压力检测部分中分布的不同位置的压力传感器检测不同位置所接收到的压力值，处理器计算各个传感器之间的压力差值，可以检测出当前用户的坐姿情况。当用户的使用错误坐姿超过规定时间对身体造成损害时能及时通过智能移动设备提醒用户，用图片化的方式显示用户错误的坐姿，该功能可以提醒用户避免因错误坐姿而造成的不良的健康后果。

附图说明

图1为本发明系统构成框图；

图2为本发明压力检测部分信号放大器连接图；

图3为本发明压力检测部分处理器连接图；

图4为本发明压力检测部分电源模块原理图；

图5为本发明的压力检测部分蓝牙模块连接图；

图6为本发明的压力检测部分工作流程图；

图7为本发明接收部分工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，一种基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置基于单片机系统架构，包括压力检测部分1和接收部分2两组分。压力检测部分包括压力传感器3、微控制器4、电源单元5、蓝牙模块6；接收部分包括智能移动设备7和监控模块8。其中压力检测部分主要负责三个部分工作：第一部分是压力传感器3检测到用户施加在压力检测部分的外部力，将其转化为电压信号输出至微控制器4；第二部分是微控制器4接收和采集压力传感器的电信号，根据相应算法处理得到的电信号，得到用户的落坐时间和坐姿情况；第三部分将采集、处理得到的落座信息通过蓝牙模块6发送至接收部分的智能移动设备7。接收部分负责两个部分工作：第一部分是由智能移动7设备接收、处理落坐时间和坐姿数据，第二部分是监控模块8控制智能移动设备计时和显示图片提醒久坐和坐姿信息，并播放提醒音乐。

当用户接触压力检测部分时，压力传感器3检测所受压力值，将其转化为电信号输出至微控制器4。由于这里选用的微控制器4为Atmega16L内置A/D转换，直接将传感器所输出的模拟电信号转化为数字信号进行处理。微控制器4通过检测压力传感器3电压信号的变化范围，判定当前用户的落座和起身。当检测的电压信号变化超过一定范围时，微控制器4通过蓝牙模块6发送指令至用户智能移动设备7，智能移动设备7接收指令通过运行监控模块8，控制智能移动设备4开始计时。当所计时间超过用户预设的久坐时间阀值，监控模块8控制智能移动设备7播放音乐或振动提醒用户起身运动；当用户离开压力检测部分时，微控制器4检测压力传感器3电压信号在一定范围内，微控制器4将其判定为起身运动，这时发送起身指令使监控模块8的计时停止并使计时器清零；微控制器4采集分布在压力检测部分中不同平面位置的压力传感器输出的电压信号并计算它们之间的差值，当差值超过一定范围并持续一定时间，判定为用户坐姿不标准，微控制器4通过蓝牙模块6发送对应指令至智能移动设备7，通过运行监控模块8，在用户智能移动设备上以图片的形式显示用户相应的错误坐姿，并播放提醒音乐，达到提醒用户纠正坐姿的作用。

压力检测部分的压力传感器3采用称重传感器，该称重传感器具有三种不同颜色的端口（黑白红），内部含有半桥应变片，每个称重传感器的测量范围是50kg。将称重传感器A与称重传感器B构成全桥测量，量程为两只传感器的量程之和：50kg×2=100kg。其中一个称重传感器有3条连接线，称重传感器A黑线和称重传感器B白线相接作为输入电压正，称重传感器A白线和称重传感器B黑线相接作为输入电压，称重传感器A的红线作为输出电压正，称重传感器B的红线作为输出电压负。将压力传感器的输出端与信号放大器相连接，实现对微弱信号的放大。

图2是压力检测部分的信号放大器连接图，由于压力传感器3输出的电压信号的量级是毫伏级的，为方便微控制器的数据处理，需要对采集到的微弱电信号进行放大处理。如图2所示，压力传感器3的输出信号的引脚分别接精密仪表运放INA118的2、3引脚，经过差分放大的信号由运放的6引脚输出。差分放大的倍数由运放的1引脚和8引脚所接电阻R7的大小决定，其具体与放大倍数的关系为

其中放大倍数G由单片机芯片的分辨率和压力传感器的输出值范围共同决定。

压力传感器在压力检测部分内呈菱形分布，前后位置编号分别为压力传感器1与压力传感器2。左右位置编号分别为压力传感器3与压力传感器4。工作原理为：压力传感器1、2、3和4分别代表一组全桥连接的称重传感器。通过压力传感器检测压力检测部分不同位置所受压力值，传输至微控制器4通过相应算法判定坐姿和累计落坐时间。判定坐姿的算法为：压力传感器1 -压力传感器2 >a_max时（其中压力传感器1表示为压力传感器1检测到其所在位置的压力值所对应的电压信号，其余类似。 a为坐姿判断的电压范围值，由初始设定。a_max表示范围a的最大值，a_min表示范围a的最小值），微控制器判4定为坐姿后倾。当这个差值保持一段时间达到P（P为坐姿持续时间，由初始设定），微控制器4通过蓝牙模块6向用户的智能移动设备7发出坐姿后倾指令，在智能移动设备上显示坐姿后倾的图片；同理，当压力传感器组1 -压力传感器组2 <a_min时,微控制器判定为坐姿前倾。当这个差值保持一段时间达到P，微控制器4通过蓝牙模块6向用户的智能移动设备7发出坐姿前倾指令，在智能移动设备上显示坐姿前倾的图片；当压力传感器组3-压力传感器组4>a_max时，微控制器2判定为左倾。并且差值持续时间达到P，通过微控制器4向智能移动设备7发出坐姿左倾指令，在智能移动设备上显示坐姿左倾图片；当压力传感器组3 -压力传感器组4 <a_min时, 微控制器2判定为坐姿右倾。当这个差值保持一段时间达到P，通过微控制器4向智能移动设备7发出坐姿右倾指令，在智能移动设备上显示坐姿右倾的图片。

累计落坐时间的算法为：当四个压力传感器组的输出的电压信号全部小于b时（其中b为开始落座电压值，由初始设定），定义为用户没有给压力检测部分施加压力，微控制器4判定为用户起身，通过蓝牙模块6发送指令至智能移动设备7，使监控模块8停止计时，并且计时器清零；当四个压力传感器组中至少有一个压力传感器组的输出电压信号大于b时，微控制器4判定为用户已接触压力检测部分，通过蓝牙模块6发送指令至智能移动设备7，使监控模块8开始计时，当计时达到用户在智能移动设备7上设置久坐时间阀值，监控模块8控制智能移动设备7播放音乐或振动提醒用户。

图3是压力检测部分中微控制器的连接图，压力检测部分的数据采集、处理以及对蓝牙模块数据发送的控制由微控制器4完成，微控制器4的37引脚（PA0/ADC0）接精密仪表运放INA118的6引脚；微控制器4根据算法将采集到的数据转换为落座信息；将采集到的数据转换为落座信息的算法是对采集的压力传感器的多组输入的压力信号、输出的电压信号采用最小二乘法拟合得到的输入与输出之间的解析表达式，以解析表达式的函数关系式为基础编写程序，完成将压力传感器输出的电信号转换成久坐信息；微控制器4控制蓝牙模块发送数据，其9（PD0/RXD）、10(PD1/TXD)引脚对应连接蓝牙模块的通信线RXD、TXD。

如图4所示，基于智能移动设备的久坐提醒和坐姿检测装置采用4节干电池串联构成6V直流电源，作为整个压力检测部分的电源输入。直接将6V直流电源输入至压力传感器，给压力传感器供电。将6V直流电源通过LM317和LM1117两个三端集成稳压器，转换得到3.3V直流电源，对压力检测部分的微控制器4和蓝牙模块6供电。

图5是压力检测部分中蓝牙模块的连接图，微控制器4处理的数据发送到智能移动设备7的蓝牙接口的任务由蓝牙模块7完成，要保证蓝牙模块正常工作，需要与AVR单片机正确连接，具体方法是把蓝牙模块的通信线RXD（引脚2）、TXD（引脚1）连接到微控制器4的9和10引脚上，然后用智能移动设备7搜索蓝牙设备，完成配对连接。智能移动设备发送传数据指令后，微控制器4控制蓝牙模块6发送储存在存储器中的用户开始落座、起身和坐姿判断信号；智能移动设备7蓝牙接口在同一时刻接收数据，并将信息存入智能移动设备内存中，等待智能移动设备7调用、处理。

本发明的接收部分开始落座、起身和坐姿判断的信号来自于智能移动设备蓝牙接口接收压力检测部分的蓝牙模块6发送的信号。蓝牙是一种面向连接的通信方式，本发明的智能移动设备基于Android智能平台。Android蓝牙应用开发包括启动蓝牙，使能发现，搜索周围蓝牙设备，配对连接蓝牙，发送/接收数据。蓝牙通信需要设置服务器端和客户端，服务器监听来自客户端的连接请求，并提供一个BluetoothSocket。在本装置设计中，采用Android智能移动设备作为服务器端，压力检测部分的蓝牙模块6作为客户端。

接收部分蓝牙接口接收的信号主要是用来表征坐姿判断和落座开始/起身的状态信号。状态数据的定义如下：POSTURE_NORMAL代表正常坐姿，这时压力传感器组电压值两两相减的差值在范围a内；POSTURE_LEFT代表坐姿左偏，对应压力传感器3-压力传感器4>a_max这种情况；POSTURE_RIGHT代表坐姿右偏，对应压力传感器3-压力传感器4<a_min这种情况；POSTURE_FORWAND代表坐姿前倾，压力传感器1-压力传感器2<a_min这种情况；POSTURE_BCAK代表坐姿后倾，压力传感器1-压力传感器2>a_max这种情况；STANDUP代表起起身，SITDOWN代表开始落座。当压力检测部分检测到相应的坐姿判断及落坐、起身信号时便发送对应的控制信号，监控模块8控制智能移动设备7接收到信号之后通过系统查询，识别对应的坐姿判断及落座、起身信号，然后控制智能移动设备7做出相应的反应。

如图6所示，压力检测部分的工作流程为：执行上电操作100之后，系统开始进行初始化101操作，其中主要初始化管脚配置参数和控制器，对定时单元和寄存器进行相应的设置，同时对不同分布位置的压力传感器输出的电压信号进行处理，设置坐姿判断的电压范围值a、开始落座电压值b和坐姿持续时间P。执行操作102，打开蓝牙，与接收部分的智能移动设备7蓝牙接口进行配对连接。由于这里用的是Atmega16L芯片，自带A/D转换，所以设置A/D转换，采集压力传感器的电压信号103，直接将压力传感器输出的电压信号传输至微控制器进行处理。系统执行操作104，对用户是否落座进行判断。当微控制器判定用户开始落座，微控制器通过蓝牙模块发送开始落座信号至接收部分105。然后微控制器通过算法对分布在不同平面象限的的压力传感器传输的电压信号进行作差，判定是否满足不同的坐姿判断信号条件106。当用户出现错误坐姿并持续一段时间，微控制器控制蓝牙模块4发送相应的坐姿信号至接收部分107。

图7是接收部分的工作流程图。首先打开监控模块200。软件将自动检测蓝牙是否开启201。当开启时进入蓝牙功能列表202，扫描蓝牙与压力检测部分的蓝牙模块进行配对203.若已经配对，则选择已配对的蓝牙设备204。然后进入久坐信息界面205，对久坐提醒时间和提醒方式进行预先设定206。同时监控模块控制智能移动设备5接收压力检测部分发送落座信息，对接收的坐姿判断信号进行查询判断207。当接收的是错误坐姿判断信号时，控制智能移动设备进行多种方式的提醒210（声音、振动或图文）；当接收的是正确坐姿判断信号时，控制计时器计时并显示已坐时间208。然后执行操作209，判断计时是否到达预设时间，若到达则执行操作210，智能移动设备进行多种方式提醒。

Claims

1.基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括压力检测部分(1)和接收部分(2)，压力检测部分（1）包括压力传感器（3）、微控制器（4）、电源模块（5）、蓝牙模块（6）；微控制器（4）分别与压力传感器（3）、电源模块（5）、蓝牙模块（6）连接；压力传感器（3）在压力检测部分（1）中按照主要受力点进行平面分布，通过检测不同位置的所受压力情况，输出该位置对应的电压信号；微控制器（4）将压力传感器（3）检测过程中的所得到的电压数据进行A/D转换，处理采集的信号，控制蓝牙模块（6）的数据通信；蓝牙模块（6）是压力检测部分（1）的一部分，实现压力检测部分（1）和接收部分（2）之间的数据通信；接收部分（2）由智能移动设备（7）组成，智能移动设备（7）包括监控模块（8）和蓝牙接口（9）；智能移动设备（7）用于运行监控模块（8），处理实时接收到的数据，通过智能移动设备蓝牙接口（9）和压力检测部分的蓝牙模块（6）连接实现接收部分与压力检测部分的数据通信。

2.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，其特征在于：所述的压力传感器（3）通过全桥连接后与微控制器（4）相连，用于测量不同位置所受的压力值。

3.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，其特征在于：所述的蓝牙模块（6）通过与微控制器（4）通过串口通信，用于实现压力检测部分（1）与接收部分（2）之间的无线数据通信。

4.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，其特征在于：所述的电源模块（5）由电池和稳压电路构成，为压力检测部分中的电路模块或芯片提供工作所需要的6V和3.3V直流电压。

5.根据权利要求1所述的基于智能移动设备的久坐提醒及坐姿检测装置，其特征在于：所述的监控模块（8）是基于Android操作系统的APP程序，用来提取通过蓝牙模块（6）发送到智能移动设备上的落座信息；用户通过点击基于Android操作系统的APP程序上的控件，完成查看用户的落座时间和坐姿信息，从而实现对用户久坐和不良坐姿的提醒功能。