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可携式手腕照护球
第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 許永和、林俊良等】2017年10月18日 星期三

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手腕上最常见的一种症状“腕隧道症候群”,本来是一种常见的职业病,但随着科技的日新月异,电脑、智慧型手机几??人人都有,渐渐地使此症状也开始好发於青少年族群。创作动机为改善现代人过度使用3C产品所造成的手部疼痛、麻钝和刺痛感,预防胜於一切,透过本作品来达到减低症状,同时减少手腕发生永久性伤害的危险性。


本作品「可携式手腕照护球」,主要设计对象是以腕隧道症候群者为重点相关开发。我们以多种感测器并搭配可携式手腕照护球与手机应用程式,让使用者可透过自行设计的应用程式记录每日的使用状况。主要让使用者即使忙於工作、沉迷於游戏,也不会忘记自己手腕的健康。且由外型包装设计,让本作品可以当装饰品,也可以随身携带着,具有不占空间的特性。


前言

腕隧道症候群(Carpal tunnel syndrome),是指手上的正中神经在经过手腕处,会穿过由腕骨与韧带围成的「腕隧道」,受到位於神经上方的韧带压迫所造成的临床症状。而所谓的正中神经是指支配大拇指动作与支配大拇指、食指、中指,以及一部份无名指感觉的神经[1-4]。如图1所示,为腕隧道症候群示意图。


图1 : 腕隧道症候群示意图[1-4]
图1 : 腕隧道症候群示意图[1-4]

即便大多数的人都知道如何避免,且市面上也有许多手腕??压的医疗商品,但因工作的繁忙、沉迷於游戏等种种理由,而往往忘记、忽略掉自己手腕的健康。等到手腕撑不住的时候才开始後悔没预防,最後反而要花更多时间和金钱治疗。


本作品「可携式手腕照护球」以生活保健为目的,并结合了体感技术,更加入本团队自行设计之手机应用程式,透过感测器来抓取运动的状态,让使用者不会再是单纯在运动上,更可以藉由此方式来达到趣味的人机互动。


工作原理

「可携式手腕照护球」分为可携式手腕照护球实体与手机应用程式等两部分,且两者透过蓝牙无线传输方式来沟通。其中,可携式手腕照护球内部装有加速度计、陀螺仪、电子罗盘、心率感测器与红外线体温感测器等五种感测器。


以下,介绍其相关工作原理:


加速度计特性与原理

加速度计顾名思义就是侦测地球重力g的大小及动作方向,而将加速度计摆水平时,会有1g的地心引力会在Z轴。而随着改变装置的同时,g值会在不同轴向做变化,就可以知道姿态的变换。也因为这个特性,在加速度计静止时,可以藉由arcSin/ arcCos的公式运算出倾斜角度,这个倾斜角度可以延伸出更多的应用。


陀螺仪特性与原理

陀螺仪是由高速旋转刚体转轴构成的仪器,旋转转轴在空间能保持固定状态并抗拒一切使其改变的力,所以水平的陀螺仪将保持一定的方向。一物体旋转时,绕着任何固定轴来旋转,如果没有固定轴物体就会绕其质心旋转。而使物体旋转必须要有一偏力,此力不可通过旋转轴,且偏力会产生一力矩,力矩是力与力臂的乘积,而力臂是力的作用延长线到旋转轴的垂直距离。


电子罗盘特性与原理

电子罗盘内部的原理结构为非等方性磁性阻抗(Anisotropic Magnetic Resistance--AMR)。对於磁阻感测器最新的成长的市场是用在磁带和磁带驱动器中的高密度读取头。相关的应用包括车轮速的测量、罗盘方向或是车辆检测等。


地球磁场的强度为0.5至0.6高斯,可以简化成双极性磁场示意图。双极性磁场相当於沿着地球中心有一个大磁铁。磁极相对与地理的两极存在着一个约11.5 度的夹角。磁场的南极代表着地理的北极。地磁场方向在北半球指向下,在赤道平行,在南半球指向上。这一全球性的变化被称作磁倾角(Dip Angle),定义为磁场和当地水平面之间的夹角。磁倾角会随纬度变化来改变,变化范围为+/-90度。


心率感测器特性与原理

如图2所示,为光体积变化扫描图。当光在穿过人体时会被不同的组织吸收衰减,人体的组织组成假定应该是固定的,因此光的衰减量应该是固定的。但血管中的血液会随着心脏的跳动有明显的体积变化,此一周期性的体积变化就会产生不一样的衰减量。因此,当光穿透皮肤的组织时,我们藉着观察光的强度衰减,可以得到一个具有周期性、上下起伏的波形图。如假定这个波形是稳定的,我们将此波形中,波峰与波峰间的间隔时间除以60就可以简单得到我们每分钟的心跳数[10]。



图2 : 光体积变化扫描图[9]
图2 : 光体积变化扫描图[9]

红外线体温感测器特性与原理

感测器部分采用数位红外线感测器MLX90615,主要由红外线热电堆感测器、低杂讯放大器、16位类比数位转换器和功能强大的DSP单元等组成。如图3所示,为MLX90615的结构示意图。红外热电堆感测器将撷取到的红外线辐射转化为电压,并经过低杂讯放大器放大後送给类比数位转换器。类比数位转换器输出的数位信号经FIR/IIR低通滤波器滤波後,再送入数位信号处理器。数位信号处理器对数位信号运算处理後输出测量结果,并保存在MLX90615内部RAM中。而盛群微控制器可以透过SMBust串列介面或PWM控制方式来来读取红外线体温数值。



图3 : MLX90615的结构示意图[11]
图3 : MLX90615的结构示意图[11]

蓝牙特性与原理

蓝牙技术运作的原理主要是运用跳频展频技术(Frequency Hopping Spread Spectrum -- FHSS)方式,使蓝牙晶片的两端,以某一特定形式的窄频载波同步地在2.4MHz频带上传送讯号。


如图4所示,为蓝牙通讯协定阶层图。


蓝牙通讯协定主要分为Radio、Baseband,Link Manager、L2CAP、HCI及Application Framework等部分。其中,Radio主要负责频率的合成及杂讯过滤,Baseband主要处理讯息编码,码错误重送及跳频机制等工作。LinkManager负责有关Link的建立、释放,甚至於保密等工作。L2CAP主要负责不同通讯协定的多工处理、封包的切割及重组及服务品质等。最後,HCI则提供蓝牙与Host之间的介面控制,为一种与硬体无关的标准控制命令。


图4 : 蓝牙通讯协定阶层图[12]
图4 : 蓝牙通讯协定阶层图[12]

作品结构

如图5所示,为可携式手腕照护球系统方块图。手腕照护球内部使用九轴感测器(加速度、陀螺仪、电子罗盘)、心率感测器与体温感测器等五种感测器。



图5 : 可携式手腕照护球系统方块图
图5 : 可携式手腕照护球系统方块图

盛群微控制器HT66F70A透过蓝牙模组将感测器资料传送至智慧型手机上进行运算,并提供使用者测量体温与脉搏状态。此外,利用九轴感测器的数值变化,让使用者能利用游戏来做手部的复健动作。而自行设计的电路里包括电池充电器IC,因此,可以使用USB来为手腕照护球内部的锂电池充电,即使出门在外也能带在身边。


本作品「可携式手腕照护球」,采用一颗盛群微控制器HT66F70A,其中用到的九轴感测器及红外线体温感测器MLX90615,HT66F70A使用I2C作为通讯介面。I2C是一种用於IC元件间连接的二线制I2C。如图6所示,为I2C传输示意图。其中,透过串列资料线 (SDA)及串列时脉线(SCL)连到I2C上传送资料。



图6 : I2C传输示意图
图6 : I2C传输示意图

此外,脉搏感测器XD58C利用类比数位转换器(Analog-to-digital converter, ADC),将类比形式的连续讯号转换为数位形式的离散讯号。如图7所示,为ADC转换示意图。ADC经常用於通讯、仪器和测量以及电脑系统中,可方便数位讯号处理和资讯的储存。



图7 : ADC转换示意图
图7 : ADC转换示意图

而蓝牙无线模组(HM13)透过微控制器的I/O来模拟通用非同步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART),将感测器的数值运算後传至手机应用程式上作分析。


如图8所示,为可携式手腕照护球实体图。其中,使用锂电池进行供电,将体温、脉搏与九轴感测器放置球内,透过蓝牙与手机进行互动游戏,一边也能从脉搏与体温页面来查询使用者当前的身体状况。



图8 : 可携式手腕照护球实体图
图8 : 可携式手腕照护球实体图

如图9所示,为可携式手腕照护球的PCB电路示意图,此外,我们加入了锂电池充电器TP4057,让可携式手腕照护球能够透过USB进行供电并为锂电池进行充电。因此,在拔除USB??槽後,也可以使用锂电池继续供电。



图9 : 可携式手腕照护球PCB电路示意图
图9 : 可携式手腕照护球PCB电路示意图

手机端应用程式以实用型应用程式为出发点,可分析可携式手腕照护球数据,与使用者进行游戏互动,并记录使用者日常的身体状况与运动量,提醒使用者适度的运动与休憩。因此,可作为量身打造私人的健康守门员。图10为手机软体流程图,根据手机的功能,可携式手腕照护球会回传相关感测器之数值,手机应用程式再进行分析後提供给使用者。



图10 : 手机软体流程图
图10 : 手机软体流程图

测试方法

由於HT66F70A本身并没有支援I2C协定,因此,我们采用GPIO模拟I2C来实现微控制器与其他硬体元件之间的沟通。


如图11所示,为九轴感测器陀螺仪数值示意图。其中,我们使用数位逻辑分析仪抓取HT66F70A存取九轴感测器陀螺仪实际情况。0x68为九轴感测器的I2C位置,陀螺仪一共分为X、Y与Z三轴,每轴皆有16位元的资料,需拆分为两部分读取,暂存器位置从0x3B开始到0x40为止。



图11 : 九轴感测器陀螺仪数值示意图
图11 : 九轴感测器陀螺仪数值示意图

HT66F70A存取体温感测模组实际情况:0x5B为其I2C位置,而0x27则是资料暂存器位置。图12为蓝牙UART接收示意图。其中,手机端应用程式发送要求信号後,可携式手腕照护球便会将分析过後的感测器数值回传。



图12 : 蓝牙UART接收示意图
图12 : 蓝牙UART接收示意图

基本上,蓝牙分成被动的Server端和主动的Client端2种,我们将行动装置设为Client端,蓝牙模组设为Server端後。首先,必须检查手机是否已开起蓝牙设备,假如没有启动则要求使用者开启,之後扫描周遭环境是否有蓝牙设备,显示周遭蓝牙的名称与装置位址,等待使用者选择蓝牙设备後即可成功连线。


如图13所示,为手机蓝牙连线收发示意图。其中,测试蓝牙模组与手机互相传值,以十六进制作为显示,手机传值的部分透过按钮做为触发条件,按下传送後上方的资料即时传送给蓝牙模组。手机收值是即时接收蓝牙模组所传出的资料,同样是以十六进制来表示。



图13 : 手机蓝牙连线收发示意图
图13 : 手机蓝牙连线收发示意图

至於手机体温与心率测量,透过蓝牙模组手机端可以随时接收感测器的数据,并且将数据保存於手机资料库供日後观看。


结论

本作品「可携式手腕照护球」是针对容易得到腕隧道症候群者为重点所研究设计的。其中,透过多种感测器来整合至可携式手腕照护球内部,并搭配手机应用程式,让使用者可透过自行设计的应用程式记录每日的使用状况。如此,可以避免使用者得到腕隧道症候群。


(本文作者许永和1、林俊良2、吴建儒3、江志贤4为国立虎尾科技大学资讯工程系1教授及2-4学生)


叁考文献

[1] 腕隧道症候群维基百科


http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%85%95%E9%9A%A7%E9%81%93%E7%97%87%E5%80%99%E7%BE%A4


[2] 腕隧道症候群简介


http://www.skh.org.tw/Neuro/CTS.htm


[3] 腕隧道症候群预防方式


https://www.ntuh.gov.tw/orth/education/DocLib3/%E8%85%95%E9%9A%A7%E9%81%93%E7%97%87%E5%80%99%E7%BE%A4%E4%B9%8B%E9%A0%90%E9%98%B2%E8%88%87%E6%B2%BB%E7%99%82.aspx


[4] 腕隧道症候预防运动示范


http://proj.ncku.edu.tw/workhardening/test.html


[5] 加速度感测器与电子罗盘原理


http://www.seraphim.com.tw/upfiles/c_supports01328152963.pdf


[6] MEMS陀螺仪的简单校正


http://tec.icbuy.com/uploads/2011/11/16/A_simple_calibration_cn.pdf


[7] 陀螺仪简介


https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%99%80%E8%9E%BA%E5%84%80


[8] 地球磁场简介


http://home.phy.ntnu.edu.tw/~eureka/contents/elementary/chap%206/6-3.htm


[9] 光学式心跳量测简介


http://urclazz.blogspot.tw/2015/09/ppg-photoplethysmography.html


[10] 心率感测原理


http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10916-010-9506-z


[11] 数位红外线感测器MLX90615


http://3g.autooo.net/utf8-classid48-id146480.html


[12] 蓝牙协定https://www.ctimes.com.tw/art/print.asp?O=HJYCA8KR00KARASTD1


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