CN114020154A - 一种智能坐姿矫正器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能坐姿矫正器，包括交互输入模块、信息处理模块、交互输出模块和通信模块，所述交互输入模块，用于采集矫正者的姿态信息和按键信息；所述信息处理模块，用于将所述姿态信息和所述按键信息转化为游戏信息并传输到所述交互输出模块；所述交互输出模块，用于展示或者输出所述游戏信息；所述通信模块，用于所述交互输入模块、所述信息处理模块和所述交互输出模块之间的信息交互本发明提供的智能坐姿矫正器不需要矫正者进行穿戴，并且实用性较强、操作简单、具有一定游戏性，增加使用者使用坐姿调整器的使用欲望，提高了使用者使用坐姿矫正器的使用时长，间接提高使用者的坐姿纠正成功率。
Description
技术领域
本发明涉及坐姿矫正技术领域，特别是涉及一种智能坐姿矫正器。
背景技术
青少年的坐姿一直以来困扰着家长。由于不正确的坐姿所导致的身体健康疾病也越来越普遍，其中驼背、颈椎疾病、腰椎疾病、肌肉损伤、近视等已经对青少年的健康成长十分不利，带来了不可逆的伤害。同时，随着时代的发展，人们在电脑前学习和工作的时间越来越长，使用电脑频率也在增加，导致人们在颈部、肩部和腰部的患病率增加。
在纠正坐姿方面，主要采用自我矫正和装置辅助矫正两种方式，自我矫正需要以矫正者自身的毅力和自觉性为基础，能持续的矫正者很少，造成了容易失败的结果，而装置辅助矫正的成功率略高于自我矫正。目前市面上的产品很多并没有对社会的变化做出相应的调整，产品旨在解决问题。忽略用户的动机，忽略用户体验，没有及时反馈，没有合适的学习曲线，导致用户使用产品频率低，持续使用意愿弱等问题。
因此，为减少由于坐姿不正确所导致的一系列问题，亟需一种坐姿矫正器，能够适用于青少年进行坐姿矫正。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能坐姿矫正器，以解决上述现有技术存在的问题，不需要矫正者进行穿戴，利用游戏化，构建用户的使用动机，优化用户的使用体验，增强用户使用产品的黏性，对持续养成好习惯起到改善的作用，并且实用性较强、操作简单、成本低廉且具有一定游戏性与趣味性，显著提高了坐姿矫正的成功率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种智能坐姿矫正器，包括交互输入模块、信息处理模块、交互输出模块和通信模块，
所述交互输入模块，用于采集矫正者的姿态信息和按键信息；
所述信息处理模块，用于将所述姿态信息和所述按键信息以及时间信息转化为游戏信息并传输到所述交互输出模块；所述交互输出模块，用于展示或者输出所述游戏信息并保存相关游戏信息。
所述通信模块，用于所述交互输入模块、所述信息处理模块和所述交互输出模块之间的信息交互。
可选地，所述交互输入模块包括距离采集单元、按键单元和信息接收单元，所述距离采集单元、所述按键单元和所述信息接收单元均与所述信息处理模块连接。
可选地，所述距离采集单元包括若干超声波测距模块，用于分别采集超声波发送区域到矫正者头部的距离和矫正者胸部的距离。
可选地，所述信息接收单元采用蓝牙转串口模块HC05。
可选地，所述信息处理模块包括信息存储单元、信息处理单元和交互独立单元，所述信息存储单元、所述信息处理单元、所述交互独立单元依次连接，所述信息存储单元与所述交互输入模块连接，所述信息处理单元与所述交互输出模块连接。
可选地，所述信息处理单元采用STM32F407ZGT6单片机。
可选地，所述信息处理单元利用BP神经网络判断所述矫正者的坐姿。
可选地，所述信息处理单元运行RT-THREAD-Nano实时操作系统。
可选地，所述交互输出模块包括信息显示模块和信息发送模块，所述信息显示模块与所述信息处理模块连接，所述信息发送模块与外设设备连接。
可选地，所述信息发送模块采用蓝牙转串口模块HC05。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种智能坐姿矫正器，采用交互输入模块、信息处理模块、交互输出模块，将矫正者的坐姿信息和操作信息转化为游戏信息，并且进行显示和查看，不需要进行穿戴，实现零接触检测。并且在进行坐姿识别时采用BP神经网络，识别正确率得到提升，搭载国产实时操作系统RT-THREAD，及时反馈调整坐姿，并且游戏化人机交互模式，更有吸引力，显著提高坐姿矫正的成功率。该智能坐姿矫正器实用性较强、操作简单、成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中智能坐姿矫正器的结构示意图；
图2为本发明实施例中姿态信息识别过程示意图；
图3为本发明实施例中RT-Thread Nano使用示意图；
图4为本发明实施例中智能坐姿矫正器运行工作流程图；
图5为本发明实施例中智能坐姿矫正器运行过程中核心循环&目标地图&用户地图工作示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种智能坐姿矫正器，如图1-5所示，该坐姿矫正器将坐姿矫正与游戏相结合，不需要矫正者进行穿戴，能够根据游戏操作过程中的结果进行坐姿矫正。本实施例中的坐姿矫正器结构如图1所示。坐姿矫正器包括交互输入模块、信息处理模块、交互输出模块和通信模块，交互输入模块、交互输出模块通过信模块与信息处理模块进行连接。
其中，交互输入模块用于采集矫正者的姿态信息和按键信息，交互输入模块包括距离采集单元、按键单元和信息接收单元，距离采集模块包括两个超声波模块，超声波模块用于采集两个距离的数据。本实施例中，超声波模块采用US-100超声波模块，通过在中断获取到两个距离的数据，分别是进行超声波检测过程中从超声波发送区域到头的距离和胸部的距离。距离数据采集完成后传输到信息处理模块。按键单元包括4个按键，按键主要是进行选择功能，根据提示进行游戏相关的选择，并将矫正者的选择信息传输到信息处理模块。信息接收单元采用蓝牙转串口模块HC05，用于接收游戏信息，如坐姿使用者获得的相关游戏成就，不同的成就会输出给接收者鼓励使用者使用的建议。
信息处理模块，用于将所述姿态信息和所述按键信息转化为游戏信息。信息处理模块包括信息存储单元、信息处理单元和交互独立单元，其中，信息存储单元用于存储矫正器使用者的游戏信息和游戏设置相关信息，信息处理单元用于对获取的使用者的游戏信息进行处理，判断使用者的坐姿情况，交互独立单元用于传递时间信息与保证程序不卡死，包括RTC和IWDG。信息存储单元、信息处理单元、交互独立单元依次连接，信息存储单元与距离采集单元、按键单元连接，信息处理单元和信息接收单元连接。本实施例中，信息处理模块采用STM32F407ZGT6单片机，STM32F407ZGT6单片机拥有168MHZ的高速单片机，它将交互输入信息处理，进行姿态信息处理，将矫正者姿态信息和按键信息转化为游戏相关性信息进行存储并传输到交互输出模块和保存到信息综合处理单元,在里面通过SD卡保存游戏相关数据。STM32F407ZGTT单片机接收到超声波数据信息后，对超声波数据采用冒泡算法+平均值滤波算法进行滤波，在将滤波后的值进行样本方差计算，将样本方差值传递到BP神经网络，利用BP神经网络，转换为坐姿信息，具体过程为：先对两个US-100获取到的数据分别保存到长度为20的数组中。之后分别对20个数组的数据进行冒泡排序，分别取中间的10个数据。
将10个数据进行累加然后除10作为X的平均值，也就是坐姿的正确值。n为累加次数，也就是10，x1+x2+…+xn为滤波后US-100的数据。
其中
为提取超声波的均值，x1到xn为每次提取超声波的值，n为提取的次数。
获取到平均值后，需要再次超声波的数据，将这次获取到的数据作为判断坐姿是否正确的数据。获取的方式和获取方差的方式是一样的，区别在于将数据保存到长度为10的数组中，之后分别对10个数组的数据进行冒泡排序，分别取中间的5个数据。把这五个数据作为x1，x2，x3,x4,x5。带入下面的公式，n取值为5。
其中S2为样本方差，Xi为超声波获取的值，n为获取的总次数，
为提取超声波的均值。
一共有两个超声波，分别进行上诉的处理，就能获取到两者的方差，S1 2和S2 2，这两个数据就是要传递给神经网络的数据。
在嵌入式设备跑神经网络，往往要先对获得网络的预训练模型，然后通过STM32CUBEMX.AI工具，将网络模型转换为C语言在STM32上运行。这里在tensorflow框架搭建BP神经网络，然后对特征值标定好标签，把数据上传到上位机进行训练，保存网络模型。再把预训练好的模型部署到单片机中。本实施例中使用BP神经网络实现的是逻辑回归，实现二分类。BP神经网络设计为三层全连接网络，第一层输出层，第二层隐藏层，第三层输入层。输入层为二维输入，把超声波的样本方差作(S1 2和S2 2)为特征值输入。激活函数选择：搭建BP神经网络选择Relu为隐藏层和输入层的激活函数：输出层为1维，输出坐姿正确与否。输出层激活函数选择sigmoid作为输出层的激活函数。损失函数就使用binary_crossentropy。
在本实施例中，STM32F407ZGT单片机运行实时操作系统RT-Thread Nano来保证坐姿矫正器的流场运行。如图3所示，在STM32F407ZGT里面使用三个串口中断，7个线程进行程序设计。Shell线程是独立线程，优先级为1级，负责上传RT-THREAD调试内容。按键线程，优先级为3级，用于获取按键的数据，timer函数优先级为2级，负责发送获取超声波信息数据。
在超声波中断里面和系统综合信息和按键线程之间通过邮箱的方式通信，分别向邮件里面发送邮件，邮件里面就是系统综合处理需要处理的数据的标志位。在系统综合处理线程里面负责获取超声波的原始数据，并对数据进行姿态识别，在这里进行数据滤波，神经网络识别，将按键数据和姿态数据转换为相关的游戏元素数据。这里的数据是全局数据，所有文件都可以访问，为了保护数据，访问数据选择使用互斥量对数据进行上锁，也就是一个线程内，在这个线程中如果获取到互斥锁，那么其他线程就不可以访问这个数据，从而保证数据在访问的过程不会被其他线程修改。在综合线程里面通过调用RTC相关的接口函数，获取当前时间，以便进行处理。
在综合信息处理线程里面，通过不同的信号量通知交互输出模块的线程进行显示。主要是OLED的画面显示，将游戏画面也就是图片信息从Fatfs文件系统保存的.txt文件的数据读取到数组里面。使用数组保存一些画面在RAM里面，以便调用和游戏元素的数据进行调用，通过判断不同游戏数据元素就调用不同的图片和显示不同的数字进行显示。
蓝牙线程，主要是通过蓝牙转串口的形式实现透传，主要是把相关的游戏元素上传到手机或者电脑，方便其他人查看和修改一些游戏相关的数据，能主观的看到一段时间内坐姿调整情况如何和相关的专注程度和学习时间长度以及坐姿调整的情况
保存线程主要是把游戏的元素进行保存，防止掉电就丢失，保存线程这里面搭载Fatfs文件系统中的.txt文件，在加载的游戏的时候就从这个读取.txt相关文件。保存的时候也是把游戏元素保存到.txt文件中，以免读取元素。
Shell线程是RT-THREAD-Nano系统调试的线程，通过这个线程与串口通信，获取当前RTOS的信息，线程栈大小，信号量，邮箱等信息。
按键线程，就是当按键按下，通过判断GPIO口的电平变化，变化了就是按下，之后通过邮箱传递是哪位按键按下。
相比于裸机编程，使用RT-Thread Nano有模块化，并发性，实时性，开发效率方面的优势。特别是对于要设计一款具有游戏元素的产品，并发性的实时性就需要很好的得到保证。在并发性方面，不会再会在delay/事件中等待，或者说等待时，会让出处理器，让处理器给其他有需要的线程使用。在实时性方面，根据不同需要设计优先级级别，重要线程，比如核心数据处理线程优先级比显示线程优先级要高，而显示线程优先级又要比保存线程的优先级要高。对于应用需求比较复杂的设计，在模块化设计过程中，由于线程的模块化程度比较高，开发效率也会提升。
交互输出模块，用于展示或者输出所述游戏信息。交互输出模块包括信息显示模块和信息发送模块，信息显示模块与信息处理模块连接，信息发送模块与外设设备连接。本实施例中，信息显示模块采用OLED，通过OLED对游戏中的元素进行显性转换。信息发送模块采用蓝牙转串口模块HC05，将游戏信息传输到外设设备，外设设备包括手机、计算机、平板电脑等。还包括Mirco SD卡存储模块，用于保存与读取信息，具体的是通过SDIO与Fatfs文件操作系统进行读取与保存。
本实施例中，系统信息流向说明：
最核心就是将各个外设的信号流通到系统综合处理线程里面，在这个线程处理流经的信息。交互输入模块中的按键把按键输入数据与蓝牙透传的数据以及超声波的距离数据流向核心处理线程。在核心处理线程中，需要将距离信息传递到姿态识别算法模块，得出坐姿信息，同时在单片机上面的RTC实时时钟的时间信息流向核心处理线程。对流向的坐姿信息与时间信息进行游戏化转换，转换为基本的游戏模式。同时也通过对按键信息流向核心处理线程，通过判断按键信息进行按键选择，选择进行那种游戏模式以及游戏特性处理。在蓝牙透传模块中，流向线程的数据是为了将游戏相关的数据发送到HC05线程中，让连接上蓝牙的用户获取到单片机发送的数据。当数据经过游戏化模块后，转换为游戏数据就会流向OLED显示，OLED就显示需要给用户看的游戏相关的信息；当坐姿不正确时震动模块就震动；将流向的数据通过Fatfs文件系统将需要保存的数据存到MicroSD卡中。
利用本实施例中的智能坐姿矫正器，通过游戏进行智能坐姿矫正的过程为：
首先是需要采集超声波的信息，然后经过处理，输出坐姿的正确与否。同时开启RTC实时时钟进行倒计时。在基本的画面中，设置有一个基本游戏进度的图形，随着游戏进度的改变，显示不一样的图形是以便提醒玩家游戏的进度，在这个基本画面中，还设置有犯错次数与倒计时这两个元素。这个游戏进度实际上映射的就是，玩家坐姿的程度，即已经在一定的犯错次数内和一定的时间内，玩家的坐姿的质量。玩家坐姿的质量由两个指标组成，一个是倒计时，一个是犯错数，倒计时是游戏设定的计时时间，如果时间能够完整的倒计时到一定的程度，同时，会有一个犯错的次数显示，犯错数在一定的范围内，则会判定为质量合格，自动显示下一个图形，给玩家提示当前进度。总的来说就是，游戏是通过坐姿检测装置，检测到人的坐姿是否正确，然后动态显示坐姿的正确与否，然后启动倒计时装置，在规定的时间内坐姿犯错次数少于指定值就算赢。如果赢了就会获得相应的积分，用于换取不同的图片显示的方式，以及获得勋章来反应玩家的成就。该成就代表间接反应，代表玩家的坐姿已经调整到哪一个程度了。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种智能坐姿矫正器，其特征在于，包括交互输入模块、信息处理模块、交互输出模块和通信模块，
所述交互输入模块，用于采集矫正者的姿态信息和按键信息；
所述信息处理模块，用于将所述姿态信息和所述按键信息以及时间信息转化为游戏信息并传输到所述交互输出模块；所述交互输出模块，用于展示或者输出所述游戏信息并保存相关游戏信息。
所述通信模块，用于所述交互输入模块、所述信息处理模块和所述交互输出模块之间的信息交互。
2.根据权利要求1所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述交互输入模块包括距离采集单元、按键单元和信息接收单元，所述距离采集单元、所述按键单元和所述信息接收单元均与所述信息处理模块连接。
3.根据权利要求2所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述距离采集单元包括若干超声波测距模块，用于分别采集超声波发送区域到矫正者头部的距离和矫正者胸部的距离。
4.根据权利要求2所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述信息接收单元采用蓝牙转串口模块HC05。
5.根据权利要求1所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述信息处理模块包括信息存储单元、信息处理单元和交互独立单元，所述信息存储单元、所述信息处理单元、所述交互独立单元依次连接，所述信息存储单元与所述交互输入模块连接，所述信息处理单元与所述交互输出模块连接。
6.根据权利要求5所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述信息处理单元采用STM32F407ZGT6单片机。
7.根据权利要求5所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述信息处理单元利用BP神经网络判断所述矫正者的坐姿。
8.根据权利要求5所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述信息处理单元运行RT-THREAD-Nano实时操作系统。
9.根据权利要求1所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述交互输出模块包括信息显示模块和信息发送模块，所述信息显示模块与所述信息处理模块连接，所述信息发送模块与外设设备连接。
10.根据权利要求9所述的智能坐姿矫正器，其特征在于，所述信息发送模块采用蓝牙转串口模块HC05。
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| CN114587278A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-06-07 | 河南省儿童医院郑州儿童医院 | 一种便携式睡眠监测方法及系统 |
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