由坐姿计算健康度的算法、控制电路及智能椅垫或椅子的制作方法
本发明涉及智能生活用品技术领域，具体涉及了一种由坐姿计算健康度的算法、控制电路及智能椅垫或椅子。
背景技术：
目前市场各种坐姿椅，形形色色，基本上都是基于人体工程学物理硬件设计来达到坐姿校正，也有一些简单的带提醒功能的健康椅，通过简单机械装置对使用者坐没坐进行计时，用声音、振动等提醒使用者。但还没有一款具备带实时坐姿记录、监控、提醒，物联网等完备功能的智能椅子或椅垫，能真正应用于大众坐姿校正、提醒，以减轻错误坐姿及久坐对人们身体健康的危害。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，提出了一种由坐姿计算健康度的算法、控制电路及智能椅垫或椅子，其目的：具备带实时坐姿记录、监控、提醒，物联网等完备功能的智能椅垫或椅子，且能真正应用于大众坐姿校正、提醒，以减轻错误坐姿及久坐对人们身体健康的危害。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种由坐姿计算健康度的算法，所述算法包括如下步骤：
(1)设定基准，所述基准包括第一基准和第二基准，所述第一基准为正确坐姿的重量，当所述重量偏离所述第一基准设定的范围时，所述坐姿为不正确坐姿；所述第二基准为一次坐姿持续的时间，当所述坐姿时间超出第二基准时，所述坐姿超时；
(2)统计5～30秒内不正确坐姿的时间，评估5～30秒内不正确坐姿时间对健康度的影响，得出第一评估值；
(3)统计30秒以上不正确坐姿的时间，评估30秒以上不正确坐姿时间对健康度的影响，得出第二评估值；
(4)统计坐姿超时次数，评估该超时次数对健康度的影响，得出第三评估值；
(5)用总值减去第一评估值、第二评估值、第三评估值得到健康度的数值。
所述算法的统计周期为天，即它反映的是当天的健康度情况。
一种采用所述算法的控制电路，所述控制电路包括：
重量传感模块，用于监测各种坐姿下的重量；
单片机，所述单片机集成有ARM CPU处理器和重量采集芯片，所述CPU处理器的输入端与所述重量采集芯片连接，所述重量采集芯片与所述重量传感模块连接，所述单片机用于将所述重量传感模块监测到的重量数据处理为所述健康度的数值；
显示模块，与所述CPU处理器的输出端连接，用于显示所述健康度数据；
供电模块，与所述单片机连接，用于对所述控制电路进行供电；
存储模块，集成与所述单片机中，与所述重量采集芯片连接，用于实时保存记录的坐姿数据。
优选的，所述供电模块包括第一供电模块和第二供电模块，所述第一供电模块用于对所述CPU处理器和所述重量传感模块进行供电，所述第二供电模块用于对除所述CPU处理器和所述重量传感模块外的所述控制电路进行供电，通过所述第一供电模块与所述CPU处理器的连通或断开，使所述CPU处理器运行或停车。
进一步的，所述控制电路还包括时钟唤醒模块，所述时钟唤醒模块集成于所述电路板中，与所述CPU处理器连接，用于唤醒所述CPU处理器，使所述CPU处理器从停车模式转为运行模式。
优选的，所述控制电路还包括无线传输模块及终端设备，所述无线传输模块与所述CPU处理器的输出端连接，用于将所述健康度的数据上传到所述终端设备中。
进一步的，所述无线传输模块包括蓝牙无线传输模块和Wi-Fi无线传输模块，所述终端设备包括第一终端设备和第二终端设备，所述蓝牙无线传输模块与所述第一终端设备连接，所述第一终端设备为手机或电脑，所述Wi-Fi无线传输模块与所述第二终端设备连接，所述第二终端设备为云数据服务器，所述第一终端设备与所述第二终端设备连通，用于实现所述第一终端设备与所述第二终端设备之间的数据传输。
优选的，所述控制电路还包括健康度提醒模块，所述提醒模块与所述CPU处理器的输出端连接，当所述健康度数值超过设定值时，所述提醒模块发出提醒信号。
进一步的，所述提醒模块至少包括音频播放模块、振动模块、蜂鸣器模块三个中的一个。
优选的，所述控制电路还包括重量唤醒模块，所述重量唤醒模块集成于所述单片机中，与所述重量采集芯片连接，所述重量唤醒模块用于自动唤醒，使所述控制电路从休眠状态进入到正常工作状态。
优选的，所述单片机上还设有AD信号采集接口，用于外接设备扩展。
所述的控制电路先通过重量传感模块监测各种坐姿下的重量和相应的时间，并将检测到 各种坐姿下的重量和相应的时间传递给单片机的重量采集芯片，重量采集芯片统计数据并将数据发送给CPU处理器，CPU处理器根据数据进行分析计算，并将结果显示在显示模块和存储在存储模块中。
一种智能椅垫或椅子，所述智能椅垫或椅子包括盖体和座体，所述盖体扣合在所述座体上，所述盖体与所述座体之间设有上述中的控制电路。
优选的，所述智能椅垫或椅子还包括用于防水的凸点覆膜层，所述凸点覆膜层设于所述盖体上。
该智能椅垫或椅子的机器智能基于单片机开发，内部集成重量传感器、多路AD数模转换芯片、蓝牙芯片、Wi-Fi芯片、MP3声效芯片、存储套件、电机震动套件、锂电池及相应充放电、共100个多电子元器件，以及一些外接扩展模块和上位机(PC端，手机端)软件应用程序，该智能椅垫或椅子能对使用者进行实时坐姿健康监控，并能智能地给使用者全面的坐姿提醒和健康坐姿引导，并能实时记录坐姿数据，坐姿数据通过Wifi无线模块能实时上传到云服务器，使用者通PC端、手机端软件通过蓝牙或者Wifi通信能实时与该椅子或椅垫进行信息交互，浏览并分享存储在该设备内部及云端的坐姿数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所公开的HX711信号放大与采集电路图；
图2为本发明所公开的基于CPU的AD信道传感器差分信号放大电路图；
图3为本发明所公开的一种智能椅垫或椅子的控制电路的供电模块的流程图；
图4为本发明所公开的锂电池充电电路图；
图5为本发明所公开的CPU系统电源电路图；
图6为本发明所公开的电池和外接电源供电切换电路图；
图7为本发明所公开的电源滤波电路图；
图8为本发明所公开的Micro USB供电图；
图9为本发明所公开的电池电压采集电路图；
图10为本发明所公开的MP3解码电路图；
图11为本发明所公开的音频放大电路图；
图12为本发明所公开的解码基准电压电路图；
图13为本发明所公开的振动模块的电路图；
图14为本发明所公开的蜂鸣器模块的电路图；
图15为本发明所公开的重量唤醒模块的电路图；
图16为本发明所公开的一种智能椅垫或椅子的控制电路整体流程图；
图17为本发明所公开的SD卡驱动电路图；
图18为本发明所公开的CPU时钟电路图；
图19为本发明所公开的游戏确定键的电路图；
图20为本发明所公开的按摩电机驱动电路图；
图21为本发明所公开的仿真电路图；
图22为本发明所公开的显示面板控制电路图；
图23为本发明所公开的蓝牙无线传输模块的电路图；
图24为本发明所公开的Wi-Fi无线传输模块的电路图；
图25为本发明所公开的一种智能椅垫或椅子的分解结果示意图。
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
1.单片机 2.重量传感模块 5.供电模块 6.显示模块 7.盖体 8.凸点覆膜层 9.座体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合示意图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
一种由坐姿计算健康度的算法，所述算法包括如下步骤：
(1)设定基准，所述基准包括第一基准和第二基准，所述第一基准为正确坐姿的重量，当所述重量偏离所述第一基准设定的范围时，所述坐姿为不正确坐姿；所述第二基准为一次坐姿持续的时间，当所述坐姿时间超出第二基准时，所述坐姿超时；
(2)统计5～30秒内不正确坐姿的时间，评估5～30秒内不正确坐姿时间对健康度的影响，得出第一评估值；
(3)统计30秒以上不正确坐姿的时间，评估30秒以上不正确坐姿时间对健康度的影响，得出第二评估值；
(4)统计坐姿超时次数，评估该超时次数对健康度的影响，得出第三评估值；
(5)用总值减去第一评估值、第二评估值、第三评估值得到健康度的数值。
所述算法的统计周期为天，即它反映的是当天的健康度情况，且所述的算法的具体公式为
一种采用所述算法的控制电路，所述控制电路包括：
重量传感模块2，用于监测各种坐姿下的重量，其中重量传感模块2的数量至少为四颗，、单片机1，所述单片机1集成有CPU处理器和重量采集芯片，所述CPU处理器的输入端与所述重量采集芯片连接，所述重量采集芯片与所述重量传感模块连接，所述单片机用于将所述重量传感模块监测到的重量数据处理为所述健康度的数值，其中，重量采集模块分为基于HX711芯片的信号放大与采集电路和基于CPU的AD信道传感器差分信号放大电路；
HX711信号放大与采集电路如图1所示，R18，R17，R19，R31电阻组成半桥电阻电路，配合半桥压力传感器；
基于CPU的AD信道传感器差分信号放大电路如图2所示，A1，A2-A3，A4等是八个接线端子，U2是LM324运算放大器，此运算放大器是一个四路模拟信号放大以及低电源低噪声的放大器件，第一路组成电路有：R8，R9，C2组成输入滤波电路，R14是反馈电阻，R15是输 出电阻。R6，R10是分压电阻，提供放大器的参考电压。其它三路一样。
显示模块6，与所述CPU处理器的输出端连接，用于显示所述健康度数据；
供电模块5，与所述单片机连接，用于对所述控制电路进行供电，其中供电模块5为锂电池供电模块，直接连接在主板的供电电路上；
存储模块，集成与所述单片机中，与所述重量采集芯片连接，用于实时保存记录的坐姿数据。
如图3所示，所述供电模块包括第一供电模块和第二供电模块，所述第一供电模块用于对所述CPU处理器和所述重量传感模块进行供电，所述第二供电模块用于对除所述CPU处理器和所述重量传感模块外的所述控制电路进行供电，通过所述第一供电模块与所述CPU处理器的连通或断开，使所述CPU处理器运行或停车。
先以第一供电模块和第二供电模块的硬件为基础，再通过软件控制形成了时钟唤醒模块，所述时钟唤醒模块集成于所述电路板中，与所述CPU处理器连接，用于唤醒所述CPU处理器，使所述CPU处理器从停车模式转为运行模式。开机初始，CPU采集各模块数据，随后外设、蓝牙、WiFi、重量采集模块进入低功耗模式，注册一个RTC时钟唤醒(例如下一秒)，同时注册蓝牙模块、Wi-Fi模块为中断唤醒(更改正常SDIO通信IO口为高电压拉高唤醒)，CPU进入停车模式；如果没有来自PC、手机端的蓝牙、Wi-Fi数据通信请求，CPU将在下一个采集时间点(一秒以后)醒来，采集模块进入正常工作模式，采集完数据后，如前面所述，进入停车模式，系统进入如此省电采集循环；如果收到来自用户的PC、手机端的蓝牙、Wi-Fi数据通信请求，由于目前单片机CPU不支持中断模式下的数据交换，这时第一次来自用户的PC、手机端的蓝牙、Wi-Fi数据通信请求被CPU处理为唤醒中断，也就是CPU没有正确接收到第一次数据交互信号，在PC、手机端的软件开发时加上特殊数据包应答处理方法，在第一次数据通信请求发出时，等待一定时间(这个时间小于CPU的停车间隔时间)，等待CPU的通信验证包，如果没有收到通信验证包，重复发送该数据请求，在CPU对来自PC、手机端的软件的数据包采用了缓存池机制，CPU能跳过前面的不完整数据请求的数据包，定位到第二个完整数据包，发送给PC、手机端的软件相应的数据验证包，进入正常通信模式，此时如果来自PC、手机端的软件标处于长期通信，CPU进入正常工作模式，否则CPU在处理完数据采集以及通信交互后再次进入停车、唤醒低功耗唤醒模式。
由此可见，该时钟唤醒模块必须有至少两个独立的供电模块组成，并且该时钟唤醒模块使所述供电模块具有了节能省电的功能。
第一供电模块即为锂电池充电电路如图4所示，R27限流电阻，C7电源滤波电容，C8电 源滤波电容，R28是选配电阻，1.2K充电电流是1A，此电阻越大，充电电流越小。
第二供电模块即为CPU系统电源电路如图5(a)和图5(b)所示，U6、U7是给外设提供电源，主要提供SD卡，蓝牙，WIFI，语音模块电路的供电电源，C20和C22是电源滤波电容。C21噪声滤波电容。R59是下拉电阻其作用是当此EN引脚在低电平时，保证引脚必须是低，防止干扰信号使电位上升。
所述供电模块还包括电池和外接电源供电切换电路、电源滤波电路、Micro USB供电和电池电压采集电路；
电池和外接电源供电切换电路如图6所示，R12是限流电阻，R13是下拉电阻，D3是肖特极二极管，Q4是MOS管。其工作原理是当USB端有电时Q4管工作在截止状态，其V_SIN端的电压是就是USB的电压，当USB端没有电压时，Q4的栅极处于低电平，此时Q4管工作在导通状态，V_BAT端的电压通过Q4流向V_SIN端。
电源滤波电路如图7(a)和图7(b)所示，此电路起到稳压供电作用。
Micro USB供电如图8所示，用于外接USB供电及充电。
电池电压采集电路如图9所示，R45和R60主要起分压作用，CELL_AD是CPU的模拟输入此脚。
所述控制电路还包括无线传输模块及终端设备，所述无线传输模块与所述CPU处理器的输出端连接，用于将所述健康度的数据上传到所述终端设备中。
所述无线传输模块包括蓝牙无线传输模块和Wi-Fi无线传输模块，所述终端设备包括第一终端设备和第二终端设备，所述蓝牙无线传输模块与所述第一终端设备连接，所述第一终端设备为手机或电脑，所述Wi-Fi无线传输模块与所述第二终端设备连接，所述第二终端设备为云数据服务器，所述第一终端设备与所述第二终端设备连通，用于实现所述第一终端设备与所述第二终端设备之间的数据传输。
所述控制电路还包括健康度提醒模块，所述提醒模块与所述CPU处理器的输出端连接，当所述健康度数值超过设定值时，所述提醒模块发出提醒信号。
所述提醒模块包括音频播放模块、振动模块、蜂鸣器模块。
音频播放模块包括MP3解码电路，音频放大电路和解码基准电压电路。
MP3解码电路如图10所示，CPU采用SPI通信协议和解码芯片通信。
音频放大电路如图11所示，C17电源滤波电容，C16噪声滤波电容，R51是限流电阻，R53是反馈电阻，C14，C15滤波电容，R50，R52是输入电阻。
解码基准电压电路如图12所示，用于解码音频信号。
振动模块的电路如图13(a)和图13(b)所示，其中R37和R45是限流电阻，Q3和Q5是驱动管。D1和D2是保护二极管，防止了电压过高，击穿三极管。此模块应用于用户错误坐姿，坐姿超时以振动模式提醒，以及用户设定的事件提醒。
蜂鸣器模块的电路如图14所示，R35是限流电阻，Q2驱动管导通时，蜂鸣器通电，电流信号经三极管到地，应用于坐姿超时提醒。
所述提醒模块主要应用于语音提醒，结合所述的存储模块，结合了大容量存储，且使该智能椅垫或椅子本身具有MP3播放机的完备功能。
所述控制电路还包括重量唤醒模块，所述重量唤醒模块集成与所述单片机中，与所述重量采集芯片连接，所述重量唤醒模块用于自动唤醒，使所述控制电路从休眠状态进入到正常工作状态；
重量唤醒模块的电路如图15所示，ADG512是模拟开关，R67是上拉电阻，R41和C39是阻容滤波电路，R38是参考电压的电阻，R37是反馈电阻，C40是电源滤波电容。其工作原理是当CPU睡眠时，ADG_EN引脚上的电压为3.3V，此时4路AD的输入信号经模拟开关输出到共同的引脚D2上，再经R41和C39滤波后输入到运算放大器的输入端，电压信号被放大后输出到CPU的唤醒引脚WAKE_UP上，此引脚一个由原来的低电平状态变成高电平的状态，此时CPU立即会被唤醒。进入正常工作后，ADG_EN引脚的电位是低电平，是在CPU上电后初始为低电平的。
此模块应用于自动唤醒，当使用者离开椅垫或椅子后，系统会在一定时间后自动进入完全休眠状态，以最大限度节能，当用户重新回到椅垫或椅子上是，能过此唤醒模块，系统会自动醒来并进入正常工作状态。
如图16所示，所述的控制电路先通过重量传感模块监测各种坐姿下的重量和相应的时间，并将检测到各种坐姿下的重量和相应的时间传递给单片机的重量采集芯片，重量采集芯片统计数据并将数据发送给CPU处理器，CPU处理器根据数据进行分析计算，并将结果显示在显示模块和存储在存储模块中，该智能椅垫或椅子，包含智能硬件，坐姿算法，物联方法，配套电脑端、手机端应用软件及云数据服务器。智能硬件基于单片机开发，通过内置的重量传感器能实时记录存储坐姿对应的重量数据，通过所述算法，将采集的数据计算为坐姿健康度，根据健康度变化，硬件装置通过振动和声音对使用者进行健康提醒，通过蓝牙、Wi-Fi无线物联网能与手机、电脑端软件以及云数据服务器进行通信，起到全面的第三方远程健康坐姿提醒，此外通过云数据服务器及软件能系统地记录、分享坐姿健康数据。
所述单片机上还设有AD信号采集接口，用于外接设备扩展，如血糖、血压、体脂的采集 模块，其电路图和重量信号采集电路一致。
所述的存储模块所使用的电路为SD卡驱动电路，SD卡驱动电路如图17(a)和图17(b)所示，R66，R53，R54是上拉电阻，此模块实现了CPU内部SDIO接口与SD卡通信。本椅垫或椅子在独立工作下，记录的坐姿数据能实时保存到存储设备中(存储设备是SD卡或Nano Flash，U盘)；在与PC、手机等设备交互时，通过低功耗蓝牙模块，这些记录的坐姿数据能实时地上传到数据服务器，能实时地与手机，电脑端的应用软件进行数据交互。另外，些存储设备通过蓝牙、Wi-Fi无线连接可作为上位机的无线U盘使用。
所述的控制电路还包括CPU时钟电路、游戏确定键、按摩电机驱动电路、仿真电路、显示面板控制电路、蓝牙无线传输模块和Wi-Fi无线传输模块。
CPU时钟电路如图18(a)和图18(b)所示，其中，C1和C5是晶振启动电容，X1是晶振，X2是钟表晶振，C4和C6是晶振启动电容，CPU时钟用于AD数据采集时序控制，RTC时钟用于系统唤醒以及闹钟提醒开发。
游戏确定键如图19所示，实现了游戏功能键扩展，使该椅垫或椅子能应用于体感游戏的操控，其中，R69是上拉电阻。
按摩电机驱动电路如图20(a)和图(b)所示，能将MP3音乐转换为数字信号，驱动按摩模块，实现了乐动按摩的功能。
仿真电路如图21所示，应用于出厂固件烧录以及系统固件开发过程中的调试，其中R8和R7是上拉电阻。
显示面板控制电路如图22所示，确保了显示面板上的电源充放电指示灯，用户使用健康度指示灯条，蓝牙及Wi-Fi开关，免打扰开关和系统复位按键能正常使用。
蓝牙无线传输模块的电路如图23所示，BT_DETECT引脚的功能是，当模块连接上时，输出高电平，连接断开时，输出低电平(需要配置)。默认是慢闪和快闪。BT_POWERJ供电电源，开关在面板上。蓝牙模块支持低功耗BLE 4.0以及2.1，可同时兼容Android 4.4，Iphone等采用BLE 4.0的设备，也可兼容PC机及老手机设备。
Wi-Fi无线传输模块的电路如图24所示，应用于通过英特网上传数据到云数据服务器，同时可也应用于与上位机软件进行数据通信，其中rxd3和txd3是接收和发送端口，供电开关在面板上。
如图25所示，一种智能椅垫或椅子，所述智能椅垫或椅子包括盖体7和座体9，所述盖体7扣合在所述座体9上，所述盖体7与所述座体9之间设有上述中的控制电路。
所述智能椅垫或椅子还包括用于防水的凸点覆膜层8，所述凸点覆膜层8设于所述盖体 上。
在使用该智能椅垫或椅子时始终保证正确坐姿并且没有坐姿超时，健康度为100％，当使用者有短时间(5到30秒)不正确坐姿时，健康度就相应得减少；当使用者有长时间(30秒以上)不正确坐姿或坐姿超时时的额外扣分，通过此算法单片机系统能实时将坐姿数据转换成健康度，并能健康度能实时反映在椅垫或椅子的显示面板上面。
该智能椅垫或椅子主要实现了系统化的坐姿监测、健康提醒、软硬件实施方案，通过蓝牙、Wifi等通信协议，监测数据能安全高效地与PC端、手机端软件以及云服务器进行数据信息交互分享，坐姿数据分析方面采用了所述算法，通过该算法坐姿数据能理想的转换为简洁明了的使用者能读懂的健康报告，并能给使用者以正确的坐姿引导，另外在系统节能方面做了创新设计，实现了绿色节能方案保证设备的长期稳定使用。此外，此设备内部的存储设备通过蓝牙、Wi-Fi还可作为无线U盘使用，结合MP3模块还可作为独立的音乐播放机，此设备通过外接血糖、血压、体脂、体温测定模块还可作为全面的健康测量设备，此设备还可外接按摩设备实现乐动按摩功能，还应用坐姿感应系统开发了可应用于体感游戏和健身操的应用接口。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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