CN103815876B - 一种穿戴式导电织物传感系统 - Google Patents

Abstract

一种穿戴式导电织物传感系统，包括传感节点以及用于传感节点传输信号的总线和接口，传感节点包括一个主节点和多个从节点，各从节点将各自的传感信号通过各自的接口传递到总线上，主节点的自身传感信号以及通过接口由总线获取的各从节点的传感信号以无线蓝牙方式发送至外部接收终端进行分析处理；总线包括位于同一中心点、由内向外逐步增大并之间绝缘的五圈环形导电织物线，分别定义为电源线VCC、地线GND、信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY，多圈环形导电织物线固定连接在上衣的前胸部位并覆盖绝缘布，绝缘布与上衣固定连接。

Description

一种穿戴式导电织物传感系统

技术领域

本发明专利涉及一种穿戴式导电织物传感系统，属于传感器技术领域。该系统能够实现可穿戴式人体生理信号与运动信号传输，适用于康复医疗、运动监测等多个领域。

背景技术

随着人口老龄化程度加深，老年人的生理健康监护越来越受到人们的关注，应用可穿戴技术，可实现人体的多种生理参数的健康监护，多种生理参数一般为人体的心电信号、脉搏信号及血氧信号等，通过穿戴这些传感器，实现穿戴化生理信号监测。由于需要对人体的多种信号进行监护，穿戴的传感器之间需要进行通信，一般采用无线连接方式，此时传感器节点为一个具有无线通信功能的传感节点，应用无线蓝牙通信协议或ZigBee无线通信协议等一些短程无线通信协议，实现传感节点间的无线传输。这种传感节点通过节点本身的电池进行供电，用于提供节点采样所需的能耗以及无线通信的能耗，一般无线通信的能耗为节点采样能耗的10倍以上，故节点大量能耗用于节点间无线通信，节点寿命较短，当节点电池耗尽后则需要更换新的电池方可以进行传感，更换电池麻烦，不利于长时间的生理参数监护。

发明内容

本发明目的是设计一种穿戴式的导电织物传感系统，该系统采用导电织物总线将传感器的传感数据进行传输，并可通过总线对传感器进行有效控制。利用导电织物柔性、可导电特点，并对该柔性导电织物进行绝缘密封处理，优化导电织物与传感节点的接口，达到支持即插即用的可穿戴式传感。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种穿戴式导电织物传感系统，包括传感节点以及用于传感节点传输信号的总线和接口，各传感节点与人体监测部位相对应，其特征在于，传感节点包括一个主节点和多个从节点，各从节点将各自的传感信号通过各自的接口传递到总线上，主节点的自身传感信号以及通过接口由总线获取的各从节点的传感信号以无线蓝牙方式发送至外部接收终端进行分析处理；其中：

总线包括位于同一中心点、由内向外逐步增大并之间绝缘的五圈环形导电织物线，分别定义为电源线VCC、地线GND、信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY，VCC的电压范围为3.3V至36V，GND为0V，剩余的3根信号线TXD、RXD及BUSY作为逻辑电平，0V代表逻辑0输出，3.3V代表逻辑1输出；多圈环形导电织物线固定连接在上衣的前胸部位并覆盖绝缘布，绝缘布与上衣固定连接；

每个传感节点设有一个接口，该接口为一对互相对应连接的金属暗扣，暗扣上设有五个连接点，其中一半上的五个连接点分别通过与衣服固定的导电织物线连接总线的电源线VCC、地线GND、信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY，另一半上的五个连接点对应连接各传感节点；

主节点包括锂电池、蓝牙模块、传感器模块和微控制器，锂电池除向主节点内的各模块供电外，其正极还通过接口连接总线的电源线VCC，负极连接总线的地线GND，传感器模块及蓝牙模块分别通过SPI总线及串口与微控制器双向连接，微控制器通过接口分别连接总线的信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY；

从节点不设电源，包括传感器模块和微控制器，由总线的电源线VCC和地线GND通过接口连接从节点的对应连接点，向从节点提供电源，传感器模块通过SPI总线与微控制器双向连接，微控制器通过接口分别连接总线的信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY；

所说环形导电织物线为椭圆形，椭圆中心为衣服的中心，椭圆的长轴为衣服的垂直中心线，最外圈椭圆的长轴半径100mm～400mm，短轴半径50mm～200mm，每圈导电织物线的宽度2mm～15mm，导电织物线依次从最外侧椭圆形向中心依次排列布置，各圈导电织物线的间距4mm～30mm。

本发明的优点及其效果：

1）导电织物传感系统的信号传输总线采用柔性导电织物，可以随人体的运动进行活动，不会对其传输信号造成影响；

2）柔性导电织物总线通过绝缘布料进行绝缘，总线内部的织物导线之间为封闭绝缘，与普通导线相比，可与衣服缝合相连，更好的与穿戴的衣物融合，布线等方式简单；

3）柔性导电织物总线由主节点进行供电，其余从节点可通过该总线获取电源，弥补了一般总线不能提供电源缺点；导电织物总线固定方式简单，可通过缝纫、针织的方式与衣服连接；

4）导电织物总线上的金属暗扣与传感节点的金属暗扣采用阴阳扣对应插接，支持“即插即用”的总线信号传感，不需要时可直接取走该传感装置，使用方便，并可通过合理的排列方式，实现插接的唯一性，防止插错；

5）导电织物总线质量轻，与织物相结合后，直接制成可穿戴衣服，从而实现隐形感知目的；

6）导电织物总线支持多传感节点接入，通过总线上增加金属暗扣，即可通过插入新的传感节点，从而实现多传感量的传感；

7）传感节点可通过总线进行实时控制，当需要时设置为工作状态，不需要时可设置为低功耗状态，实现可测可控功能；

8）采用多圈环形导电织物总线通信方式，当某圈线路出现断路时，依然可通过环形导线进行传感，因此系统的可靠性增强。

附图说明

图1是本发明穿戴式导电织物传感系统的总体结构；

图2是主节点的结构方框图；

图3是从节点的结构方框图；

图4是导电织物线与衣服的固定连接图；

图5是导电织物线与接口的连接图；

图6是金属暗扣的结构图；

图7是从节点与总线之间的关系图；

图8是总线工作时序图；

图9是环形导电织物总线防断路原理；

图10是本发明系统的工作原理图。

具体实施方式

参看图1、4、5，本发明穿戴式导电织物传感系统包括一个主节点、多个从节点（图中上方2个）、导电织物总线和总线接口，传感节点将传感信息发送至总线，由总线上的主节点发送给蓝牙接收端。传感节点由总线接口与总线连接。其中，主节点向系统提供电源，并以无线蓝牙方式传输来自总线上的信息；从节点通过系统获取电源，并将传感得到的信息发送到总线上。导电织物总线为五圈封闭的椭圆线D1、D2、D3、D4，D5（也可以是圆形、矩形等），由外向内分别定义为电源线VCC、地线GND、状态信号线BUSY、信号输入线RXD、信号输出线TXD。其中VCC的电压范围为3.3V到5V，GND为0V，剩余的3根信号线作为逻辑电平，即0V代表逻辑0输出，3.3V代表逻辑1输出。可通过织物线H1、H2、H3、H4、H5分别缝制固定于衣服上。在五圈封闭的椭圆线的外表面覆盖绝缘布料，其形状面积应覆盖导电织物线形成的椭圆区域，通过织物线J1、J2、J3、J4和J5缝制固定在衣服上，椭圆中心o即是衣服的中心。选用椭圆状结构是参考衣服的结构一般是长方形，由于穿戴式的传感一般需要检测的部位不在衣服的边缘，如检测心电是在人体心脏部位，故结合所需的传感量，设计选用了椭圆状作为导电织物形状，同时椭圆形相比长方形节省布料，同时覆盖面积较广，使得导电织物结构最优化处理。五圈封闭的椭圆形导电织物总线D1、D2、D3、D4，D5分别通过5条外表绝缘、与衣服固定的导电织物线L1、L2、L3、L4、L5分别与接口上的5个连接点连接。

主节点如图2，包括锂电池、蓝牙模块、传感器模块和微控制器。主节点连入总线后，通过将锂电池直接连入总线的VCC和GND线，实现对总线的电源供给，同时锂电池对主节点进行供电，使得节点能够正常工作。微控制器的串口1读取总线的数据后，又通过微控制器的串口2连接蓝牙模块的串口，从而将接收的数据发送出去。主节点本身具有传感功能，微控制器通过SPI总线读取传感器的数据，读取的数据直接通过串口2发送给蓝牙模块的串口。

从节点如图3，包括传感器模块和微控制器，接入总线的从节点通过VCC和GND获取电源实现正常的工作电压，微控制器通过内部总线SPI总线读取传感器的数据后，实现传感器数据采集，此时从节点的微控制器将数据存放至发送缓冲中，并进入发送数据准备阶段；其后，微控制器实时读取总线BUSY信号线的电平信号，若电平信号为高电平时，则表示总线处于空闲时，微控制器通过串口将数据发送到总线的TXD线，若为低电平，则表示总线处于忙碌状态，微控制器等待直到总线为空闲状态；由于总线为双向总线，故接入总线上的设备可通过总线RXD信号线实时读取总线上的数据，通过总线指令从而控制从节点的工作状态。

如图6，总线接口采用一对阳、阴结构扣的金属暗扣，固定在椭圆的外侧。一半为阳扣，另一半为阴扣，每一半上都设有5个连接点，其中一半上的五个连接点分别通过与衣服固定的导电织物线连接总线的电源线VCC、地线GND、信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY，另一半上的五个连接点对应连接各传感节点。与总线连接的一半通过针线固定在衣服上，与传感节点连接的一半则是通过焊锡技术固定在传感节点的焊盘上。可以设计一种五个连接点的排列方式，使得阳、阴扣之间具有唯一的插接，防止插错连接。

本发明系统的工作原理如图7、8、9，系统由主节点向总线提供电源；同时主节点实时读取BUSY线从而判断总线工作状态，若检测到BUSY线为高电平，则表示总线处于空闲状态，此时可以通过总线发送数据，反之则否；并且主节点串口1于总线进行连接，由主节点的RXD1接收总线上TXD线的信息，并且通过主节点的TXD1发送信息至总线上RXD线；对于通信部分，主节点通过串口2与蓝牙模块连接，实时将数据通过串口2的TXD2发送数据至蓝牙模块的RXD，并由主节点RXD2接收来自蓝牙模块上的信；最后通过将总线接收的信息通过蓝牙模块以无线蓝牙方式发送给蓝牙接收终端，实现数据的远程传输。

系统信号传输总体分为两种，第一种传输方向为从节点传感至蓝牙模块，另一种为从蓝牙模块至传感节点。对于第一种传输方向，如图7、8所示，系统包括两个从节点1、2和主节点，系统上电后，BUSY信号线为高电平，从节点1完成信号传感后，开始读取BUSY信号，当判断总线为高电平后，从而判断总线为空闲状态，将BUSY拉低电平通过总线TXD线发送数据，发送完后，将BUSY信号线拉高电平并进入休眠状态，等待下一定时中断进行传感信号；此时从节点2也在进行传感信号，完成后读取BUSY信号线，当发现BUSY位低电平后，等待BUSY为高电平，当BUSY线为高电平后，从节点2开始发送，将BUSY线拉低电平，发送完成后将BUSY线拉高电平，其后进入休眠状态，等待下一定时中断进行传感信号；对于主节点则通过判断BUSY信号线，当发现为低电平时，则从总线TXD读取信号，主节点读取后的信息通过端口TXD2发送数据至蓝牙串口，再由蓝牙模块将数据直接发送出去。主节点本身具有传感功能，进行传感后直接通过主节点端口TXD2发送数据至蓝牙串口，再由蓝牙模块将数据直接发送出去。

对于第二种系统传输方向即从蓝牙模块至传感节点，当蓝牙模块接收数据后，蓝牙模块将数据发送至主节点RXD2上，主节点通过判断总线BUSY信号线，当BUSY信号线为低电平时，则进入等待BUSY线状态，当判断BUSY线为高电平时，则进行向总线发送数据，此时主节点通过TXD1向总线RXD发送数据，同时将BUSY线拉低电平，发送完数据后，拉高BUSY信号线；此时的从节点1实时读取总线RXD信号线，当读取完数据后自动根据控制命令进行工作状态变化，实现对从节点的控制；同样，从节点2实时接收总线RXD信号线，并更具控制命令进行工作状态的相应变化。

如图9所示，当某一段椭圆线出现断路现象时，若该导电织物总线为线性结构，那么节点间断路时将发送节点不能正常工作现象，影响系统正常工作，而采用了环状的导电织物总线结构，那么当总线某处发生断路时，节点间将通过环状结构的织物总线的另一侧未断路处进行传感，此时，即使总线发送断路现象，仍然可以正常工作。

实施例：具有3个传感节点接口的导电织物传感系统，该导电织物传感系统总体结构为椭圆状，长轴为400mm，短轴为300mm，该椭圆中心位于衣服的中心位置，3个传感节点接口位置分别为椭圆的左上角、右上角以及左下角位置，其中左下角传感节点为主节点，左上角及右上角传感节点为从节点，总线之间绝缘，总线附着底面为绝缘布料，其表面也为绝缘布料。如表1所示，导电织物总线包括了VCC、GND、TXD、RXD以及BUSY线，分别为总线电源正极、电源地线、信号输出、信号输入以及状态信号线，其中VCC的电压范围为3.3V到36V，GND为0V，剩余的3根信号线作为逻辑电平，即0V代表逻辑0输出，3.3V代表逻辑1输出。主节点向总线提供电源，从节点通过总线获取电源。表1：

信号类型	信号线标识	信号作用	信号电平范围
				VCC	D5	提供总线上节点电源正极	3.3V～36V
GND	D4	提供总线上节点的电源地线	0V
				TXD	D3	总线信号输出	逻辑电平
RXD	D2	总线信号输入	逻辑电平
				BUSY	D1	总线状态信号	逻辑电平

当系统需要运行时，连入总线的主节点锂电池向总线提供电源，从节点本身不带电源，通过总线获取电源。主节点的串口1实时读取总线上TXD线的数据，并通过串口2向蓝牙模块发送数据，从节点上数据通过串口发送到总线上的TXD，并通过将BUSY线拉低电平防止数据碰撞；主节点通过读取蓝牙串口的数据，并实时将数据通过微控制器的串口1发送到总线的RXD上，而从节点通过读取RXD数据，通过不同的指令实现不同的控制，本实施实例中选用了简单指令，指令包含两个字节，第一个字节为节点号，第二个字节为具体指令，如从节点1接收的指令数据为0101，则表示从节点1号从节点正常运行，0102为从节点1号传感节点进入休眠状态。总线的数据时通过接收节传感点的蓝牙模块实现与外部进行交互的，主节点可将数据以无线蓝牙方式发送至PC或者手机端蓝牙接收处，接收的信息可以实时的打印在电脑屏幕上或者手机屏幕上。

Claims (2)

1.一种穿戴式导电织物传感系统，包括传感节点以及用于传感节点传输信号的总线和接口，各传感节点与人体监测部位相对应，其特征在于，传感节点包括一个主节点和多个从节点，各从节点将各自的传感信号通过各自的接口传递到总线上，主节点的自身传感信号以及通过接口由总线获取的各从节点的传感信号以无线蓝牙方式发送至外部接收终端进行分析处理；其中：

总线包括位于同一中心点、由内向外逐步增大并之间绝缘的五圈环形导电织物线，分别定义为电源线VCC、地线GND、信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY，VCC的电压范围为3.3V至36V，GND为0V，剩余的3根信号线TXD、RXD及BUSY作为逻辑电平，0V代表逻辑0输出，3.3V代表逻辑1输出；五圈环形导电织物线固定连接在上衣的前胸部位并覆盖绝缘布，绝缘布与上衣固定连接；

每个传感节点设有一个接口，该接口为一对互相对应连接的金属暗扣，暗扣上设有五个连接点，其中一半上的五个连接点分别通过与衣服固定的导电织物线连接总线的电源线VCC、地线GND、信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY，另一半上的五个连接点对应连接所述传感节点；

主节点包括锂电池、蓝牙模块、传感器模块和微控制器，锂电池除向主节点内的各模块供电外，其正极还通过接口连接总线的电源线VCC，负极连接总线的地线GND，传感器模块通过 SPI 总线与微控制器双向连接，蓝牙模块通过串口与微控制器双向连接，微控制器通过接口分别连接总线的信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY；

从节点不设电源，包括传感器模块和微控制器，由总线的电源线VCC和地线GND通过接口连接从节点的对应连接点，向从节点提供电源，传感器模块通过SPI总线与微控制器双向连接，微控制器通过接口分别连接总线的信号输出线TXD、信号输入线RXD及状态信号线BUSY。

2.根据权利要求1所述的穿戴式导电织物传感系统，其特征在于，环形导电织物线为椭圆形，椭圆中心为衣服的中心，椭圆的长轴为衣服的垂直中心线，最外圈椭圆的长轴半径100mm~400mm，短轴半径50mm~200mm，每圈导电织物线的宽度2mm~15mm，导电织物线依次从最外侧椭圆形向中心依次排列布置，各圈导电织物线的间距4mm~30mm。