基于STM32的智能腰椎拉伸热敷床垫设计

作者：李建军,方永,段韩路,孙琪,李文文(喜临门家具股份有限公司,浙江绍兴 312000) 时间：2023-07-02 来源：电子产品世界

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编者按：针对当前腰椎间盘突出征非手术治疗方案存在的不足，设计了一种具有腰椎拉伸热敷功能的智能床垫。根据可调式气囊腰枕的工作原理，基于智能化和人性化的原则，采用STM32单片机作为主控芯片，从结构、硬件和软件3个方面，对床垫进行了创新性的系统设计。具体分析了床垫分层模组化结构设计，系统总体电路、通信电路、气压采样电路、电磁阀和气泵驱动电路硬件设计，以及床垫工作过程软件控制程序设计。床垫的拉伸热敷功能，可改善腰部竖背肌肌肉放松，缓解腰椎间盘突出症。

摘要：该床垫具有安全高效、智能化和人性化程度高等优点，在非手术腰椎健康改善的家居生活中可方便使用。

本文引用地址：//www.cazqn.com/article/202307/448201.htm

随着现代工作压力的不断增加，久坐不动逐渐成为上班族的常态。长期坐在办公室工作的人群，因身体长时间处于一种姿态，使腰部肌肉组织相对于正常情况下更紧缩，从而导致腰部肌肉损伤或劳损^[1]。如此，脊柱的外源性平衡被破坏，进而引发脊柱内源性平衡丧失，最终导致腰椎间盘突出征（Lumbar Disc Herniation，LDH）的发生^[2]。

治疗LDH 分为手术和非手术两大类。手术治疗因有创、住院费高等特点，所以患者多倾向选择非手术治疗的保健预防为主。非手术治疗手段主要包括推拿、牵引及腰部垫枕等，对于大部分的LDH 患者均能取得较好的疗效^[3]，但各有利弊。具体而言，推拿治疗LDH的手法多种多样，不同的操作者可能产生不同的治疗效果，在一定程度上影响了推拿治疗LDH的规范化设计^[4]。牵引治疗在临床中被广泛应用，可有效的改善患者的症状，但需要在专业的医生指导下进行，对安全性要求较高^[5]。腰部垫枕治疗腰椎间盘突出征, 方法简单，安全可靠，可以说是行之有效的方法^[6]，但在腰部垫枕高度和舒适度等个性化定制方面，使用时不够灵活。

针对当前非手术治疗中的不足，考虑到易用性和可实现性，本文设计一种具有动态腰部拉伸热敷功能的智能床垫。该床垫采用柔性气囊调节和石墨烯热敷技术，通过对床垫腰部区域柔性气囊智能充放气，挤压推动腰椎动态上下拉伸牵引，同时结合石墨烯热敷促进血液循环，来达到改善和缓解LDH 的目的，区别于专业类腰椎健康改善方案，本设计主要面向非手术腰椎健康改善的生活场景。

1 智能腰椎拉伸热敷床垫系统设计

1.1 系统工作原理

智能腰椎拉伸热敷床垫工作原理：借鉴了悬吊牵引的优点，将腰部悬吊改为可调式气囊腰枕，并通过调控气囊中的气压改变气囊的形状，来支撑顶挤腰部而发挥作用。当腰部垫放气囊充气气压上升时，气囊壁受内压作用而向四周膨胀产生顶挤力量支撑顶挤腰部上抬，使椎间隙被肌肉牵拉开，从而减轻对神经根的挤压，使腰腿疼痛缓解或消失^[7]。当气囊在未充气状态下，整个气囊处于扁平状态，不影响用户床垫的整体睡感。同时，腰部区域设计有石墨烯加热片，加热时可以产生6~15 μm 波长的远红外波，有利于人体对热能的吸收，从而起到增强理疗及治疗的功效^[8]。

1.2 系统结构设计

本文设计的智能腰椎拉伸热敷床垫在结构上充分考虑床垫舒适度和工艺实际需求^[9]，进行了分层模组化设计：按键开关安装在顶层绗缝层和外套的侧边，方便用户躺在床上时自然开关操作；发热片安装在舒适层和绗缝层之间腰部区域位置，采用大小50x16cm柔性石墨烯发热片，发热功率15 W，可以兼顾腰部热敷效果和异物感；腰部和腿部气囊分别安装在床垫腰部^[10] 和腿部区域位置，采用大小50 cm×17 cm，最大充气高度10 cm 的热塑性聚氨酯弹性体气囊，可以解决其他类型材料硬度较高、不能适应曲度增加后腰背部弧度等问题；控制盒安装于床垫尾部围边海绵上，内置了充气气泵、电磁阀等控制系统，用于实现对床垫拉伸热敷功能的系统控制。床垫系统结构如图1所示。

图1 床垫系统结构设计

1.3 系统硬件设计

1.3.1硬件总体设计

智能腰椎拉伸热敷床垫的主控芯片采用STM 公司的STM32F030C8 单片机^[11]，其作为微控制单元(microcontroller unit，MCU)，并使用单片机自带的SPI、USART、GPIO、定时器等资源，以满足系统设计需求。

系统硬件设计如图2 所示。

外围主要由按键和指示灯电路、flash 存储电路、Wi-Fi 加蓝牙二合一模块电路、温度检测电路、加热驱动电路、气压采样电路、电磁阀和气泵驱动电路等组成。MCU 通过采集气囊气压数据，结合电磁阀和气泵驱动电路，控制电磁阀和气泵的工作状态，并根据用户工作参数设置情况和人体工程学特点，进行两个气囊的气压状态变化控制。同时，通过温度检测电路，结合加热驱动电路，控制石墨烯发热片的加热状态控制。

1.3.2 Wi-Fi加蓝牙二合一模块电路

为使此智能腰椎拉伸热敷床垫系统的操作方式不局限于按键，同时可以支持和卧室内其他智能产品之间的生态场景联动，本文采用涂鸦智能科技的Wi-Fi加蓝牙二合一模块WBR3 来实现该床垫与手机App（Application，App）之间的互联。此WBR3 模块内置了Wi-Fi 网络协议栈和丰富的库函数，用户可以基于这些开发满足自己需求的嵌入式Wi-Fi 产品，以及通过端到云的方式接入到涂鸦智能生态平台。该通信模块原理图如图3 所示。

1.3.3 气压采样和电磁阀、气泵驱动电路

气压采样电路通过XGZP040 和HX711^[12]采集气囊气压数据。其中，XGZP040 是一款适用于生物医学等领域的压力传感器，其核心部分是一颗利用MEMS技术加工的压阻式压力敏感芯片，气压采集范围0~40kPa。HX711 是一款高精度24 位A/D 芯片，工作电压范围为2.6~5.5 V，该芯片具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，且与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单。系统通过XGZP040 采集气囊气压数据，并通过HX711 转换成数字信号传输给MCU，从而进行气囊气压的状态采集控制。

电磁阀和气泵驱动电路采用了ULN2803A 驱动芯片，该芯片是一款8 路NPN 达林顿晶体管矩阵，具有电路设计简单，集成度高等优点。系统采用威能电子科技的WP45-24 气泵对气囊进行充气，同时，系统设计时考虑到腿部气囊支撑时，腰部气囊动态充放气的需求，采用威能电子科技的WV330RB-24 断电常闭型电磁阀进行充放气的通断控制，该电磁阀额定工作电压直流24 V，最大使用压力范围46.7 kPa，可以实现不同气囊动态充放气的产品设计需求。该气压采样和电磁阀、气泵驱动电路引脚图如图4 所示。

1.4 系统软件设计

智能腰椎拉伸热敷床垫的软件层面主要包括：驱动模块程序初始化、通信模块程序初始化、功能模块程序和报警模块程序等。设备上电启动后，先对驱动模块和通信模块进行程序初始化，进入主程序循环，等待按键或App 下发的指令判断工作模式是否启动，当收到工作模式启动控制指令时，执行对应的工作模式，并周期性监测设备电磁阀工作温度，直至设置的工作时间到达、收到按键下发的停止控制指令、App 下发的停止控制指令，或电磁阀工作过热时，执行对应的模式关闭工作，气囊放空气体，恢复床垫正常平整状态。系统软件工作流程图如图5 所示。

2 分析与讨论

为了验证该智能腰椎拉伸热敷床垫对腰椎健康改善度的影响，对12 名办公久坐人群开启床垫拉伸热敷功能15 mins 前后的竖背肌肌电信号均方根值(root mean square，RMS) 进行了用户测试[13]。本测试中RMS 选取静坐3 mins 期间稳定的60 s 数据进行分析，具体测试数据及相关结果如表1 所示。