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可攜式手腕照護球
第十一屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 許永和、林俊良等】   2017年10月18日 星期三

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手腕上最常見的一種症狀“腕隧道症候群”,本來是一種常見的職業病,但隨著科技的日新月異,電腦、智慧型手機幾乎人人都有,漸漸地使此症狀也開始好發於青少年族群。創作動機為改善現代人過度使用3C產品所造成的手部疼痛、麻鈍和刺痛感,預防勝於一切,透過本作品來達到減低症狀,同時減少手腕發生永久性傷害的危險性。


本作品「可攜式手腕照護球」,主要設計對象是以腕隧道症候群者為重點相關開發。我們以多種感測器並搭配可攜式手腕照護球與手機應用程式,讓使用者可透過自行設計的應用程式記錄每日的使用狀況。主要讓使用者即使忙於工作、沉迷於遊戲,也不會忘記自己手腕的健康。且由外型包裝設計,讓本作品可以當裝飾品,也可以隨身攜帶著,具有不佔空間的特性。


前言

腕隧道症候群(Carpal tunnel syndrome),是指手上的正中神經在經過手腕處,會穿過由腕骨與韌帶圍成的「腕隧道」,受到位於神經上方的韌帶壓迫所造成的臨床症狀。而所謂的正中神經是指支配大拇指動作與支配大拇指、食指、中指,以及一部份無名指感覺的神經[1-4]。如圖1所示,為腕隧道症候群示意圖。


圖1 : 腕隧道症候群示意圖[1-4]
圖1 : 腕隧道症候群示意圖[1-4]

即便大多數的人都知道如何避免,且市面上也有許多手腕紓壓的醫療商品,但因工作的繁忙、沉迷於遊戲等種種理由,而往往忘記、忽略掉自己手腕的健康。等到手腕撐不住的時候才開始後悔沒預防,最後反而要花更多時間和金錢治療。


本作品「可攜式手腕照護球」以生活保健為目的,並結合了體感技術,更加入本團隊自行設計之手機應用程式,透過感測器來抓取運動的狀態,讓使用者不會再是單純在運動上,更可以藉由此方式來達到趣味的人機互動。


工作原理

「可攜式手腕照護球」分為可攜式手腕照護球實體與手機應用程式等兩部分,且兩者透過藍牙無線傳輸方式來溝通。其中,可攜式手腕照護球內部裝有加速度計、陀螺儀、電子羅盤、心率感測器與紅外線體溫感測器等五種感測器。


以下,介紹其相關工作原理:


加速度計特性與原理

加速度計顧名思義就是偵測地球重力g的大小及動作方向,而將加速度計擺水平時,會有1g的地心引力會在Z軸。而隨著改變裝置的同時,g值會在不同軸向做變化,就可以知道姿態的變換。也因為這個特性,在加速度計靜止時,可以藉由arcSin/ arcCos的公式運算出傾斜角度,這個傾斜角度可以延伸出更多的應用。


陀螺儀特性與原理

陀螺儀是由高速旋轉剛體轉軸構成的儀器,旋轉轉軸在空間能保持固定狀態並抗拒一切使其改變的力,所以水平的陀螺儀將保持一定的方向。一物體旋轉時,繞著任何固定軸來旋轉,如果沒有固定軸物體就會繞其質心旋轉。而使物體旋轉必須要有一偏力,此力不可通過旋轉軸,且偏力會產生一力矩,力矩是力與力臂的乘積,而力臂是力的作用延長線到旋轉軸的垂直距離。


電子羅盤特性與原理

電子羅盤內部的原理結構為非等方性磁性阻抗(Anisotropic Magnetic Resistance--AMR)。對於磁阻感測器最新的成長的市場是用在磁帶和磁帶驅動器中的高密度讀取頭。相關的應用包括車輪速的測量、羅盤方向或是車輛檢測等。


地球磁場的強度為0.5至0.6高斯,可以簡化成雙極性磁場示意圖。雙極性磁場相當於沿著地球中心有一個大磁鐵。磁極相對與地理的兩極存在著一個約11.5 度的夾角。磁場的南極代表著地理的北極。地磁場方向在北半球指向下,在赤道平行,在南半球指向上。這一全球性的變化被稱作磁傾角(Dip Angle),定義為磁場和當地水平面之間的夾角。磁傾角會隨緯度變化來改變,變化範圍為+/-90度。


心率感測器特性與原理

如圖2所示,為光體積變化掃描圖。當光在穿過人體時會被不同的組織吸收衰減,人體的組織組成假定應該是固定的,因此光的衰減量應該是固定的。但血管中的血液會隨著心臟的跳動有明顯的體積變化,此一周期性的體積變化就會產生不一樣的衰減量。因此,當光穿透皮膚的組織時,我們藉著觀察光的強度衰減,可以得到一個具有周期性、上下起伏的波形圖。如假定這個波形是穩定的,我們將此波形中,波峰與波峰間的間隔時間除以60就可以簡單得到我們每分鐘的心跳數[10]。



圖2 : 光體積變化掃描圖[9]
圖2 : 光體積變化掃描圖[9]

紅外線體溫感測器特性與原理

感測器部分採用數位紅外線感測器MLX90615,主要由紅外線熱電堆感測器、低雜訊放大器、16位類比數位轉換器和功能強大的DSP單元等組成。如圖3所示,為MLX90615的結構示意圖。紅外熱電堆感測器將擷取到的紅外線輻射轉化為電壓,並經過低雜訊放大器放大後送給類比數位轉換器。類比數位轉換器輸出的數位信號經FIR/IIR低通濾波器濾波後,再送入數位信號處理器。數位信號處理器對數位信號運算處理後輸出測量結果,並保存在MLX90615內部RAM中。而盛群微控制器可以透過SMBust串列介面或PWM控制方式來來讀取紅外線體溫數值。



圖3 : MLX90615的結構示意圖[11]
圖3 : MLX90615的結構示意圖[11]

藍牙特性與原理

藍牙技術運作的原理主要是運用跳頻展頻技術(Frequency Hopping Spread Spectrum -- FHSS)方式,使藍牙晶片的兩端,以某一特定形式的窄頻載波同步地在2.4MHz頻帶上傳送訊號。


如圖4所示,為藍牙通訊協定階層圖。


藍牙通訊協定主要分為Radio、Baseband,Link Manager、L2CAP、HCI及Application Framework等部分。其中,Radio主要負責頻率的合成及雜訊過濾,Baseband主要處理訊息編碼,碼錯誤重送及跳頻機制等工作。LinkManager負責有關Link的建立、釋放,甚至於保密等工作。L2CAP主要負責不同通訊協定的多工處理、封包的切割及重組及服務品質等。最後,HCI則提供藍牙與Host之間的介面控制,為一種與硬體無關的標準控制命令。


圖4 : 藍牙通訊協定階層圖[12]
圖4 : 藍牙通訊協定階層圖[12]

作品結構

如圖5所示,為可攜式手腕照護球系統方塊圖。手腕照護球內部使用九軸感測器(加速度、陀螺儀、電子羅盤)、心率感測器與體溫感測器等五種感測器。



圖5 : 可攜式手腕照護球系統方塊圖
圖5 : 可攜式手腕照護球系統方塊圖

盛群微控制器HT66F70A透過藍牙模組將感測器資料傳送至智慧型手機上進行運算,並提供使用者測量體溫與脈搏狀態。此外,利用九軸感測器的數值變化,讓使用者能利用遊戲來做手部的復健動作。而自行設計的電路裡包括電池充電器IC,因此,可以使用USB來為手腕照護球內部的鋰電池充電,即使出門在外也能帶在身邊。


本作品「可攜式手腕照護球」,採用一顆盛群微控制器HT66F70A,其中用到的九軸感測器及紅外線體溫感測器MLX90615,HT66F70A使用I2C作為通訊介面。I2C是一種用於IC元件間連接的二線制I2C。如圖6所示,為I2C傳輸示意圖。其中,透過串列資料線 (SDA)及串列時脈線(SCL)連到I2C上傳送資料。



圖6 : I2C傳輸示意圖
圖6 : I2C傳輸示意圖

此外,脈搏感測器XD58C利用類比數位轉換器(Analog-to-digital converter, ADC),將類比形式的連續訊號轉換為數位形式的離散訊號。如圖7所示,為ADC轉換示意圖。ADC經常用於通訊、儀器和測量以及電腦系統中,可方便數位訊號處理和資訊的儲存。



圖7 : ADC轉換示意圖
圖7 : ADC轉換示意圖

而藍牙無線模組(HM13)透過微控制器的I/O來模擬通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART),將感測器的數值運算後傳至手機應用程式上作分析。


如圖8所示,為可攜式手腕照護球實體圖。其中,使用鋰電池進行供電,將體溫、脈搏與九軸感測器放置球內,透過藍牙與手機進行互動遊戲,一邊也能從脈搏與體溫頁面來查詢使用者當前的身體狀況。



圖8 : 可攜式手腕照護球實體圖
圖8 : 可攜式手腕照護球實體圖

如圖9所示,為可攜式手腕照護球的PCB電路示意圖,此外,我們加入了鋰電池充電器TP4057,讓可攜式手腕照護球能夠透過USB進行供電並為鋰電池進行充電。因此,在拔除USB插槽後,也可以使用鋰電池繼續供電。



圖9 : 可攜式手腕照護球PCB電路示意圖
圖9 : 可攜式手腕照護球PCB電路示意圖

手機端應用程式以實用型應用程式為出發點,可分析可攜式手腕照護球數據,與使用者進行遊戲互動,並記錄使用者日常的身體狀況與運動量,提醒使用者適度的運動與休憩。因此,可作為量身打造私人的健康守門員。圖10為手機軟體流程圖,根據手機的功能,可攜式手腕照護球會回傳相關感測器之數值,手機應用程式再進行分析後提供給使用者。



圖10 : 手機軟體流程圖
圖10 : 手機軟體流程圖

測試方法

由於HT66F70A本身並沒有支援I2C協定,因此,我們採用GPIO模擬I2C來實現微控制器與其他硬體元件之間的溝通。


如圖11所示,為九軸感測器陀螺儀數值示意圖。其中,我們使用數位邏輯分析儀抓取HT66F70A存取九軸感測器陀螺儀實際情況。0x68為九軸感測器的I2C位置,陀螺儀一共分為X、Y與Z三軸,每軸皆有16位元的資料,需拆分為兩部分讀取,暫存器位置從0x3B開始到0x40為止。



圖11 : 九軸感測器陀螺儀數值示意圖
圖11 : 九軸感測器陀螺儀數值示意圖

HT66F70A存取體溫感測模組實際情況:0x5B為其I2C位置,而0x27則是資料暫存器位置。圖12為藍牙UART接收示意圖。其中,手機端應用程式發送要求信號後,可攜式手腕照護球便會將分析過後的感測器數值回傳。



圖12 : 藍牙UART接收示意圖
圖12 : 藍牙UART接收示意圖

基本上,藍牙分成被動的Server端和主動的Client端2種,我們將行動裝置設為Client端,藍牙模組設為Server端後。首先,必須檢查手機是否已開起藍牙設備,假如沒有啟動則要求使用者開啟,之後掃描周遭環境是否有藍牙設備,顯示周遭藍牙的名稱與裝置位址,等待使用者選擇藍牙設備後即可成功連線。


如圖13所示,為手機藍牙連線收發示意圖。其中,測試藍牙模組與手機互相傳值,以十六進制作為顯示,手機傳值的部分透過按鈕做為觸發條件,按下傳送後上方的資料即時傳送給藍牙模組。手機收值是即時接收藍牙模組所傳出的資料,同樣是以十六進制來表示。



圖13 : 手機藍牙連線收發示意圖
圖13 : 手機藍牙連線收發示意圖

至於手機體溫與心率測量,透過藍牙模組手機端可以隨時接收感測器的數據,並且將數據保存於手機資料庫供日後觀看。


結論

本作品「可攜式手腕照護球」是針對容易得到腕隧道症候群者為重點所研究設計的。其中,透過多種感測器來整合至可攜式手腕照護球內部,並搭配手機應用程式,讓使用者可透過自行設計的應用程式記錄每日的使用狀況。如此,可以避免使用者得到腕隧道症候群。


(本文作者許永和1、林俊良2、吳建儒3、江志賢4為國立虎尾科技大學資訊工程系1教授及2-4學生)


參考文獻

[1] 腕隧道症候群維基百科


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] 腕隧道症候群簡介


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


[3] 腕隧道症候群預防方式


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] 腕隧道症候預防運動示範


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


[5] 加速度感測器與電子羅盤原理


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


[6] MEMS陀螺儀的簡單校正


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


[7] 陀螺儀簡介


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


[8] 地球磁場簡介


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


[9] 光學式心跳量測簡介


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


[10] 心率感測原理


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


[11] 數位紅外線感測器MLX90615


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


[12] 藍牙協定https://www.ctimes.com.tw/art/print.asp?O=HJYCA8KR00KARASTD1


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