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摘要：近些年来，我国青少年的近视率逐年攀升，近视人群也在逐渐向低龄化发展，近视已经成为一个较为严重的社会健康问题。本文针对青少年近视的主要原因，从预防近视的角度设计和实现了一种基于MPU6050传感器和MSP430单片机的防近视提醒系统，该系统通过对采集到的加速度和角度信号进行阈值分析，并结合头部运动算法来判断青少年的坐姿行为，及时提醒儿童坐姿不正的行为，还可以通过蓝牙4.0模块将坐姿信息传输到智能手机APP中，长期监测和分析儿童的坐姿行为模式，进而给予合理的建议和帮助来预防近视。
关键词：防近视系统；MPU6050；MSP430；阈值；加速度；角度
1 系统构架设计
本系统由数据采集和分析模块及手机APP两部分组成：第一部分包括传感器MPU6050、主处理器MSP430和蓝牙4.0模块，戴在儿童耳朵上，当检测到佩戴者坐姿不正时震动提醒改正，并存储记录相应次数和时间；第二部分由android智能手机构成，启动APP后，智能手机和蓝牙匹配，将单片机中存储的坐姿数据传输到手机中，进而进行分析和建议。本系统结构如图1所示。
1.1 主控制器MSP430
TI公司的MSP430G2553单片机具有3种超低功耗模式和5种节能模式，工作频率最高可达16MHz的工作频率，同时具有超低的电源电压范围（1.8V～3.6V），内置两个16位定时器，一个通用串行通信接口，内置A/D转换器。非常适用于低功耗、小体积的设计应用。
1.2 新型MEMS传感器MPU6050
MPU6050为全球首款整合了三轴陀螺仪与三轴加速计的新型MEMS传感器，可以同时采集在X、Y和Z方向的加速度和角速度信号，解决了以往陀螺仪与加速度计组合使用时容易产生轴间差的问题，降低了传感器自身的漂移影响，并减轻了复杂的数据融合算法和操作系统负载的运动处理过程。它和MSP430单片机之间的通信采用400KHz的IIC接口，其供电电压范围为5V。
1.3 蓝牙4.O模块
蓝牙4.0技术相较于前一代，主要的进步为超低功耗、免配对密码、可以多连等，其运行功耗和待机功耗特别低。本系统采用的蓝牙无线通信模块是基于TI公司的CC2540低功耗蓝牙SOC芯片开发的，支持IOS和android手机通信，主从一体，支持在线固件升级，可以无缝运行TI的BLE协议栈，使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频，可以最大程度地减少和其他2.4GHz频段无线技术的串扰，传输速度快、延迟短、健壮性强，主控制更加智能，可以休眠更长时间，只在需要执行动作的时候才唤醒。
2 坐姿检测算法
在静止情况下，加速度计有一个垂直向下的加速度g，当用户阅读时，头会自然倾斜，与静止状态时的加速度会有一个夹角，以此来判断用户的姿势是否正确。对于加速度的信息处理，主要通过设计滤波器来实现。出于对软件日后的升级维护以及可移植性方面的考虑，整体软件设计采用“分层”的技术方案。
加速度可以被看作是一个被三轴加速度传感器所收集的三维矢量，可以表示在空间直角坐标系中，而X、Y、Z轴表示加速度的方向。由于重力方向的头部中心是不可预测的，并且单方向的加速度不能判断坐姿情况，因此阈值算法的判断基础是基于合成加速度（SVM）的。该SVM表示为：
该SVM是只与运动强度有关，与方向无关的加速度幅值。为了减少误判，只根据加速度信号不能准确地判断坐姿情况。
若只通过加速度计检测佩戴者3个正交方向上的加速度变化，可以由数据分析来确定佩戴者的头部偏移情况，但这种方法的缺点在于作为判断依据的有效信息单一，系统抗干扰性差，容易发生误判。故采用单一的合加速度阈值判断具有单一性，为提高检测精度，降低误判率，引入陀螺仪的角度参数作为二次判断。
MPU6050可以同时并且实时收集头部的三轴加速度和角速度的变化，头部和竖直面之间的角度可以通过积分角速度得到，而且传感器的输出为数字数据，可以直接传送到单片机中进行处理，不需要进行A/D转换，可以减小系统的功耗和体积。
3 结束语
本文属于原理设计，是根据市场上已有的防瞌睡提醒器和老人跌倒监测系统设计出的一种基于MPU6050的使用模型。当儿童正确佩戴防近视提醒器后，单片机MSP430根据MPU6050采集到的加速度和角度信号进行阈值分析，再结合运动姿态识别算法，动态实时地正确判定儿童坐姿状态，并滤除走动、摇头等正常活动情况，进而做出忽略或提醒改正的响应。此外，还能通过蓝牙4.0模块将坐姿信息传输到智能手机APP中，长期监测和分析儿童的坐姿行为模式，进而给予合理的建议和帮助来预防近视，具有一定的现实意义。
关键词：防近视系统；MPU6050；MSP430；阈值；加速度；角度
1 系统构架设计
本系统由数据采集和分析模块及手机APP两部分组成：第一部分包括传感器MPU6050、主处理器MSP430和蓝牙4.0模块，戴在儿童耳朵上，当检测到佩戴者坐姿不正时震动提醒改正，并存储记录相应次数和时间；第二部分由android智能手机构成，启动APP后，智能手机和蓝牙匹配，将单片机中存储的坐姿数据传输到手机中，进而进行分析和建议。本系统结构如图1所示。
1.1 主控制器MSP430
TI公司的MSP430G2553单片机具有3种超低功耗模式和5种节能模式，工作频率最高可达16MHz的工作频率，同时具有超低的电源电压范围（1.8V～3.6V），内置两个16位定时器，一个通用串行通信接口，内置A/D转换器。非常适用于低功耗、小体积的设计应用。
1.2 新型MEMS传感器MPU6050
MPU6050为全球首款整合了三轴陀螺仪与三轴加速计的新型MEMS传感器，可以同时采集在X、Y和Z方向的加速度和角速度信号，解决了以往陀螺仪与加速度计组合使用时容易产生轴间差的问题，降低了传感器自身的漂移影响，并减轻了复杂的数据融合算法和操作系统负载的运动处理过程。它和MSP430单片机之间的通信采用400KHz的IIC接口，其供电电压范围为5V。
1.3 蓝牙4.O模块
蓝牙4.0技术相较于前一代，主要的进步为超低功耗、免配对密码、可以多连等，其运行功耗和待机功耗特别低。本系统采用的蓝牙无线通信模块是基于TI公司的CC2540低功耗蓝牙SOC芯片开发的，支持IOS和android手机通信，主从一体，支持在线固件升级，可以无缝运行TI的BLE协议栈，使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频，可以最大程度地减少和其他2.4GHz频段无线技术的串扰，传输速度快、延迟短、健壮性强，主控制更加智能，可以休眠更长时间，只在需要执行动作的时候才唤醒。
2 坐姿检测算法
在静止情况下，加速度计有一个垂直向下的加速度g，当用户阅读时，头会自然倾斜，与静止状态时的加速度会有一个夹角，以此来判断用户的姿势是否正确。对于加速度的信息处理，主要通过设计滤波器来实现。出于对软件日后的升级维护以及可移植性方面的考虑，整体软件设计采用“分层”的技术方案。
加速度可以被看作是一个被三轴加速度传感器所收集的三维矢量，可以表示在空间直角坐标系中，而X、Y、Z轴表示加速度的方向。由于重力方向的头部中心是不可预测的，并且单方向的加速度不能判断坐姿情况，因此阈值算法的判断基础是基于合成加速度（SVM）的。该SVM表示为：
该SVM是只与运动强度有关，与方向无关的加速度幅值。为了减少误判，只根据加速度信号不能准确地判断坐姿情况。
若只通过加速度计检测佩戴者3个正交方向上的加速度变化，可以由数据分析来确定佩戴者的头部偏移情况，但这种方法的缺点在于作为判断依据的有效信息单一，系统抗干扰性差，容易发生误判。故采用单一的合加速度阈值判断具有单一性，为提高检测精度，降低误判率，引入陀螺仪的角度参数作为二次判断。
MPU6050可以同时并且实时收集头部的三轴加速度和角速度的变化，头部和竖直面之间的角度可以通过积分角速度得到，而且传感器的输出为数字数据，可以直接传送到单片机中进行处理，不需要进行A/D转换，可以减小系统的功耗和体积。
3 结束语
本文属于原理设计，是根据市场上已有的防瞌睡提醒器和老人跌倒监测系统设计出的一种基于MPU6050的使用模型。当儿童正确佩戴防近视提醒器后，单片机MSP430根据MPU6050采集到的加速度和角度信号进行阈值分析，再结合运动姿态识别算法，动态实时地正确判定儿童坐姿状态，并滤除走动、摇头等正常活动情况，进而做出忽略或提醒改正的响应。此外，还能通过蓝牙4.0模块将坐姿信息传输到智能手机APP中，长期监测和分析儿童的坐姿行为模式，进而给予合理的建议和帮助来预防近视，具有一定的现实意义。