穿戴式智能按摩儀控制模塊設計及實現

黎裕達， 鐘敦華， 許純菲， 陳依桐， 李建華

（上海健康醫學院醫療器械學院， 上海 201318）

0 引 言

隨著時代的高速發展，快節奏的生活方式使許多年輕人的身體狀況呈現亞健康狀態。 亞健康是指機體沒有器質性病變指標，但卻呈現出免疫力下降、生理功能低下、活力降低、適應能力不同程度減退的一種生理、心理狀態［1］。 大多以疲乏無力困倦、腰膝酸軟、情緒低落、睡眠障礙、注意力不集中、記憶力下降等為主要癥狀，嚴重影響了人們的工作、生活和學習效率。 亞健康狀態已成為當今社會威脅人類健康的隱形殺手，成為醫學研究的熱點問題［2］。 亞健康的治療方法主要有運動療法、物理療法等，其中按摩治療具有較好的效果［3］。

隨著人們對健康狀況的關注不斷增強，穿戴式按摩儀作為一種重要的健康管理產品，得到了廣泛的應用和關注。 國內外市場上已經有許多廠商生產和銷售穿戴式按摩儀產品。 其中，國內市場上穿戴式按摩儀的主要品牌有百思圖、寶貝家和天天向上等；國外市場上穿戴式按摩儀的主要品牌有SIXPAD、Theragun 和Hyperice 等等。

通過調研分析發現，雖然市場上已有很多的品牌，但還不同程度的存在一些問題。 例如：產品的橡膠質量不佳，使用壽命較短，電池容量不足等等［4-5］。 未來產品的研發方向應該是逐步實現智能化，提高產品的安全性、舒適性和使用壽命，進一步滿足消費者的需求，從而在市場上更加占有優勢。在整個穿戴式按摩儀的設計和開發中，其核心部分的智能控制模塊，占有非常重要的地位。 本文設計的穿戴式按摩儀的智能控制模塊，采用單片機等低功耗元器件，使用智能設備原有的藍牙模塊與單片機實現藍牙通信，達到無線測控的目的，使得按摩儀的安全性能高、隱蔽性好，且能夠智能控制、操作簡單。

1 系統設計

1.1 總體結構

本穿戴式按摩儀智能控制模塊的構建由硬件和軟件兩部分組成。 其中，硬件結構以51 單片機為核心，主要包括藍牙模塊、LED 顯示模塊、繼電器模塊、電路控制模塊等4 部分；軟件部分從內容上主要包含下位機程序、上位機程序（手機APP 程序）部分［6-8］，系統架構如圖1 所示。

圖1 系統架構Fig. 1 System architecture diagram

使用者進入安裝在智能設備（如智能手機、平板電腦等）上的APP，點擊需要進行電刺激按摩的穴位，APP 生成控制指令，控制指令由智能設備通過藍牙連接發送到按摩儀的電路控制模塊，由單片機解析指令，控制按摩儀相應穴位點發出電刺激進行按摩［9-10］。

1.2 設計思路

穿戴式按摩儀智能控制模塊的功能由上位機和下位機協作完成。 上位機使用Android Studio 軟件作為開發環境，實現APP 通過智能設備自帶的藍牙搜索功能來連接單片機，連接成功后，通過APP 發送指令到單片機，單片機進行相應的回應。 下位機使用單片機搭載藍牙功能模塊，可發送藍牙信號、接收藍牙信號，實現接收上位機發出的信號，由單片機解析指令，控制相應電路開始工作。

2 模塊開發與實現

2.1 上位機應用設計

系統中上位機應用部分采用原生態Android 開發，主要包括藍牙配置、按摩部位控制、按摩強度控制和藍牙通信API 模塊。 如圖2 所示，上位機功能包含如下子模塊：

圖2 上位機功能模塊圖Fig. 2 Functional module diagram of the upper control computer

（1）藍牙配置模塊主要負責藍牙通訊鏈路的建立和維護。 在APP 中，藍牙配置模塊采用自帶的藍牙配對功能模塊，使用系統提供的藍牙API 接口，快速實現智能終端與藍牙通訊鏈路的建立。

（2）按摩部位控制模塊主要負責響應用戶的按摩部位選擇，通過點擊相應的按摩部位，實現對指定區域的部位進行按摩控制。 在APP 中，按摩部位控制模塊根據硬件設備提供的按摩區域，動態生成按摩部位界面，可供用戶自由選擇按摩區域。

（3）按摩強度控制模塊主要負責按摩強度的控制。 在APP 中，按摩強度控制模塊通過控制電流大小來控制按摩強度。 用戶可以根據自身需要選擇適當的按摩強度。

（4）藍牙通信API 模塊主要負責藍牙數據的打包、發送等。 在APP 中，藍牙通信API 模塊采用原生態Android 藍牙API，實現藍牙數據的發送和接收。 同時，為了提高藍牙數據傳輸的穩定性和可靠性，該模塊還在數據傳輸中增加了校驗和等待機制。

2.2 上位機應用開發

本項目使用Microsoft Windows 平臺，Android APP 開發環境為Android Studio 3.0 以上版本，該版本集成了相應的Android SDK、Android debug bridge及Android 虛擬機。 Android Studio 整合gradle 構建工具，新的構建工具提取了Ant 和Maven 的優點，并將其完美的集合。 使用Android Studio 開發工具，可以輕松地以Android 系統為基礎進行各種所需的軟件開發；Android Studio 支持Git、Markdown、Gradle等多種插件。 所以在整個設計中，選擇Android Studio 作為APP 開發工具。 如圖3 所示，使用Android Studio 完成APP 界面設計后，可以相應調整頁面布局。

圖3 APP 頁面設計Fig. 3 APP UI design

2.3 下位機芯片選型

51 單片機是目前最普及的8 位MCU，其采用普通結構和總線寄存器，不僅具有完美的中央集中式管理功能，還擁有各種各樣的啟動邏輯和豐富的控制指令系統。 由于51 單片機容易上手、使用方便且價格親民，本設計的下位機采用了51 單片機［11-12］。單片機程序采用C 語言在Keli 編譯器中進行開發，主要包括藍牙數據的解析（串口通訊）和控制端口的處理（I／O 操作）。

2.4 下位機程序開發

下位機程序以單片機程序為主，采用較為常用的Keli C51 集成開發環境。 Keli 提供了一個完美的單片機程序開發環境，其中包括編程器、宏觀匯編、鏈接器、庫管理以及強大的模擬調試器等。

開發環境采用C 語言作為開發語言，具有兼容的51 系列單片機。 與匯編語言相比，C 語言在功能、結構、易讀性和維護等方面具有明顯的優勢。 下位機程序的主要功能是接收上位機傳輸過來的指令。 盡管本設計中采用藍牙透傳模塊實現無線傳輸，但對于下位機，即單片機而言，該傳輸方式與串口傳輸模式的原理相同。 下位機程序流程如圖4 所示。

圖4 下位機工作流程Fig. 4 Program Flow Chart of lower computer

3 數據通訊

3.1 藍牙傳輸

考慮到使用的舒適性及上位機軟件使用的方便性，設計中使用藍牙作為上位機和下位機之間的通訊方式。 藍牙是一種無線電技術，支持短距離（通常在10 米之內）的設備通信。 許多裝置，包括手機、無線耳機、筆記本電腦、平板電腦以及相關的周邊設備，都能通過藍牙交換無線信息。 設計使用Bluetooth 通訊技術，在實現無線通訊的前提條件下，是便捷性、可靠性、經濟性綜合考慮后的最佳方案。

設計使用HC-06 藍牙串口通信模塊來實現上位機和下位機之間的交互通信，HC-06 Bluetooth 串行通信模塊是使用最廣泛的Bluetooth 模塊之一。又稱作藍牙透明傳輸模塊，相對于上位機和下位機可以認為該模塊是透明的，對于上位機只需要當成是藍牙進行處理，對于下位機只需按照串行端口［13-15］進行處理。

3.2 通訊協議

在上位機APP 和單片機程序之間的通信過程中，主要涉及到兩者之間的數據交換，在此項目中設計的上位機和下位機通信的數據格式見表1。

表1 交換數據結構表（協議）Tab. 1 Exchange Data Structure （Protocol）

4 模塊測試與分析

根據以上方案設計并實現的智能控制模塊，完成了穿戴式按摩儀樣機的制作。 在樣機測試過程中，排除了可能對電脈沖按摩有不適感的人群后，招募了20 名有脊柱健康問題的“正常人”作為實驗參與者。

使用SPSS 分析軟件對實驗結果進行統計分析，比較實驗組和對照組之間的療效差異，分析穿戴式按摩儀器的有效性和可行性。

實驗組（穿戴式按摩儀器）數據設置：

平均按摩時間：30 分鐘

平均按摩強度：中等

平均按摩頻率：每分鐘50 次

平均按摩部位：腰椎、肩頸部位

對照組（未穿戴式按摩儀器）數據設置：

平均按摩時間：15 分鐘

平均按摩強度：中等

平均按摩頻率：每分鐘30 次

平均按摩部位：腰椎、肩頸部位

由表2 所示的測試結果可見，與對照組相比，實驗組有效率明顯高于對照組（P＜0.05）。 可以得出結論，穿戴式按摩儀具有一定的有效性和可行性，對緩解參與者的亞健康問題有明顯改善。 參與者在使用穿戴式按摩儀后，舒適感提升、疲勞感減少、亞健康問題綜合分數下降，證明穿戴式按摩儀是一種行之有效的保健工具。

表2 對照組和實驗組療效判定比較Tab. 2 Comparison tab of Control group and experimental group

5 結束語

隨著科學社會發展，計算機技術的持續進步，手機、平板等智能設備的功能愈發完善，已經成為人們尤其是年輕人生活中必不可少的一部分，在按摩儀中引入智能化，并且使用智能設備進行相關連，完全符合當今社會發展趨勢。 智能化的按摩儀不僅可以更加安全有效地對使用者進行身體舒緩治療，且體積小、便捷的特點也減輕了使用者的使用空間成本和時間成本，為今后類似的器械設計提供了新的思路。

目前，本設計的智能控制模塊能夠進行基礎的運行工作，后期可在智能控制模塊中加入健康大數據、健康管理等模塊，實現由按摩儀持續收集人體健康數據，然后通過藍牙通信傳輸到智能設備上，APP會將采集到的數據上傳到云端，經過大數據整理分析后，將報告發送給專業的醫務人員，由專業人士給出健康處方等。