新型光學感測機制應用於坐墊提醒裝置 New Optical Sensing Mechanism for Seat Reminder
魏文昌 Wun-Chang Wei1, 曾耀陞 Yao-Sheng Tseng1, 潘建州 Chien-Chou Pan 2 湯士滄 Shih-Tsang Tang 3, 林俊宏 Jiun-Hung Lin 1*
1崑山科技大學電子工程學系 Department of Electronic Engineering, Kun Shan University.
2崑山科技大學體育室 Physical Education, Kun Shan University.
3銘傳大學生物醫學工程學系 Department of Biomedical Engineering, Ming Chuan University.
一、摘要
現代人因為工作上的因素，如辦公人員、老 師、司機等等，需要長時間的坐在椅子上，導致 全身血液循環不佳、肌肉緊繃、身心疲憊增加更 多工作上的壓力，長期下來容易引發慢性疾病影 響到個人健康。因此，本論文針對需要長時間坐 在椅子上的工作者提供了坐墊提醒裝置，本系統 利用紅外線感測器裝置在坐墊內部，再利用坐墊 上所擷取到的訊號來判斷坐姿與時間，判斷後，
藉由語音的方式提醒使用者是否需調整坐的位 置以及是否需要起來活動一下，這樣可以有效的 減 少 因 為 長 時間 坐 在 椅子 上 所 引發 的 慢 性疾 病。
關鍵詞：褥瘡、坐墊、光學感測器。
Abstract
In consideration of occupations, office staff, teachers, and drivers are required to sit for a long period of time that poor blood circulation, muscle tension, and languor have increased more work pressure for them. In this case, chronic diseases are likely to affect the individual health after a long term. This study provides a cushion reminder for people who need to sit for a long period of time.
With an infrared sensor device installed in the cushion, the acquired signals from the cushion would determine the sitting position and the time and further, with voice, remind the users of adjusting the sitting position or standing up for some exercises. It tends to effectively reduce chronic diseases resulted from sitting for long time.
Keywords: Decubitus、Cushion、Optical sensor
二、緣由與目的
在現今社會中，人們都忙碌於自己的工作崗 位上，很多工作都需要長時間的坐在椅子上，如 坐在電腦前打公文、批改作業、長途開車…等，
常造成全身血液不循環、肌肉緊繃，此時若在乘 坐時姿勢又不正確，這樣會增加脊椎上的負擔，
長期下來容易引發慢性疾病，如褥瘡、駝背，這 將會影響日後工作的效率。[1-4]
在市面上，對於降低褥瘡發生機率的產品大 多都是利用氣墊、水墊或是泡綿墊的方式，將臀 部受力面積壓力分散開來，避免壓力完全集中在 同一個部位，使得乘坐者感到舒適，不因為時間 一久而感到痠痛不適且坐不住，有效的增加使用 者乘坐上的時間，但並不表示不會產生褥瘡，乘 坐的時間一長就會誘發褥瘡的產生，所以說不能 因為使用了氣墊或者是水墊就忽略了間歇減壓，
而間歇減壓是最簡單的預防方法，只要每 15 至 20 分鐘起來活動一下，活動的時間大約 10 到 20 秒，就可以紓解壓力。[1-3]
所以本論文提供紅外線感測器來監測使用 者的坐姿，以三種包覆感測器的材料(PVC 透明 管、耐熱套管、熱縮套管)來各別測試使用的可行 性，經由每段的感測器來判斷使用者乘坐的位置 是否有達到正確的位置，若是乘坐的位置不正確，
則由語音的方式提醒使用者需要調整坐姿，而坐 姿正確就會開始計算時間，當達到 15 分鐘的時 候，就會再以語音的方式提醒使用者應該要起來 活動一下，避免因為坐著的時間太久，而導致皮 膚下骨骼旁的肌肉及軟組織受損。[1-4]
三、感測器原理與材料 3.1 紅外線感測器
光 是 一 種 輻 射 電 磁 波 ， 光 的 波 長 在 300nm~14000nm ， 肉 眼 可 見 的 範 圍 是 300nm~700nm，而紅外線光則是 700nm~14000nm，
紅外線光又分為三種，三種紅外線的波長範圍分 別 為 ， 近 紅 外 線 700nm~2000nm ， 中 紅 外 線 3000nm~5000nm，遠紅外線 8000nm~14000nm，
而能夠發出紅外線的來源分為四種區塊，白熾發 光區，由白熾物體所產生的光線，範圍在可見光 域到紅外線，如鎢絲燈、太陽；熱體輻射區，由 平均溫度 400 度左右的物體所產生；發熱傳導區，
由滾沸的熱水或熱蒸氣所產生，平均溫度低於 200 度；體溫輻射區，由人體、動物或地熱等所 產生，平均溫度 40 度左右，市面上所販賣的紅 外線二極體大致上分為兩種，分別為波長 850nm、
940nm，而兩種不同波長的紅外線二極體最大的 差異是有無紅爆，所謂紅爆就是紅外線二極體發 光時，可以看到紅點，波長 850nm 的紅外線二極
體會產生紅爆，波長 940nm 的紅外線二極體則不 會產生紅爆的現象。[5-7]
受光元件為光二極體，利用其特性為入射光 量與輸出電流成線性正比變化，但隨受光量增加，
P-N 接面的 I-V 特性曲線會往下改變，而使 P-N 接面的少數載子電流增大，即所謂暗電流增加，
而光二極體的反應速度與 P-N 接面電容大小有關，
但光二極體受光後，輸出的電流很微小，因此需 要以外加極大電阻的方式來將電流轉換成電壓，
以方便我們量測。[8]
3.2 語音 IC
使用者乘坐時間到達標準或是乘坐時姿勢 不正確，需要即時的通知使用者，應該起來活動 一下身體或是應該要調整乘坐的姿勢，因此我們 將採用語音的方式來提醒使用者，這樣可以令使 用者在使用上更為方便。
本文所使用的是翔音科技股份有限公司所 生產的語音 IC，產品型號為 SD178A，本模組適 用於全球定位導航系統或是各種掌上型、行動式 語音輸出裝置，SD178A 本身內建 30bytes 資料緩 衝器，控制方式是以輸入 Big5 碼或 ASCII 碼經 由 SD178A 的輸入腳接收並暫存於緩衝器，此時 SD178A 將會自動將緩衝器內的資料即時轉換為 高品質語音輸出，並且清除已完成的資料，以便 輸入文字能持續的送入緩衝器，目前 SD178A 所 能轉換的中文文字編碼(Big5)大約 13000 的字，
轉換的方式是利用 Big5 碼中的 High-Byte 和 Low-Byte 兩個十六進制的碼組成。
SD178A 本身也提供幾種命令碼，如停止播 放、暫停播放、重新啟動、調整文字間距時間及 進入省電狀態等，這樣可以方便使用者利用命令 碼去操控語音的輸出，此外，在 SD178A 進入省 電狀態時，還可利用 SD178A 所提供的 PWDN 這隻接腳，將連接於此接腳的元件關閉，以達到 省電的效果，如圖一為 IC 實體圖。[9-10]
圖一、SD178A IC 實體圖
四、系統架構
本論文系統主要針對長時間乘坐在椅子上 的人所設計，我們提出的偵測方式採用紅外線感 測裝置，在感測器設計上如圖二所示，紅外線發 射器與接收端之間加上軟管就如同牆壁一樣，軟 管沒有彎曲下則紅外線光束會直接傳達到紅外
線接收端，而當使用者乘坐在軟墊上，內部軟管 因受壓軟管彎曲使得紅外光束無法到達接收端，
接收端就會無法收到訊號。
圖二、紅外線感測示意圖
本系統所設計的架構圖如下圖三所示，系統 核心以單晶片微處理器為主，以讀取訊號控制週 邊系統整合部分，前端以紅外線來感應使用者是 否有乘坐在軟墊上，再經過中間的硬體電路處理 訊號，最後由微處理器來判斷結果;在使用上姿勢 在臀部與大腿不完全的坐滿軟墊，將利用語音立 即提醒使用者將坐姿修正，當正確坐上時就會開 始計算時間，乘坐的時間到達 15-20 分鐘，則提 醒使用者應該起來活動一下，舒解臀部壓力。
另外在提醒的方面，我們採用語音提醒 的方式，因為長時間乘坐在椅子上的人，大多數 都是需要將視線專注於崗位上，因此我們為了避 免使用者在專注於崗位上時，還要將視線移到顯 示器上確認是否該起來活動，因此我們採用語音 的方式來提醒，這樣可以避免使用者將視線移開 崗位上，又可以讓使用者直接聽到提醒的指示。
圖三、系統架構圖
五、結果
5.1 紅外線測試結果
本系統中所使用紅外線感測器上有加裝軟 管，把感測器埋置軟墊下方，使用者乘坐時會擠 壓到軟管的部分，導致紅外線接收端無法接收到 紅外束，系統可經由訊號判定為有人乘坐，所以 我們量測紅外線經過阻擋後在紅外線接收端所 產生的變化，實驗方式我們經由按壓軟管量測紅 外線接收端的電壓，實驗數據如圖四所示，在按 壓軟管後紅外線接收端的電壓會由 0.1V 爬升到 4.2V，並且穩定的在 4.2V 上，放開後電壓會由 4.2V 降回 0.1V，由此我們可以了解到紅外線套 上軟管後，在軟管上按壓是有變化且受材料影響 的，因此系統將透過這樣的電壓變化去判斷軟管 是否有受到擠壓。
圖四、紅外線反應電壓
5.2 紅外線軟管有效範圍
本系統中紅外線感測器的裝設位置如圖五 所示，將紅外線感測器裝置於坐墊下，並且在紅 外線感測器上加裝約 40 公分的軟管，軟管的作 用是為了提升紅外線的反應以及阻擋外在環境 的干擾，同時也是要給使用者乘坐的部位，因此 我們這次的實驗是要驗證在軟管上不同的位置 按壓時，是否會出現無效的位置，我們將 40 公 分的軟管平均劃分為二十個反應區段進行實驗 測試，實驗數據如表一所示，在軟管區分的二十 段有效範圍內只有前後的這兩段是處於毫無功 能，這是因為前後兩段(01 跟 20)分別為紅外線的 發射與接收感測器放置的區域，因此本實驗的軟 管內其實是整段都可感應，不會因為加裝軟管而 產生無效的範圍。
圖五、紅外線裝設示意圖
表一、軟管內光學感測反應狀況；
O 表示正常，X 表示失敗
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 X O O O O O O O O O 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
O O O O O O O O O X
5.3 軟管測試
在本系統中紅外線感測器上所裝置的軟管，
由於是要給使用者乘坐的部分，所以我們找了幾 種軟管來做比對，看哪一種的效果比較好，而比 對的部分為三個部分，第一部分為紅外線在裝置 不同的軟管時，反應電壓會不會因為不同的軟管 而導致反應電壓上的差異，第二部分為乘坐後的 軟管彈回至尚未乘坐時的電壓值需要多久時間，
第三部分為軟管重壓後是否會出現明顯的彈性 疲乏的現象。圖六為電壓變化示意圖。
圖六、電壓變化示意圖
軟管實測結果如圖七至圖九，分別為 PVC 透明管、耐熱套管及熱縮套管在受到每平方公分 2 公斤的壓力以及放開時所呈現的訊號變化，軟 管整體比較如表二所示，由此我們可以發現在電 壓變化的部分 PVC 透明管所反應的電壓太小，
並不適合用在紅外線感測器上，而彈回的時間則 是量測訊號由波峰降至波谷所消耗的時間，在彈 回效果的部分則是利用 2 公斤的砝碼壓在軟管上，
經過 15 分鐘後，再拿起來看是否有明顯的彈性 疲乏現象，由此我們可以發現熱縮套管在重壓一 段時間後，會出現明顯的彈性疲乏現象，因此也 不適合用在紅外線感測器上。
圖七、PVC 透明管波形圖
圖八、耐熱套管波形圖
圖九、熱縮套管波形圖
表二、軟管比對數據
PVC 透明管 耐熱套管 熱縮套管 反應電壓 0.11V 4.2V 4.5V 彈回時間 100ms 200ms 200ms 彈回效果 完全彈回 完全彈回 彈回 2/3
六、 討論與結論
從結果可以看出整個雛形已經完成，目前也 能透過語音來了解乘坐時的訊息，而紅外線感測 器放在坐墊下的話，則可能因為使用者所用的坐 墊不同而影響到判斷的結果，所以需要再做細部 的判斷或調整；另外紅外線感測器上的軟管，由 實驗中得知 PVC 透明管及熱縮套管在反應電壓 與彈回效果上有明顯的差異，所以我們採用耐熱 套管，不過耐熱套管雖然可以在重壓一段時間後 彈回原來的樣子，但是長久使用還是有可能會造 成軟管彈回的效果下降，而影響到判斷的結果，
所以在軟管的材質方面需要再做改善，這可能是 未來改善的重點。
最後，本系統根據現今社會許多人因為工作 關係需要長時間的坐在椅子上，導致全身血液不 循環、肌肉緊繃…等，長期下來容易引發慢性疾 病，因此，我們設計出一個可以偵測使用者乘坐 的時間及位置的系統，為了能夠達到降低因長時 間的乘坐所引發慢性疾病的機率，我們以紅外線 感測器來判斷使用者是否有乘坐在椅子上以及 乘坐的位置是否正確，當使用者乘坐滿 15 分鐘 時，則語音提醒使用者起來活動一下，這樣可以 降低慢性疾病發生的機率，初步結果可以看出確 實有機會可以做為坐墊提醒裝置，同時該系統不 但成本較低，架設上也較為簡單，本論文除初步 達到一套坐墊提醒裝置之研究開發外，未來也有 助於提升台灣光學產業的附加價值。
七、參考文獻
[1] 陳筱雲，壓瘡的治療與預防，脊髓損傷者協 會。
[2] 戚啟禮，壓瘡(褥瘡)的治療與預防，脊髓損 傷者協會。
[3] 王邦元，脊髓損傷者的褥瘡預防與治療，長 庚紀念醫院基隆分院復健科。
[4] 江忠豪，淺談適當坐姿，桃園榮民醫院復健 科。
[5] 張崇暐，紅外線的原理與應用，私立中山工 商。
[6] 監視攝影機之紅外線照明，尚立股份有限公 司。
[7] 何鑌恩、郭建宏，鐵路平交道遠端監控系統，
逢甲大學 自動控制工程學系，2004。
[8] 何彥賢，高靈敏度光電生化檢測系統，逢甲 大學 電機工程學系，2006。
[9] SD178A 技術資料，翔音科技股份有限公 司。
[10] 林彥廷，研發結合聲覺圖像與超音波測距之 電子導盲輔具，國立中央大學 資訊工程研 究所，96 年 7 月。
