基于STM32的智能腰椎拉伸熱敷床墊設(shè)計(jì)

摘要：該床墊具有安全高效、智能化和人性化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在非手術(shù)腰椎健康改善的家居生活中可方便使用。

隨著現(xiàn)代工作壓力的不斷增加，久坐不動(dòng)逐漸成為上班族的常態(tài)。長(zhǎng)期坐在辦公室工作的人群，因身體長(zhǎng)時(shí)間處于一種姿態(tài)，使腰部肌肉組織相對(duì)于正常情況下更緊縮，從而導(dǎo)致腰部肌肉損傷或勞損^[1]。如此，脊柱的外源性平衡被破壞，進(jìn)而引發(fā)脊柱內(nèi)源性平衡喪失，最終導(dǎo)致腰椎間盤(pán)突出征（Lumbar Disc Herniation，LDH）的發(fā)生^[2]。

治療LDH 分為手術(shù)和非手術(shù)兩大類。手術(shù)治療因有創(chuàng)、住院費(fèi)高等特點(diǎn)，所以患者多傾向選擇非手術(shù)治療的保健預(yù)防為主。非手術(shù)治療手段主要包括推拿、牽引及腰部墊枕等，對(duì)于大部分的LDH 患者均能取得較好的療效^[3]，但各有利弊。具體而言，推拿治療LDH的手法多種多樣，不同的操作者可能產(chǎn)生不同的治療效果，在一定程度上影響了推拿治療LDH的規(guī)范化設(shè)計(jì)^[4]。牽引治療在臨床中被廣泛應(yīng)用，可有效的改善患者的癥狀，但需要在專業(yè)的醫(yī)生指導(dǎo)下進(jìn)行，對(duì)安全性要求較高^[5]。腰部墊枕治療腰椎間盤(pán)突出征, 方法簡(jiǎn)單，安全可靠，可以說(shuō)是行之有效的方法^[6]，但在腰部墊枕高度和舒適度等個(gè)性化定制方面，使用時(shí)不夠靈活。

針對(duì)當(dāng)前非手術(shù)治療中的不足，考慮到易用性和可實(shí)現(xiàn)性，本文設(shè)計(jì)一種具有動(dòng)態(tài)腰部拉伸熱敷功能的智能床墊。該床墊采用柔性氣囊調(diào)節(jié)和石墨烯熱敷技術(shù)，通過(guò)對(duì)床墊腰部區(qū)域柔性氣囊智能充放氣，擠壓推動(dòng)腰椎動(dòng)態(tài)上下拉伸牽引，同時(shí)結(jié)合石墨烯熱敷促進(jìn)血液循環(huán)，來(lái)達(dá)到改善和緩解LDH 的目的，區(qū)別于專業(yè)類腰椎健康改善方案，本設(shè)計(jì)主要面向非手術(shù)腰椎健康改善的生活場(chǎng)景。

1 智能腰椎拉伸熱敷床墊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

智能腰椎拉伸熱敷床墊工作原理：借鑒了懸吊牽引的優(yōu)點(diǎn)，將腰部懸吊改為可調(diào)式氣囊腰枕，并通過(guò)調(diào)控氣囊中的氣壓改變氣囊的形狀，來(lái)支撐頂擠腰部而發(fā)揮作用。當(dāng)腰部墊放氣囊充氣氣壓上升時(shí)，氣囊壁受內(nèi)壓作用而向四周膨脹產(chǎn)生頂擠力量支撐頂擠腰部上抬，使椎間隙被肌肉牽拉開(kāi)，從而減輕對(duì)神經(jīng)根的擠壓，使腰腿疼痛緩解或消失^[7]。當(dāng)氣囊在未充氣狀態(tài)下，整個(gè)氣囊處于扁平狀態(tài)，不影響用戶床墊的整體睡感。同時(shí)，腰部區(qū)域設(shè)計(jì)有石墨烯加熱片，加熱時(shí)可以產(chǎn)生6~15 μm 波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外波，有利于人體對(duì)熱能的吸收，從而起到增強(qiáng)理療及治療的功效^[8]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能腰椎拉伸熱敷床墊在結(jié)構(gòu)上充分考慮床墊舒適度和工藝實(shí)際需求^[9]，進(jìn)行了分層模組化設(shè)計(jì)：按鍵開(kāi)關(guān)安裝在頂層絎縫層和外套的側(cè)邊，方便用戶躺在床上時(shí)自然開(kāi)關(guān)操作；發(fā)熱片安裝在舒適層和絎縫層之間腰部區(qū)域位置，采用大小50x16cm柔性石墨烯發(fā)熱片，發(fā)熱功率15 W，可以兼顧腰部熱敷效果和異物感；腰部和腿部氣囊分別安裝在床墊腰部^[10] 和腿部區(qū)域位置，采用大小50 cm×17 cm，最大充氣高度10 cm 的熱塑性聚氨酯彈性體氣囊，可以解決其他類型材料硬度較高、不能適應(yīng)曲度增加后腰背部弧度等問(wèn)題；控制盒安裝于床墊尾部圍邊海綿上，內(nèi)置了充氣氣泵、電磁閥等控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)床墊拉伸熱敷功能的系統(tǒng)控制。床墊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 床墊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.3.1硬件總體設(shè)計(jì)

智能腰椎拉伸熱敷床墊的主控芯片采用STM 公司的STM32F030C8 單片機(jī)^[11]，其作為微控制單元(microcontroller unit，MCU)，并使用單片機(jī)自帶的SPI、USART、GPIO、定時(shí)器等資源，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2 所示。

外圍主要由按鍵和指示燈電路、flash 存儲(chǔ)電路、Wi-Fi 加藍(lán)牙二合一模塊電路、溫度檢測(cè)電路、加熱驅(qū)動(dòng)電路、氣壓采樣電路、電磁閥和氣泵驅(qū)動(dòng)電路等組成。MCU 通過(guò)采集氣囊氣壓數(shù)據(jù)，結(jié)合電磁閥和氣泵驅(qū)動(dòng)電路，控制電磁閥和氣泵的工作狀態(tài)，并根據(jù)用戶工作參數(shù)設(shè)置情況和人體工程學(xué)特點(diǎn)，進(jìn)行兩個(gè)氣囊的氣壓狀態(tài)變化控制。同時(shí)，通過(guò)溫度檢測(cè)電路，結(jié)合加熱驅(qū)動(dòng)電路，控制石墨烯發(fā)熱片的加熱狀態(tài)控制。

1.3.2 Wi-Fi加藍(lán)牙二合一模塊電路

為使此智能腰椎拉伸熱敷床墊系統(tǒng)的操作方式不局限于按鍵，同時(shí)可以支持和臥室內(nèi)其他智能產(chǎn)品之間的生態(tài)場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)，本文采用涂鴉智能科技的Wi-Fi加藍(lán)牙二合一模塊WBR3 來(lái)實(shí)現(xiàn)該床墊與手機(jī)App（Application，App）之間的互聯(lián)。此WBR3 模塊內(nèi)置了Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和豐富的庫(kù)函數(shù)，用戶可以基于這些開(kāi)發(fā)滿足自己需求的嵌入式Wi-Fi 產(chǎn)品，以及通過(guò)端到云的方式接入到涂鴉智能生態(tài)平臺(tái)。該通信模塊原理圖如圖3 所示。

1.3.3 氣壓采樣和電磁閥、氣泵驅(qū)動(dòng)電路

氣壓采樣電路通過(guò)XGZP040 和HX711^[12]采集氣囊氣壓數(shù)據(jù)。其中，XGZP040 是一款適用于生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的壓力傳感器，其核心部分是一顆利用MEMS技術(shù)加工的壓阻式壓力敏感芯片，氣壓采集范圍0~40kPa。HX711 是一款高精度24 位A/D 芯片，工作電壓范圍為2.6~5.5 V，該芯片具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單。系統(tǒng)通過(guò)XGZP040 采集氣囊氣壓數(shù)據(jù)，并通過(guò)HX711 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸給MCU，從而進(jìn)行氣囊氣壓的狀態(tài)采集控制。

電磁閥和氣泵驅(qū)動(dòng)電路采用了ULN2803A 驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是一款8 路NPN 達(dá)林頓晶體管矩陣，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，集成度高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用威能電子科技的WP45-24 氣泵對(duì)氣囊進(jìn)行充氣，同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到腿部氣囊支撐時(shí)，腰部氣囊動(dòng)態(tài)充放氣的需求，采用威能電子科技的WV330RB-24 斷電常閉型電磁閥進(jìn)行充放氣的通斷控制，該電磁閥額定工作電壓直流24 V，最大使用壓力范圍46.7 kPa，可以實(shí)現(xiàn)不同氣囊動(dòng)態(tài)充放氣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。該氣壓采樣和電磁閥、氣泵驅(qū)動(dòng)電路引腳圖如圖4 所示。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能腰椎拉伸熱敷床墊的軟件層面主要包括：驅(qū)動(dòng)模塊程序初始化、通信模塊程序初始化、功能模塊程序和報(bào)警模塊程序等。設(shè)備上電啟動(dòng)后，先對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊和通信模塊進(jìn)行程序初始化，進(jìn)入主程序循環(huán)，等待按鍵或App 下發(fā)的指令判斷工作模式是否啟動(dòng)，當(dāng)收到工作模式啟動(dòng)控制指令時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的工作模式，并周期性監(jiān)測(cè)設(shè)備電磁閥工作溫度，直至設(shè)置的工作時(shí)間到達(dá)、收到按鍵下發(fā)的停止控制指令、App 下發(fā)的停止控制指令，或電磁閥工作過(guò)熱時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的模式關(guān)閉工作，氣囊放空氣體，恢復(fù)床墊正常平整狀態(tài)。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖5 所示。

2 分析與討論

為了驗(yàn)證該智能腰椎拉伸熱敷床墊對(duì)腰椎健康改善度的影響，對(duì)12 名辦公久坐人群開(kāi)啟床墊拉伸熱敷功能15 mins 前后的豎背肌肌電信號(hào)均方根值(root mean square，RMS) 進(jìn)行了用戶測(cè)試[13]。本測(cè)試中RMS 選取靜坐3 mins 期間穩(wěn)定的60 s 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體測(cè)試數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)果如表1 所示。

分析表明，大部分用戶開(kāi)啟床墊拉伸熱敷功能后豎背肌肌電信號(hào)RMS 減小，表明放松度增加，無(wú)論是在個(gè)體，還是整體平均值分布上，均有明顯差異，表明該床墊對(duì)用戶腰部肌肉放松有明顯改善。

3 結(jié)束語(yǔ)

智能腰椎拉伸熱敷床墊整合了柔性氣囊動(dòng)態(tài)充放氣系統(tǒng)和石墨烯熱敷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了床墊和動(dòng)態(tài)腰椎拉伸牽引技術(shù)的有效融合，具有安全性高，使用簡(jiǎn)單，家居生活化等優(yōu)點(diǎn)。目前該床墊已通過(guò)企業(yè)驗(yàn)收，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作測(cè)試，能有效改善腰椎健康，具有較高的實(shí)用意義和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）