CN104490398A - 一种新型脚步运动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型脚步运动监测系统，包括监测部分和移动终端，所述监测部分与所述移动终端通过蓝牙方式进行通讯，所述监测部分嵌入到鞋底后端内部预留的空间位置，所述移动终端装有APP应用软件，所述监测部分包括脚步监测装置，所述脚步监测装置设置在所述空间位置的底端，所述脚步监测装置监测脚步的多种运动状态并将监测数据进行保存，同时将所述监测数据通过蓝牙传送到所述移动终端的APP应用软件进行更新，所述监测数据包括运动时间、静止时间、运动步伐数、运动速度、运动距离、运动轨迹及所处位置的海拔高度。实施本发明的新型脚步运动监测系统，具有以下有益效果：监测参数全面、准确度较高、数据读取方便。

Description

一种新型脚步运动监测系统

技术领域

本发明涉及运动监测领域，特别涉及一种新型脚步运动监测系统。

背景技术

现有对脚部运动监测主要涉及足部压力检测、行走轨迹记录、统计脚步行走步伐数，以及根据身高和体重推算相应的行走速度、距离和消耗的热量；利用脚底受力情况来分析跌倒和行走规律；脚步行走步伐数主要是利用手、身体或外挂在鞋部所携带的传感器进行检测，存在监测参数单一、准确度不高、数据读取麻烦的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述监测参数单一、准确度不高、数据读取麻烦的缺陷，提供一种监测参数全面、准确度较高、数据读取方便的新型脚步运动监测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种新型脚步运动监测系统，包括监测部分和移动终端，所述监测部分与所述移动终端通过蓝牙方式进行通讯，所述监测部分嵌入到鞋底后端内部预留的空间位置，所述移动终端装有APP应用软件，所述监测部分包括脚步监测装置，所述脚步监测装置设置在所述空间位置的底端，所述脚步监测装置监测脚步的多种运动状态并将监测数据进行保存，同时将所述监测数据通过蓝牙传送到所述移动终端的APP应用软件进行更新，所述监测数据包括运动时间、静止时间、运动步伐数、运动速度、运动距离、运动轨迹及所处位置的海拔高度。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述监测部分还包括用于将脚步运动的机械能转换成电能的压电单元，所述压电单元设置在所述脚步监测装置的上方，所述压电单元与所述脚步监测装置之间预留一定的压缩空间，所述压电单元的上表面和下表面分别通过一根导线与所述脚步监测装置连接。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述压电单元为采用PZT材料制成的圆形双晶体压电陶瓷片。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述脚步监测装置包括运动监测模块、GPS模块、电源模块、MCU和蓝牙模块，所述运动监测模块与所述MCU连接、用于对脚步的运动采集数据并将采集的数据发送到所述MCU进行处理，所述GPS模块与所述MCU连接、用于记录行走过的运动轨迹，所述电源模块分别与所述运动监测模块、GPS模块、MCU和蓝牙模块连接、用于将所述压电陶瓷片输出的交流电转换为直流电并存储电能、同时将电压调整到其他模块工作的电压值，所述蓝牙模块与所述MCU连接、用于将所述MCU的数据上传到所述移动终端。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述脚步监测装置还包括振动模块，当所述脚步监测装置开始工作、低电压或有预设的告警时，所述MCU控制所述振动模块发出振动信号。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述运动监测模块包括加速度计、磁力计、陀螺仪和气压计，所述加速度计、磁力计、陀螺仪和气压计均与所述MCU连接。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述电源模块包括整流储能电路、阈值控制及充电电路、锂电池和降压电路；所述整流储能电路将所述压电陶瓷片产生的交流电转换为直流电，并用陶瓷电容将电能进行存储，当所述陶瓷电容的电压达到设定电压值时，所述阈值控制及充电电路给所述锂电池充电，所述降压电路将所述锂电池输出的电压调整到其他模块工作的电压值。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述MCU通过I2C接口接收所述运动监测模块采集的数据，所述MCU通过UART方式接收所述GPS模块的数据和所述蓝牙模块的数据。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述新型脚步运动监测系统还包括设置在所述压电陶瓷片上方的硬板片，所述硬板片的底面粘有多个依次排列的锥形弹性垫片。

在本发明所述的新型脚步运动监测系统中，所述锥形弹性垫片的个数为三个。

实施本发明的新型脚步运动监测系统，具有以下有益效果:由于包括使用监测部分和移动终端，监测部分与移动终端通过蓝牙方式进行通讯，监测部分嵌入到鞋底后端内部预留的空间位置，移动终端装有APP应用软件，监测部分脚步监测装置，脚步监测装置监测脚步的多种运动状态并将监测数据进行保存，同时将监测数据通过蓝牙传送到移动终端的APP应用软件进行更新，在移动终端就可以读取监测数据，监测数据包括运动时间、静止时间、运动步伐数、运动速度、运动距离、运动轨迹及所处位置的海拔高度，所以其监测参数全面、准确度较高、数据读取方便。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明新型脚步运动监测系统一个实施例中的结构示意图；

图2为所述实施例中新型脚步运动监测系统安装的结构示意图；

图3为所述实施例中新型脚步运动监测系统的具体电路框图；

图4为所述实施例中脚步运动监测的流程图；

图5为所述实施例中MCU对数据进行处理的具体流程图。

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。

在本发明新型脚步运动监测系统实施例中，该新型脚步运动监测系统的结构示意图如图1所示。图2为本实施例中新型脚步运动监测系统安装的结构示意图。参见图1和图2，本发明提供的新型脚步运动监测系统主要由硬件部分和软件部分组成，该新型脚步运动监测系统包括监测部分1和移动终端2，监测部分与移动终端2通过蓝牙方式进行通讯，监测部分1与普通鞋类结合，嵌入到鞋底后端内部预留的空间位置，移动终端2装有APP应用软件，监测部分1包括脚步监测装置11，脚步监测装置11设置在空间位置的底端，脚步监测装置11监测脚步的多种运动状态并将监测数据进行保存，同时将监测数据通过蓝牙传送到移动终端2的APP应用软件进行更新，其中，监测数据包括运动时间、静止时间、运动步伐数、运动速度、运动距离、运动轨迹及所处位置的海拔高度，以及判断每一步的抬起、落下，判断是行走在平路、上坡、下坡、上下楼梯。由于监测的参数比较全面，比较全面的将所行走的路径、方向、距离及海拔高度全部记录下来，并将这些数据通过无线蓝牙技术传送到移动终端2的应用软件，所以其监测参数全面、准确度较高、数据读取方便。

传统的监测设备一般使用一次型纽扣电池或使用一个接口进行充电，需要经常性进行电池更换或充电操作，使用起来很不方便。本实施例中，上述监测部分1还包括压电单元12，压电单元12根据人在行走时，在重复地做“抬脚-移动-下压”的机械运动，将脚步运动的机械能转换成电能，并通过特殊的处理电路将该电能储存起来，给自身系统供电，实现系统的电能补充，其使用起来较为方便。压电单元12设置在脚步监测装置11的上方，压电单元12与脚步监测装置11之间预留一定的压缩空间，压电单元12的上表面和下表面分别通过一根导线005与脚步监测装置11连接。

常用压电材料包括压电单晶体、压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料等。其中，压电陶瓷锆钛酸铅(P Z T)已经成为国内外压电振动发电领域最常用的压电材料之一。本实施例中，压电单元12为采用PZT材料制成的圆形双晶体压电陶瓷片。当电压作用于压电陶瓷片时，压电陶瓷片就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷片时，则会产生一个电荷，本发明正是利用这一原理实现机械能到电能的转换。

本实施例中，该新型脚步运动监测系统还包括硬板片002，硬板片002设置在压电陶瓷片上方，硬板片002的底面粘有多个依次排列的锥形弹性垫片003。本实施例中，锥形弹性垫片003的个数为三个，当然，在本实施例的一些情况下，锥形弹性垫片003的个数可根据具体情况进行相应调整。

如图2所示，压电陶瓷片作为一个部件，脚步监测装置11作为一个部件，分别嵌入到鞋001的鞋底007预留好的空位。预留的空位最上方放置一块硬板片002，硬板片002的底面粘着三块锥形弹性垫片003，锥形弹性垫片003的下方放着压电陶瓷片，压电陶瓷片的下方预留出一点3毫米的空间，以作为压电陶瓷片挤压下去的压缩空间，当然，压电陶瓷片的下方预留的空间大小可根据具体情况进行调整。压电陶瓷片和脚步监测装置11通过两根导线005分别连接到压电陶瓷片的上下两个面。脚步监测装置11放置于压电陶瓷片的下方。

本实施例中，脚步监测装置11包括运动监测模块111、GPS模块112、电源模块113、MCU114和蓝牙模块115，运动监测模块111与MCU114连接、用于对脚步的运动采集数据并将采集的数据发送到MCU114，MCU114按照特定的算法将脚部的运动方向、运动速度、运动距离、运动步伐数、运动时间、静止时间统计出来并进行保存或传送到移动终端2。GPS模块112与MCU114连接、用于记录行走过的运动轨迹，具体就是GPS模块112获取当前经纬度信息，并可以输出当前位置的经纬度及实时时间，当检测到脚部在运动时，MCU114控制定时开启GPS模块112，获取当前的经纬度信息，配合运动数据一起进行保存或传送到移动终端2。电源模块113分别与运动监测模块111、GPS模块112、MCU114和蓝牙模块115连接、用于将压电陶瓷片输出的交流电转换为直流电并存储电能、同时将电压调整到其他模块工作的电压值。蓝牙模块115与MCU114连接，属于蓝牙低功耗模块(4.0版本以上)，使用蓝牙4.0标准，超低功耗，非常适合小数据流设备间的通讯，与移动终端2蓝牙接口对接，建立通讯后，蓝牙模块115可以将MCU114的数据上传到移动终端2，以便于用户读取数据。

本实施例中，脚步监测装置11还包括振动模块116，振动模块116与MCU114连接、用于当脚步监测装置11开始工作、低电压或有预设的告警时发出一个振动信号，给使用者一个提示。本实施例中，振动模块116由一个微型电机组成。

值得一提的是，MCU114内带数据储存功能，烧录有编录好的程序，MCU114通过I2C接口接收运动监测模块111采集的数据，通过串口(具体是UART)方式接收GPS模块112的数据和蓝牙模块115的数据。MCU114将收集到的数据按照一定的算法进行统计、汇总，并将处理后的结果通过蓝牙模块115传送到移动终端2或保存在内部的存储器上，或输出到振动模块116上，使振动模块116输出振动信号进行提示。

图3为本实施例中新型脚步运动监测系统的具体电路框图，本实施例中，运动监测模块111集成了多款MEMS(微机电系统)传感器。图3中，运动监测模块111包括加速度计1111、磁力计1112、陀螺仪1113和气压计1114，加速度计1111、磁力计1112、陀螺仪1113和气压计1114均与MCU114连接。其中，加速度计1111、磁力计1112和陀螺仪1113均输出横轴、纵轴和竖轴三轴数据。

本实施例中，电源模块113包括整流储能电路1131、阈值控制及充电电路1132、锂电池1133和降压电路1134。本实施例中，阈值控制及充电电路1132包括阈值控制电路和充电电路(图中未示出)。压电陶瓷片产生的是交流、瞬间电压，整流储能电路1131将压电陶瓷片产生的交流电转换为直流电，并用陶瓷电容将电能进行存储，当陶瓷电容的电压达到设定电压值(本实施例中一般5V以上)时，阈值控制电路控制充电电路给锂电池1133充电，本实施例中，锂电池1133的电压在4.0V左右，其他元件或模块都属于低电压、低功耗元件，工作电压在3.6V以下，降压电路1134负责将电压调到适合其他元件或模块工作的电压值。值得一提的是，电源模块113另一个作用是作为触发信号，该触发信号用于在长时间待机后(两天以上)唤醒系统。

下面具体介绍脚步运动检测的具体流程。图4为本实施例中脚步运动监测的流程图；图5为本实施例中MCU对数据进行处理的具体流程图。

本实施例中，脚步监测装置11是一片贴有电子元件的PCB板，使用一个硬性盒子装载起来。按照以下步骤进行运动检测：

(1)首先按照图2所示，将脚步监测装置11、导线005、压电陶瓷片、硬板片002安装好，接通电源，系统即开始工作。

(2)对各模块初始化，此步骤主要进行以下几个方面的工作：(a)设定MCU114的工作频率和实时时钟频率，配置与运动监测模块111端口的输入和输出方向；(b)通过I2C方式设定加速计1111、磁力计1112、陀螺仪1113和气压计1114的工作模式和数据输出频率，其中，要设定加速度计1111的静止阈值和运动阈值，并产生一个中断信号，即当数据小于某个阈值时，认为处于静止状态，大于另一个阈值认为是处于运动状态；(c)通过UART方式设定蓝牙模块115的工作模式、设备名称和连接参数；(d)清空MCU114内部的存储器；(e)GPS模块112为主动输出模式，无须做任何设置，直接通过控制其电源，实现关闭和开启功能，与其连接的MCU114的接收端口要设置成模块配套的串口波特率。

(3)加速度计1111进入工作：MCU114通过I2C方式向加速度计1111发送指令，使加速计1111进入检测工作状态，开始检测脚部运动。

(4)加速度计1111开始工作后，首先根据加速度计1111的中断输出口，判断脚部是处于运动状态还是静止状态。若是运动状态，对加速度计1111、磁力计1112、陀螺仪1113、气压计1114和GPS模块112进行数据采集。

(5)检测到有运动动作时，磁力计1112、陀螺仪1113和气压计1114进入检测工作状态，同时蓝牙模块115进入广播状态，等待连接；GPS模块112的工作除了受运动影响，还要受时间控制，必须每经过3分钟才工作一次，收取数据后马上又关闭，节省耗电量。当然，在本实施例的一些情况下，根据具体情况，GPS模块112也可以每经过4分钟或其他时间间隔工作一次。

(6)数据采集：运动监测模块111开启后即会有数据输出，通过I2C或UART输出的数据，MCU114进行多次采集，然后累加取平均值；GPS模块112输出的数据无需处理，只需根据输出的数据判断是否为有效的GPS数据即可(一般接收到三颗卫星信号，就认为输出的是有效值)。

(7)数据处理：MCU114根据采集到数据，按照一定的判别方式，得出脚步运动情况。具体如下：

(a)加速度计1111的数据经过累加取平均值，相当进行一次过滤，将横轴、纵轴和竖轴三轴的数据，分别进行前后两次的数据进行比较得到变化值，本实施例中，为了描述方便，将横轴、纵轴和竖轴分别标记为X轴、Y轴和Z轴，X轴为例：

△X＝Xn–Xn-1，其中，△X为X轴前后两次的数据变化值，Xn为X轴第n次的数据，Xn-1为X轴第n-1次的数据；

然后判断变化值是否达到最小要求：

若△X<△Xmin，判断下一组数据；

若△X>△Xmin，搜索判断X轴的Xmin値和Xmax；

直至得到Xmin和Xmax就能判断X轴的变化过程。Y轴和Z轴同理得到。

由于在安放监测部分1时，已经规定好了X轴、Y轴和Z轴的坐标方向，如向前为X轴正方向，向右为Y轴正方向，向上为Z轴正方向。脚部运动时，其中两轴的数据变化是比较大的，Z轴是肯定变化的，取X轴和Y轴变化值的绝对值：

△Xmax_min＝|Xmax–Xmin|

△Ymax_min＝|Ymax–Ymin|

比较两者变化，从而得到向前/向后或向左/向右的判断结果，再根据最大值和最小值的正负值判断出前、后、左、右动作。同时也完成了行走一步的步伐判断。

判断出步伐后，计算出max与min值的时间，并设定每次的采样间隔相等。假设△t为采样间隔，an第n点加速度，a0＝0，V0＝0。

V1＝a1*△t

V2＝V1+a2*△t

Vn＝(a1+a2…..an)*△t

速度和时间的积分累加得到距离：

s＝∫Vn*△t

(b)陀螺仪1113得到的数据是角速度，表示单位时间内转动的角度；将水平面作为一个开始点，它相对水平面的变化是通过积分累加得到的。其可以与加速度计1111的数据结合进行卡尔曼滤波，得到一个比较真实的平面偏转姿态。

(c)磁力计1112的数据处理，利用磁力计1112始终指向北的特性，将获取到的数据进行累加，得到当前所处指向相对于正北向的偏移量，作为下次运动开始的参考原点。

(d)气压计1114输出的数据包括气压值与当前温度，气压单位为Mbar，温度单位为摄氏度，根据Mbar与Par的关系：1Pa＝100Mbar，转换成标准Pa为单位的数据进行保存，气压与海拔高度的关系比较复杂，他们之间的转换由移动终端2完成。

(e)MCU114接收到GPS数据，判断其有效性，有效则连同上述计算的结果一起保存，无效则直接丢弃，只保存上述计算结果。

(f)移动终端2可以通过蓝牙模块115对脚步监测装置11设置步伐数、距离、运动提醒、气压过低/过高等警报作用。每次数据处理完毕后，都会比较是否有符合告警设置的数据，若有就发送提示信息到移动终端2，同时通过振动模块116进行提醒。

(8)数据经过处理后，根据当前蓝牙模块115与移动终端2的连接状态，决定数据是否保存下来，若已经连接，即将数据发送到移动终端2上，不进行保存处理。若处于断开状态，则将数据保存下来，等待下次连接时，再一起发送出去。

(9)若加速度计1111没有检测到运动动作，则关闭磁力计1112、陀螺仪1113、气压计1114、GPS模块112和蓝牙模块115，降低功耗。连续10秒内无运动动作，MCU114进入休眠模式，以节省更多电耗。当然，在本实施例的一些情况下，这里的10秒也可以调整为其他的大小。

(10)若5分钟内，加速度计1111检测到运动，MCU114马上唤醒，判断加速度计1111的运动强度。若5分钟内一直都处于静止状态，MCU114进入待机状态，电耗达到最低。进入待机时，MCU114将会关闭加速度计1111。此时，只有压电陶瓷片产生电能时才能唤醒，系统方可重新进入工作状态。值得一提的是，在本实施例的一些情况下，这里的5分钟可以调整成其他的大小。

(11)压电陶瓷片的发电过程：脚部运动时，是一抬一压的，当压下时，将脚跟力压在硬板片002上，硬板片002再将力通过锥形弹性垫片003传送到压电陶瓷片上，使其发生形状变化，从而在压电陶瓷片的两面产生电能；当抬脚时，压电陶瓷片恢复正常形状，也会产生电能，两次产生的电荷极性是相反的，所以输出是交流电。压电陶瓷片输出的交流电经过桥式整流转化成直流电，并用陶瓷电容储存起来。每次输出的电能范围为：1—10V，20mW—50mW，电量比较小，必须经过储存累加，达到一定数值后方能给其他元件供电。使用阈值控制电路使储存电压达到5V-9V范围内，再输出到充电电路。本实施例中，充电电路是由一个专门为锂电池充电的IC组成，可以实现恒定电流、恒定电压线性充电。锂电池1133是一个带有过充过放保护功能的电池，标准电压为4.0V。锂电池1133为系统供电必须经过一个线性低压差电源IC(LDO)进行降压处理后，输出标准的3.3V电源。

总之，在本实施例中，该新型脚步运动监测系统可全面监测运动状态，并通过蓝牙及时更新到移动终端2的APP应用软件。该新型脚步运动监测系统可将人行走产生的机械能转换成电能，并通过特殊的处理电路将该电能储存起来，以便给自身系统供电。APP应用软件可以根据监测数据做一些特殊应用，如功能齐全的计步器、跳舞步伐装置、老人行走监测仪或脚部健康监测仪等等，其应该较为广泛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型脚步运动监测系统，其特征在于，包括监测部分和移动终端，所述监测部分与所述移动终端通过蓝牙方式进行通讯，所述监测部分嵌入到鞋底后端内部预留的空间位置，所述移动终端装有APP应用软件，所述监测部分包括脚步监测装置，所述脚步监测装置设置在所述空间位置的底端，所述脚步监测装置监测脚步的多种运动状态并将监测数据进行保存，同时将所述监测数据通过蓝牙传送到所述移动终端的APP应用软件进行更新，所述监测数据包括运动时间、静止时间、运动步伐数、运动速度、运动距离、运动轨迹及所处位置的海拔高度。

2.根据权利要求1所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述监测部分还包括用于将脚步运动的机械能转换成电能的压电单元，所述压电单元设置在所述脚步监测装置的上方，所述压电单元与所述脚步监测装置之间预留一定的压缩空间，所述压电单元的上表面和下表面分别通过一根导线与所述脚步监测装置连接。

3.根据权利要求2所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述压电单元为采用PZT材料制成的圆形双晶体压电陶瓷片。

4.根据权利要求3所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述脚步监测装置包括运动监测模块、GPS模块、电源模块、MCU和蓝牙模块，所述运动监测模块与所述MCU连接、用于对脚步的运动采集数据并将采集的数据发送到所述MCU进行处理，所述GPS模块与所述MCU连接、用于记录行走过的运动轨迹，所述电源模块分别与所述运动监测模块、GPS模块、MCU和蓝牙模块连接、用于将所述压电陶瓷片输出的交流电转换为直流电并存储电能、同时将电压调整到其他模块工作的电压值，所述蓝牙模块与所述MCU连接、用于将所述MCU的数据上传到所述移动终端。

5.根据权利要求4所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述脚步监测装置还包括振动模块，当所述脚步监测装置开始工作、低电压或有预设的告警时，所述MCU控制所述振动模块发出振动信号。

6.根据权利要求5所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述运动监测模块包括加速度计、磁力计、陀螺仪和气压计，所述加速度计、磁力计、陀螺仪和气压计均与所述MCU连接。

7.根据权利要求4所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述电源模块包括整流储能电路、阈值控制及充电电路、锂电池和降压电路；所述整流储能电路将所述压电陶瓷片产生的交流电转换为直流电，并用陶瓷电容将电能进行存储，当所述陶瓷电容的电压达到设定电压值时，所述阈值控制及充电电路给所述锂电池充电，所述降压电路将所述锂电池输出的电压调整到其他模块工作的电压值。

8.根据权利要求7所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述MCU通过I2C接口接收所述运动监测模块采集的数据，所述MCU通过UART方式接收所述GPS模块的数据和所述蓝牙模块的数据。

9.根据权利要求8所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述新型脚步运动监测系统还包括设置在所述压电陶瓷片上方的硬板片，所述硬板片的底面粘有多个依次排列的锥形弹性垫片。

10.根据权利要求9所述的新型脚步运动监测系统，其特征在于，所述锥形弹性垫片的个数为三个。