膝盖智能保护实时监测系统设计

蔡雄友　阮太元　周昊　陈虹安

摘要：针对人们对膝盖健康监测设备的需求，设计了一种智能保护膝盖的实时监测系统。系统以ARM处理器STM32F407为控制与信号处理核心，通过对加速度和压力传感器等多种传感器采集的信号进行实时处理和分析，获取运动状态下膝盖的压力及疲劳信息，可实时LCD液晶显示和语音提示膝盖信息，完成人机交互功能。此外，监测数据和信息可本地存储和通过WiFi发送给手机终端和云服务管理端。实验证明，该设计的监测数据准确可靠。

关键词：膝盖健康监测；STM32F407；WiFi；云服务

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0171-02

近年来，随着人们物质生活水平的不断提高，人们对身体健康的要求也在提高。人们喜欢运动，如跑步、登山，但在运动之前没有做准备活动或运动量太大，可造成关节疼痛。特别是身患关节滑膜炎或骨性关节炎的人，更容易引起关节疾病发作或加重。如何实现对人们膝盖劳损的情况进行实时监测是现今亟须解决的问题。针对现阶段对膝盖健康监测设备的需求，本文提出了一种基于云服务和移动终端相结合的低成本、实用性强的智能膝盖实时监测系统。

1 系统工作原理

本设计主要包括膝盖保护终端、移动实时监测终端和云服务管理端三大模块，如图1所示。膝盖保护终端采用嵌入式系统、无线通信、传感器检测、语音提示和LCD显示等技术，实现运动员在运动的过程中，柔性压力传感器检测运动员的膝盖肌肉及关节的数据，通过嵌入式系统对该数据进行分析与处理，从而得到相应的膝盖承受安全指数信息，接着，该终端把膝盖信息实时语音和LCD显示提醒运动员。同时，通过无线通信技术，该终端把运动员运动状态的膝盖信息实时传输给移动实时监测终端，移动实时监测终端再把信息发送给其他用户，以及记录该数据，并把信息传输到云服务管理端，以供相关专业人士进行分析，以及信息反馈，也把相关信息传输给使用者的家人或朋友。

2 系统硬件设计

本系统设计的硬件部分主要是膝盖保护终端，该终端的具体包含的硬件模块如图2所示。系统核心使用ST意法半导体公司的32位低功耗STM32F407ZET6芯片，该芯片具有强大的硬件功能，如SCI、SPI等，且运行速度快，较好地满足系统要求；无线通信模块使用通信稳定、低功耗的WiFi模块和蓝牙模块，系统使用该WiFi模块实现膝盖保护终端与移动实时监测终端和云服务管理端通信，而蓝牙模块用于膝盖端的检测系统与显示模块进行无线通信；电源模块包括可充电的锂电池和3.3V供电的稳压模块，该模块为系统提供稳定的电能。语音提示模块包括JQ8900语音模块和扬声器，在系统实时监测过程中，起到语音预警功能。传感器监测模块主要由压力传感器、MPU-6050加速度传感器和信号调理电路组成，该模块有效采集人在运动时膝盖的劳损信息；使用LCD液晶作为显示模块，该模块还包含蓝牙无线通信模块，主要作为智能手表，在使用时，才能方便地观看到膝盖信息。

3 系统软件设计

软件设计主要包括膝盖保护终端、移动实时监测终端和云服务管理端。膝盖保护终端的程序设计流程如图3所示，程序系统初始化，主要是嵌入式系统与无线通信模块、语音提示模块、传感器检测模块和显示模块之间的程序初始化。系统在运行之后，传感器检测模块先采集膝盖挤压和弯曲程度数据，嵌入式系统通过算法分析与处理采集到的数据，判断采集到的数据是否超过膝盖劳损安全系数，如果超过，则通过语音和LCD显示告知使用者，否则，继续采集膝盖的状态。无论采集的数据是否超过膝盖劳损安全系数，系统都无线传输采集得到的信息给移动实时监测终端和云服务管理端。

移动实时监测终端使用android平台开发，可用于手机移动终端，界面能实时监测使用者的膝盖状态。云服务管理端以网页的形式监测使用者的膝盖状态，并保存膝盖保护终端的实时信息，第三方可以通过网页了解使用者的膝盖信息，同时，也可以共享信息。

4 结语

本文提出了一种智能保护膝盖的实时监测系统。该系统主要由膝盖保护终端、移动实时监测终端和云服务管理端三大模块组成。膝盖保护终端以ARM处理器STM32F407為控制与信号处理核心，通过对多种传感器采集的信号进行实时处理和分析、信息显示和语音提示等功能。系统使用WiFi作为膝盖保护终端与移动实时监测终端和云服务管理端之间的无线通信。系统基本满足应用市场的人性化需求。实验表明，该系统提供的膝盖劳损预警参数准确，具有较好的应用前景。

参考文献

[1]曾磊，张海峰，侯维岩.基于WiFi的无线测控系统设计与实现[J].电测与仪表，2011，v.48；No.54707：81-83+96.

[2]杨洪涛，王英卓，杜娟.基于Android平台的WIFI控制系统的设计与实现[J].北京工业职业技术学院学报，2016，v.15；No.5803：10-16.