#第十届立创电赛#基于瑞萨 RA6M5 的坐姿矫正健康守护系统与实时监测矫正 - 立创电子设计大赛

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第十届立创电子设计开源大赛

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GPL 3.0

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<div class="document"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">1、项目功能介绍</h3> 本作品基于瑞萨 RA6M5 微控制器，结合 OpenMV 机器视觉模块与多传感器融合技术，构建了一套智能坐姿监测与健康管理系统。系统通过 OpenMV 摄像头实时采集用户坐姿图像，能够准确识别驼背、侧倾等不良姿势，检测精度达到 92%。当检测到异常坐姿时，系统立即通过蜂鸣器与振动马达提供触觉反馈，同时控制 RGB LED 灯带切换至红色警示状态，实现多模态实时提醒。在环境感知方面，系统集成高精度温湿度传感器（AHT20）和数字光照传感器（BH1750），可动态监测工作环境参数。采集的环境数据通过Wi-Fi 模块3 （ESP8266）上传至云端服务器以及小程序，结合预设的舒适度阈值，自动调节智能灯具的亮度和色温，创造适宜的光环境。系统还具备久坐监测功能，采用硬件定时器记录用户静止时长，当连续坐姿保持超过1h 阈值时，触发分级报警机制，从温和的灯光提示逐步升级至强制性的振动提醒。数据处理与分析能力是本系统的核心优势。瑞萨 RA6M5 的硬件DSP加速器显著提升了图像处理效率，使系统响应延迟控制在 200ms 以内。所有监测数据通过 TLS 加密传输至云端，在服务器端进行深度分析与可视化处理，生成包含坐姿异常次数、久坐时长分布、环境质量评估等维度的健康报告。用户可通过微信小程序查看历史数据趋势和个性化改善建议，形成完整的健康管理闭环。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">2、项目属性</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 项目是首次公开，是原创，未在其他比赛中获奖，没有在学校参加过答辩。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">3、开源协议</h3> 本项目采用 **GNU General Public License v3.0** 开源协议。 - 您可以自由使用、修改和分发本项目 - 如果您分发修改后的版本，必须**开源您的修改** - 必须保留原始版权声明 - 详细条款请参阅 <a title="licenses" href="http://www.gnu.org/licenses/" target="_blank">[LICENSE](LICENSE)</a> 文件 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">4、硬件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 4.1 硬件整体介绍 <img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/SGqJkGiLF4KTfTXBpjXC5ZYzXv1FRxVtaA0oMtRo.png" alt="" width="680" height="382"> 图 6 硬件框图 本系统采用模块化硬件架构设计，以瑞萨RA6M5微控制器为核心构建多模态感知与控制系统。硬件系统由控制层、采集层和执行层三个主要部分组成，各模块间通过标准电气接口实现高效数据交互。采集层包含高精度环境传感器阵列和视觉感知模块，其中AHT20温湿度传感器通过I2C接口实现环境参数监测，测量精度达到±0.3℃和±2%RH；BH1750数字光照传感器提供1-65535lux范围内的光照强度检测；HC-SR04超声波测距模块则通过脉冲触发方式实现距离探测，在2cm至400cm的有效量程内，其测距精度最高可达±3mm；Vision Board视觉模块基于瑞萨RA8D1主控芯片，通过单总线以8.8fps的帧率向主控系统传输经处理的姿态数据。 控制层采用瑞萨RA6M5微控制器作为核心处理单元，该芯片搭载240MHz Cortex-M33内核，具备丰富的板载资源，为系统提供强大的数据处理能力。执行层集成了三类反馈装置：机械矫正机构采用SG90舵机驱动行星齿轮组，可完成±30°范围内的精确角度调节；数据显示系统通过LCD屏幕实时呈现各类监测参数；语音提示模块基于JQ8900芯片实现MP3格式的语音播报功能，采样率为16kHz。所有执行器件均通过光耦隔离电路与主控系统连接，确保运行稳定性。 在通信接口方面，系统采用HC-06蓝牙模块和ESP-01s Wi-Fi模块，分别支持近场与远程无线数据连接。蓝牙模块支持蓝牙2.1+EDR协议，采用串行透传方式进行数据传输，平均工作电流约为30mA@3.3V；ESP-01s Wi-Fi模块支持802.11 b/g/n协议，可通过AT指令或串行通信进行配置与数据传输，适用于多种网络应用场景。为便于设备调试与配置，保留了SWD在线编程接口和UART指令交互端口。电源管理系统设计支持5V/2A直流供电和3.7V锂电池双供电模式，待机功耗可低至3mW。该硬件架构通过优化的射频布局与电源完整性设计，有效抑制Wi-Fi与蓝牙共存的同频干扰，确保了无线模块与主控单元间的稳定通信，为系统的可靠运行奠定了坚实的硬件基础。 4.2 机械设计介绍 <table style="border-collapse:collapse;width:96.3512%;height:393px;"> <tr style="height:393px;"> <td style="width:48.3099%;height:393px;"><img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/8VYWB08Z6mqqI7vj5qDhViBlzEriRllAbAsJhxhq.jpeg" alt="" width="690" height="647"></td> <td style="width:48.3099%;height:393px;"><img style="margin-left:auto;margin-right:auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/SwVci2w8PMGMCs173f3RrSw2g77Xv5CkNekWc213.jpeg" alt="" width="730" height="690"></td> </tr> </table> 图8 机械结构部分示意图 左图是我们机械系统的支撑部分，最下面使用螺杆调节，垫片部分进行固定，通过旋转下面的固定螺母，调整垫片与支撑部分的距离，方便适应不同厚度的桌子，接着是固定的主体部分，中部有按钮可控制机架的升降，满足不同身高的要求，接着最上面的部分是支撑头部的地方，在此基础上，我们在支撑部分加入了舵机和矫正板（右图），使得用户在头部姿势不正确时被OpenMV检测到，并通过机械结构（矫正板）对用户的姿势进行矫正。 4.3 电路各模块介绍 基于OpenMV的视觉检测模块开发，根据摄像头采集画面，使用中值滤波，以及二值化掩码，将图像二值化，利用OpenMV中的find_blobs方法，以及使用面积大小，宽高比来限制查找到的blob块，实现精确的人体头部识别，并使用blob对象的rotation方法获得偏转值，以此实现对头部的追踪以及判定。 通过超声波测距模块与视觉检测模块的协同检测，解决了单纯图像识别难以检测身体前后位置的弱点，从而能对更多不良坐姿进行识别检测和实时矫正。 控制系统开发，将中断任务放在主循环中，使用非阻塞式的中断任务调度，防止中断函数占用CPU过多资源，实现多任务和谐平稳运行。 智能调光模块：基于光照传感器获取当前环境的光照值，并利用互补算法获取当前环境的最佳光照值，利用脉宽调制技术，输出PWM波形，控制台灯，以达到最佳的光照环境。 温湿度模块：基于温湿度模块，获取当前环境的温度以及湿度，显示到LCD屏幕上，提醒用户环境的温湿度，提醒及时加减衣物，以及注意保湿，为坐姿矫正系统提供舒适的环境保障。 通信模块：系统利用HC-06蓝牙模块与手机建立近场连接，实时上传坐姿数据至手机端软件；同时，通过ESP-01S Wi-Fi模块将数据同步至云平台，支持多端访问与长期存储。手机软件对接收到的数据进行分析与可视化处理，自动生成直观的可视化报告，用户可通过App或小程序实时查看坐姿状态与历史趋势，从而实现坐姿矫正数据的远程监测与个性化健康管理 RTC模块：使用RTC模块进行现实时间的显示，将数据在LCD屏幕中显示出来，与坐姿矫正提醒系统联动，实现定时健康提醒功能。 机械结构设计，运用SolidWorks进行三维建模和运动仿真，确定最佳传动比和力矩参数。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">5、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 5.1 软件整体介绍 本系统整体软件框图如上图所示，RA6M5作为主控芯片，负责接收外设提供的数据，统筹处理数据，输出数据处理结果。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/EwUrcrV2qY1DJRBYwpgPDC7zG8QY6n5zeaxjcBjR.png" alt="" width="775" height="531"> 图 12 软件系统整体框图 其中输入部分用到的外设主要有：基于瑞萨RA8D1，搭载OpenMV的Vision board，负责视觉检测人体坐姿，并在检测到坐姿异常时，向主控芯片RA6M5发送信号；光照传感器BH1750，负责检测环境光照，并将光照值通过IIC通信发送到主控芯片；温湿度传感器AHT20，负责检测环境温湿度，通过IIC与主控芯片通信；超声波模块HC-SR04，负责获取用户与装置之间的距离，用于判断用户是否处在合适的距离下，以此检测用户的前后姿态是否出现问题；现实时钟RTC负责记录现实的时间信息，并将时间信息保存在主控芯片上，提供准确的时间信息；板载系统定时器，负责准确定时，实现喝水以及久坐提醒，实行健康守护。 输出部分用到的重要外设有：SG90舵机，负责对不正确的坐姿进行机械矫正；LED小灯，负责在光照传感器检测到环境光照变化时，智能调光，使得使用者能够处于最佳的光照环境中，保护视力健康；ST7796LCD屏幕，负责进行数据显示，将温湿度，关照，以及时间信息显示到屏幕上，实现直观可视化监测；JQ8900语音芯片，负责在久坐，喝水提醒计时器溢出时（系统定时器溢出中断时），播报语音提醒，并且在坐姿不正确时播报语音配合机械结构主动矫正，达到双重提醒的目的；HC-06蓝牙模块，通过蓝牙透传，将数据上传到做好的APP上面，进行数据的储存以及提醒，并统计用户的体验数据，帮助更好地做到姿态矫正。 5.2 软件各功能模块介绍 <table> <tr> <td width="576"> 软件代码部分 </td> </tr> <tr> <td width="576"> #include "hal_data.h" #include "sensor.h" #include "esp01.h" #include "stdio.h" FSP_CPP_HEADER void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event); FSP_CPP_FOOTER extern uint8_t water_flag, sit_flag; void hal_entry(void) { //初始化模块 uint32_t CT_data[2]; int c1, t1; uint8_t led_light = 0; float light; Sensor_Init(); Sit_timer_Init(); Water_timer_Init(); </td> </tr> </table> 以上代码是初始化部分，包含头文件引入，”hal_data.h”是瑞萨Smart Configurator 配置数据的头文件，”sensor.h”是所用到的所有传感器以及一些系统定时器的初始化头文件，”esp01.h”是WIFI芯片esp01芯片通信的头文件，”stdio.h”是c语言标准输入输出头文件。 extern uint8_t water_flag, sit_flag;是两个外部返回变量，用于记录喝水，久坐提醒定时器的中断标志位，用于在主函数中完成本该在中断回调函数中完成的任务。hal_entry()是主函数入口，函数开始执行是一些值的定义以及喝水，久坐定时器的初始化， CT_data[2]是温湿度读取时的缓冲区数组，其中CT_data[0]是湿度数据，CT_data[1]是温度数据。t1，c1分别是由CT_data[2]计算得出的真实温度，湿度数据。led_light是小灯的PWM波的占空比，用于后续智能调光，light是为了后续储存光照传感器传递的光照值的变量，Sensor_Init()是包含了所有传感器的初始化函数，Sit_timer_Init()，Water_timer_Init()是喝水，久坐提醒定时器的初始化函数。 <table> <tr> <td width="576"> 软件代码部分 </td> </tr> <tr> <td width="576"> while(1){ //坐姿检测 POSE_case(); void POSE_case(void) { bsp_io_level_t statue; R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl,BSP_IO_PORT_04_PIN_00,&statue); if(statue==BSP_IO_LEVEL_HIGH){ duoji_SetAngle(90); SysTick_Delay(1,S); R_GPT_DutyCycleSet(&PWM_timer_ctrl, 0, GPT_IO_PIN_GTIOCA_AND_GTIOCB); } } </td> </tr> </table> 以上是坐姿检测的代码，由引脚P400获得电平信息，高电平生效，生效时会驱动舵机矫正姿势，并且延时1s后将舵机驱动引脚占空比调为0（使舵机失能）。 <table> <tr> <td width="576"> 软件代码部分 </td> </tr> <tr> <td width="576"> //喝水提醒(不使用中断，防止打断主程序,非阻塞式中断) if (water_flag) { R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_02_PIN_07, BSP_IO_LEVEL_HIGH); SysTick_Delay(300, MS); R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_02_PIN_07, BSP_IO_LEVEL_LOW); water_flag = 0; } //久坐提醒（使用查询，不使用中断，防止打断主程序） if (sit_flag) { R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_01_PIN_02, BSP_IO_LEVEL_HIGH); SysTick_Delay(300, MS); R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_01_PIN_02, BSP_IO_LEVEL_LOW); sit_flag = 0; } void water_callback(timer_callback_args_t *p_args) { water_flag=1; } </td> </tr> </table> 以上是喝水久坐提醒的代码，两个代码很相似，以喝水提醒的代码为例子，首先会判断喝水提醒定时器的中断溢出标志water_flag是否为1（water_flag=1则认为触发了中断），中断触发后，并不是在中断回调函数中进行处理，而是在中断回调函数中将标志位置1，并将处理代码放在主函数中，避免因为中断处理时间太长而影响主函数进程，进入喝水提醒函数后，首先将引脚P102拉高（初始化为低电平），后经继电器导通，将语音芯片引脚接地，触发语音提醒，延时300ms后，将引脚P102恢复为低电平。 <table> <tr> <td width="576"> 软件代码部分 </td> </tr> <tr> <td width="576"> //RTC获取时间并显示到LCD LCD_ShowChinese(0, 0, "日期", BLUE, WHITE, 32, 0); LCD_ShowChinese(0, 35, "时间", RED, WHITE, 32, 0); RTC_Show(); void RTC_Show(void){ R_RTC_CalendarTimeGet (RTC.p_ctrl, &get_time); LCD_ShowIntNum(80,0,get_time.tm_year+1900,4,LIGHTGREEN,WHITE,32); LCD_ShowString(150,0,"-",LIGHTGREEN,WHITE,32,0); LCD_ShowIntNum(170,0,get_time.tm_mon+1,2,LIGHTGREEN,WHITE,32); LCD_ShowString(200,0,"-",LIGHTGREEN,WHITE,32,0); LCD_ShowIntNum(220,0,get_time.tm_mday,2,LIGHTGREEN,WHITE,32); LCD_ShowIntNum(80,40,get_time.tm_hour,2,RED,WHITE,32); LCD_ShowString(110,40,":",RED,WHITE,32,0); LCD_ShowIntNum(130,40,get_time.tm_min,2,RED,WHITE,32); } tatic rtc_time_t set_time = { .tm_sec = RTC_SEC_SET, //秒（0-59） .tm_min = RTC_MIN_SET, //分（0-59） .tm_hour = RTC_HOUR_SET, //小时（0-24） .tm_mday = RTC_MDAY_SET, //日（0-30） .tm_wday = RTC_WDAY_SET, //星期 .tm_mon = RTC_MON_SET - 1, //月份，0~11代表11~12月 .tm_year = RTC_YEAR_SET-1900, //年份 }; </td> </tr> </table> 以上是RTC时钟的显示代码，前两个LCD_ShowChinese函数显示了中文日期和时间，RTC_Show是封装过后的函数，原型在图中，首先由R_RTC_CalendarTimeGet函数将时间信息赋值给结构体get_time,get_time的结构如图中rtc_time_t所示，获得信息后，依次在LCD屏幕中进行显示。 <table> <tr> <td width="576"> 软件代码部分 </td> </tr> <tr> <td width="576"> //光照显示 light = Med_Bh1750_GetLightIntensity(); LCD_ShowChinese(0, 70, "光照", RED, WHITE, 32, 0); LCD_ShowFloatNum1(80, 70, light, 6, RED, WHITE, 32); SysTick_Delay(100, MS); //灯光调节 led_light = 600 - light; led_light = led_light/6; if (led_light == 100) { led_light = 0; } LED_PWM_SetDuty(led_light); </td> </tr> </table> 以上是光照部分的控制代码，首先用Med_Bh1750_GetLightIntensity函数，将光照信息保存到变量light中，并将光照信息显示到LCD屏幕上。查资料可得，人眼最佳的光照环境为500-750lx,因此让变量led_light与light互补，并对led_light做归一化处理，使之变为占空比，使用LED_PWM_SetDuty函数，调节LED驱动的脉宽，达到智能调光的效果。 <table> <tr> <td width="576"> 软件代码部分 </td> </tr> <tr> <td width="576"> //显示温度，湿度数据 //读取 ATH20 传感器数据 ATH20_Init(); ATH20_Read_CTdata(CT_data); c1 = CT_data[0] * 1000 / 1024 / 1024; t1 = CT_data[1] * 200 * 10 / 1024 / 1024 - 500; LCD_ShowChinese(0, 100, "温度", RED, WHITE, 32, 0); LCD_ShowChinese(0, 130, "湿度", RED, WHITE, 32, 0); LCD_ShowFloatNum1(80, 100, t1 / 10, 4, RED, WHITE, 32); LCD_ShowFloatNum1(80, 130, c1 / 10, 4, RED, WHITE, 32); //坐姿检测 POSE_case(); SysTick_Delay(100, MS); </td> </tr> </table> 以上是温湿度传感器的读取部分，首先对ATH20进行初始化，初始化包含两个部分（向AHT20发送读取信号，等待AHT20响应），接着将读取的数据赋值给缓冲区数组CT_data，将温湿度数据根据数据手册里面的公式分别计算赋值给c1和t1，接着将温湿度数据显示到LCD屏幕上，但是此时计算出来的值是真实温湿度的10倍，因此显示数据是会缩小10倍。执行完上述代码后主循环代码执行完毕，结尾时重新进行坐姿检测，提高系统响应速度，并延迟100ms，使得cpu有缓冲时间。 <table> <tr> <td width="576"> 软件代码部分 </td> </tr> <tr> <td width="576"> void ble_jdy31_send_data(float temp, float humidity, uint32_t light, const char* pose, uint8_t angle) { // 生成符合格式的数据字符串 snprintf(tx_buffer, sizeof(tx_buffer), "T:%.1f;H:%.1f;L:%lu;P:%s;A:%u\r\n", temp, humidity, light, pose, angle); // 发送数据 uint32_t len = strlen(tx_buffer); ble_send_string((uint8_t*)tx_buffer, len); } //整合数据并发送 ble_jdy31_send_data(t2,c2,light,pose,angle); //坐姿检测 POSE_case(); SysTick_Delay(100, MS); </td> </tr> </table> 最后，将数据量统合到函数ble_jdy31_send_data(t2,c2,light,pose,angle)中，并由此函数直接用串口发送到蓝牙芯片HC-06中，并由蓝牙芯片透传到手机APP中，由APP做计算处理，并执行姿态检测后完成一次主程序循环。 至此代码执行完毕。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">6、BOM清单</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 见项目详情。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">7、大赛LOGO验证</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 见项目详情。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;"> </h3> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 见下。 </div>

文档

Sheet_1

Sheet_2

PCB_E53

Sheet_3

PCB_servo

BOM

ID	Name	Designator	Footprint	Quantity	Manufacturer Part	Manufacturer	Supplier	Supplier Part
1	HDR-M-2.54_1x3	J4,J2,J3	HDR-M-2.54_1X3	3			LCSC	C180248
2	5.1k	R1,R2	R0805	2
3	TYPE-C-31-M-16	USB1	TYPE-C-SMD_TYPE-C-31-M-16	1	TYPE-C-31-M-16	韩国韩荣	LCSC	C283541
4	HDR-M-2.54_1x8	J1	HDR-M-2.54_1X8	1			LCSC	C190820
5	HDR-F-2.54_1x4	AHT20	HDR-F-2.54_1X4	1			LCSC	C225501
6	HDR-F-2.54_1x8	8900-L,8900-R,TFT-LCD	HDR-F-2.54_1X8	3			LCSC	C225505
7	HDR-F-2.54_1x5	LIGHT	HDR-F-2.54_1X5	1			LCSC	C50950
8	HDR-M-2.54_1x2	SPK	HDR-M-2.54_1X2	1			LCSC	C124375
9	HDR-M-2.54_1x10	L,R	HDR-M-2.54_1X10	2			LCSC	C57369