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摘 要：随着白领人数的增加，颈椎病患者越来越多，人们迫切需要一个能提醒人们保持正确坐姿、放松颈椎的颈部可穿戴设备。可穿戴类型的人体姿态监测设备的算法具有一定的通用性，可以广泛使用在医疗、工业建设、人机交互、虚拟现实等热门领域。我们运用TI公司的CC2541蓝牙低功耗芯片和相应的SDK，加上MPU6050等外围器件，开发一款具有颈椎弯曲角度的测量、显示、记录；颈部弯曲达到疲劳时间时给予震动提醒和APP屏幕显示提醒功能的颈部可穿戴设备。
关键词：颈椎病预防；可穿戴设备；CC2541；蓝牙低功耗
据2011年全国骨科年会统计北京颈椎病发病率调查：按目前北京市常住人口 1960 万人计算，该市颈椎病患病人数已突破260 万，大致相当于每10 名成人中有1 人患颈椎病。所以人们迫切需要一个能反映颈椎疲劳度，提醒人们保持正确坐姿、放松颈椎的颈部可穿戴设备。
该颈部可穿戴设备可实现以下功能：颈椎弯曲角度的测量、显示、记录；颈部弯曲达到疲劳时间时给予震动提醒和APP屏幕显示提醒；APP中可以显示经过拟合过的颈椎弯曲模型。
颈部可穿戴设备作为一个小巧方便的可穿戴设备，在硬件设计上保证功能完整的同时，亦要兼顾起大小和形状和设备功耗，才能满足可穿戴设备的要求。因此，我们组在进行硬件设计的时候，尽量选用体积小，功能集成度较高，功耗较低，性能合适的芯片和必要设备。硬件设计框图如下所示：
该颈部可穿戴设备选择了TI公司的CC2541作为主控MCU和蓝牙射频芯片。CC2541 是一款针对低能耗以及私有 2.4GHz 应用的功率优化的真正片载系统 （SoC） 解决方案。 它使得使用低总体物料清单成本建立强健网络节点成为可能。CC2541 将领先 RF 收发器的出色性能和一个业界标准的增强型 8051 MCU、系统内可编程闪存存储器、8kB RAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。CC2541 非常适合应用于需要超低能耗的系统。这由多种不同的运行模式指定。运行模式间较短的转换时间进一步使低能耗变为可能。
由于对颈部可穿戴设备体积的限制，我们选择了占用体积较小且较为成熟的PCB天线方案作为本作品的蓝牙射频发送和接收的天线。并且采用经典的巴伦电路进行50欧姆的阻抗匹配，使射频发送接收的效率达到最高。经过测试，本天线方案在室内能够有10m的传送距离，完全满足智能颈椎环的性能要求。
颈部可穿戴设备需要对人的颈部进行位置测量和监控，所以要用到陀螺仪模块作为角度传感器。我们选用了MPU6050芯片，MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。
颈部可穿戴设备的嵌入式软件设计是基于OSAL操作系统和蓝牙4.0协议栈的接口上进行开发的。整个软件实现了对MPU6050數据的采集和滤波处理、与手机蓝牙进行配对通信和一些必要的业务功能。本软件设计的框架结构如下图所示：
Bluetooth low energy作为CC2541的一个特色功能，可以进行低功耗的数据收发，其软件编程需要通过在OSAL的SDK和TI公司的蓝牙协议栈上进行开发。TI公司的蓝牙4.0协议定义了一系列的通信标准，使用蓝牙设备通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发。协议栈是协议的具体实现形式，以库的形式提供相应接口，以便于开发人员调用。
OSAL拥有一个轮询式的任务调度机制。OSAL任务需要登记任务入口和执行初始化任务初始化函数要设置任务ID，并且向OSAL发出一个任务启动事件编写任务函数时，一般是根据事件来编写处理代码。应注意到OSAL内核是轮询式的，没有维护系统时钟，所以，任务代码不能写成一个死循环，而要写成消息轮询的架构。
常用的事件有定时器事件和消息队列事件。在OSAL中，可以通过编程设施定时事件的触发，也就是说可以在设定的时间间隔触发某一事件交给任务函数处理。需要注意的是，编写定时任务代码时，最后要调用OSAL内核函数重新开始下一周期的定时。需要用到消息队列在任务见传递信息是时候，首先要申请一个用于任务间消息传递的内存空间，作为消息的容器，返回消息容器的指针后，调用发送消息的OSAL内核函数，可以触发消息处理的任务。注意在消息处理完成之后，需要调用OSAL内核函数销毁用于储存消息内容的内存空间。
MPU6050与主控CC2541之间采用I2C通信协议来进行MPU6050传感数据的读取和对MPU6050传感器的寄存器的操作。
通过测试，这种颈部可穿戴设备能够成功的将颈椎的角度信息传递到手机APP上，并且当坐姿不正确或者已经久坐达到设定时间的时候，会通过震动提醒使用者调整坐姿或放松休息。
参考文献：
[1]周大鹏. 基于TI CC2540处理器的身姿监测可穿戴设备的研究与实现[D].吉林大学，2016.
[2]金纯，贾珍梅，刘鲁云，金洁.基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计[J].电视技术，2015，39（01）：60-64.
[3]杨永侠，杨琳.基于CC2430芯片的2.4GHz微带天线设计[J].电子科技，2011，24（09）：34-37+41.
作者简介：周心源，男，1997，汉族，学历：本科，单位：河海大学计算机与信息学院
关键词：颈椎病预防；可穿戴设备；CC2541；蓝牙低功耗
据2011年全国骨科年会统计北京颈椎病发病率调查：按目前北京市常住人口 1960 万人计算，该市颈椎病患病人数已突破260 万，大致相当于每10 名成人中有1 人患颈椎病。所以人们迫切需要一个能反映颈椎疲劳度，提醒人们保持正确坐姿、放松颈椎的颈部可穿戴设备。
该颈部可穿戴设备可实现以下功能：颈椎弯曲角度的测量、显示、记录；颈部弯曲达到疲劳时间时给予震动提醒和APP屏幕显示提醒；APP中可以显示经过拟合过的颈椎弯曲模型。
颈部可穿戴设备作为一个小巧方便的可穿戴设备，在硬件设计上保证功能完整的同时，亦要兼顾起大小和形状和设备功耗，才能满足可穿戴设备的要求。因此，我们组在进行硬件设计的时候，尽量选用体积小，功能集成度较高，功耗较低，性能合适的芯片和必要设备。硬件设计框图如下所示：
该颈部可穿戴设备选择了TI公司的CC2541作为主控MCU和蓝牙射频芯片。CC2541 是一款针对低能耗以及私有 2.4GHz 应用的功率优化的真正片载系统 （SoC） 解决方案。 它使得使用低总体物料清单成本建立强健网络节点成为可能。CC2541 将领先 RF 收发器的出色性能和一个业界标准的增强型 8051 MCU、系统内可编程闪存存储器、8kB RAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。CC2541 非常适合应用于需要超低能耗的系统。这由多种不同的运行模式指定。运行模式间较短的转换时间进一步使低能耗变为可能。
由于对颈部可穿戴设备体积的限制，我们选择了占用体积较小且较为成熟的PCB天线方案作为本作品的蓝牙射频发送和接收的天线。并且采用经典的巴伦电路进行50欧姆的阻抗匹配，使射频发送接收的效率达到最高。经过测试，本天线方案在室内能够有10m的传送距离，完全满足智能颈椎环的性能要求。
颈部可穿戴设备需要对人的颈部进行位置测量和监控，所以要用到陀螺仪模块作为角度传感器。我们选用了MPU6050芯片，MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。
颈部可穿戴设备的嵌入式软件设计是基于OSAL操作系统和蓝牙4.0协议栈的接口上进行开发的。整个软件实现了对MPU6050數据的采集和滤波处理、与手机蓝牙进行配对通信和一些必要的业务功能。本软件设计的框架结构如下图所示：
Bluetooth low energy作为CC2541的一个特色功能，可以进行低功耗的数据收发，其软件编程需要通过在OSAL的SDK和TI公司的蓝牙协议栈上进行开发。TI公司的蓝牙4.0协议定义了一系列的通信标准，使用蓝牙设备通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发。协议栈是协议的具体实现形式，以库的形式提供相应接口，以便于开发人员调用。
OSAL拥有一个轮询式的任务调度机制。OSAL任务需要登记任务入口和执行初始化任务初始化函数要设置任务ID，并且向OSAL发出一个任务启动事件编写任务函数时，一般是根据事件来编写处理代码。应注意到OSAL内核是轮询式的，没有维护系统时钟，所以，任务代码不能写成一个死循环，而要写成消息轮询的架构。
常用的事件有定时器事件和消息队列事件。在OSAL中，可以通过编程设施定时事件的触发，也就是说可以在设定的时间间隔触发某一事件交给任务函数处理。需要注意的是，编写定时任务代码时，最后要调用OSAL内核函数重新开始下一周期的定时。需要用到消息队列在任务见传递信息是时候，首先要申请一个用于任务间消息传递的内存空间，作为消息的容器，返回消息容器的指针后，调用发送消息的OSAL内核函数，可以触发消息处理的任务。注意在消息处理完成之后，需要调用OSAL内核函数销毁用于储存消息内容的内存空间。
MPU6050与主控CC2541之间采用I2C通信协议来进行MPU6050传感数据的读取和对MPU6050传感器的寄存器的操作。
通过测试，这种颈部可穿戴设备能够成功的将颈椎的角度信息传递到手机APP上，并且当坐姿不正确或者已经久坐达到设定时间的时候，会通过震动提醒使用者调整坐姿或放松休息。
参考文献：
[1]周大鹏. 基于TI CC2540处理器的身姿监测可穿戴设备的研究与实现[D].吉林大学，2016.
[2]金纯，贾珍梅，刘鲁云，金洁.基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计[J].电视技术，2015，39（01）：60-64.
[3]杨永侠，杨琳.基于CC2430芯片的2.4GHz微带天线设计[J].电子科技，2011，24（09）：34-37+41.
作者简介：周心源，男，1997，汉族，学历：本科，单位：河海大学计算机与信息学院