CN108272443A - 可穿戴式手功能状态监测系统及设备 - Google Patents

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王川
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Mu Chengpo
Wang Chuan
Wang Yanjie
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Abstract

本发明主要应用在医疗康复领域中对手指受伤病人的实时监测，通过全天24小时的不间断测量和采集受伤手指的压力、温度、运动姿态等数据，依据对这些数据的科学分析，有助于医生准确、及时掌握病情，确定相应的治疗方案。本发明公开了一种用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其包括：1个模拟传感器，用来测量手指伤口处的压力，实时输出相应的1路电压信号；2个数字传感器，分别用来测量受伤手指的温度、运动姿态，实时输出相应的数字信号；OLED显示电路，经内部稳压后，显示温度、压力等信息；蓝牙通信电路，将手指信息等传输至手机蓝牙串口进行数据处理和可视化显示；单片机处理器，接受各路输入信号，形成1路串行数据进行传输。

Description

可穿戴式手功能状态监测系统及设备
技术领域
本发明涉及一种手功能状态监测设备，特别涉及一种适用于可穿戴式手功能状态监测系统及设备，属于医疗康复领域。
背景技术
手是人类改造世界的工要工具，因而手功能的削弱会给患者和家庭带来了极大负担，常见的手伤势有：肿胀、关节僵硬、肌肉萎缩等手外伤及手指骨折。现有的监测手段是通过传统医生一对一的人工肉眼识别，而我国手功能障碍伤者数量庞大且不断增长和康复医师缺乏，无法实时及精确监测手伤口的恢复情况，这耗费了原本有限的医疗资源，既增加了成本，又达不到最佳效果。
发明内容
本发明提供一种可穿戴式手功能状态监测系统及设备，可以极大的释放现有监测过程中的医疗人力资源，并且可以实时更新受伤手指的运动姿态、压力等体征信息，完成一套完整基于嵌入式的体征监测系统，提供一种基于力和运动的人机交互方式进行康复监测，进而将这种体征数据采集装置用于手部康复训练等方面，便于伤者恢复。为达到以上目的，提供一种单通道可穿戴式手功能状态监测设备，所述设备包括蓝牙通信电路、电源控制电路、实时时钟、陀螺仪传感器、温度传感器和压力传感器，所述蓝牙通信电路可将手指信息传输至手机蓝牙串口可视化显示，所述设备的一侧设置有人机交互界面，所述人机交互界面设置有与所述设备内部通信电路相连的指示灯和OLED显示屏。
本发明所述设备所需要解决的技术问题，需要通过以下技术方案来实现：一种用于单通道可穿戴手指功能状态监测系统，其包括：
1个模拟传感器，用来检测受伤手指的压力，并实时输出相应的电压信号ADC1；
2个数字传感器，分别检测手指温度及手指关节的运动姿态，并实时输出相应的信号，提供I2C总线接口(SCL、SDA)；
实时时钟，实时更新系统时间，提供I2C总线接口；
OLED显示电路，经内部稳压后，将手指温度、压力、运动姿态、时间等信息实时显示在显示器上：
单片机处理电路，接收输入信号ADC1、I2C总线(SCL、SDA)、IMU_INT、ADC2等，并对信号进行处理，将处理后的结果传输至蓝牙模块及OLED显示器；
电源控制电路，锂电池经线性稳压后为系统各个部件供电，检测剩余电量并输出信号ADC2，支持对锂电池充电功能；
蓝牙通信电路，将手指温度、压力、运动姿态、时间等信息实时传输至手机蓝牙串口进行可视化显示。
作为上述方案的进一步改进，所述模拟传感器电路采用：DC3.3V激励，薄膜压力模拟传感器和的基准电阻串联分压，将分压信号ADC1传入单片机处理器进行采样。
作为上述方案的进一步改进，所述温度数字传感器采用LM75芯片。
作为上述方案的进一步改进，所述陀螺仪传感器使用MPU6050芯片。
作为上述方案的进一步改进，所述时钟电路使用PCF8563芯片。
作为上述方案的进一步改进，所述OLED显示电路采用稳压芯片PCF8563，SSD1306OLED显示屏，来显示系统时间、手指处的压力与温度等。
作为上述方案的进一步改进，单片机采用C8051F362。
作为上述方案的进一步改进，所述可穿戴式手状态监测系统及设备还包括电源控制电路，所述电源处理电路分为充电控制电路、电量检测电路和线性稳压电路、锂电池。通过充电控制电路对电源130mA锂电池进行充电；电量检测电路实时输出电压信号ADC2，监测剩余电量；线性稳压电路将3.7V的锂电池线性稳压为3.3V给系统设备供电。
作为上述方案的进一步改进，所述充电控制电路采用线形充电芯片LTC4054，所述线性稳压电路采用MIC5205芯片。
作为上述方案的进一步改进，所述蓝牙通信电路包括CC2541模块和手机蓝牙串口，通过CC2541蓝牙模块与C8051F362单片机搭载电路调用BLE4.0协议，可以实现与手机蓝牙串口间的通信，将所需信息实时显示在手机上。
作为上述方案的进一步改进，所述可穿戴式手功能状态监测系统及设备还包括与单片机连接的下载接口电路，实现单片机程序的程序下载及仿真，所述下载接口电路采用C2接口通信。
手指受伤处的压力、温度、运动姿态等体征信息的采集原理如下：
压力采集：为了对手功能障碍患者的握持及侧捏能力进行评估，系统设计了压力采集电路。柔性薄膜压力传感器可以将微小的皮肤压力变化转换成阻值变化，利用单片机内部ADC转换结果对其阻值进行解算，即可完成压力测试。采用DC 3.3V激励，薄膜压力传感器和基准电阻串联分压，将分压结果送入单片机ADC进行采样，根据AD转换结果推算出传感器阻值，压力检测过程如下：
其中，V：分压后的电压；R0：参考电阻，阻值10K；VExcit：激励电压，DC 3.3V；ADResult：单片机内部AD转换结果，范围0-1023；N：ADC位数，值为10；VRef：ADC内部参考基准电压，值为2.440V。由公式(1)推导结果得出：如果得到ADC转换结果ADResult就可以计算得出传感器阻值R，然后就可以得出对应该阻值的压力值，完成压力计算。
温度采集：LM75B数字温度传感器采用简洁的I2C总线与主机进行通信，器件地址是0x90，只要按照标准的I2C读时序对温度寄存器进行读取，单片机便可将温度转换结果读出来。
运动姿态：运动测量电路，通过MPU6050陀螺仪传感器完成进行关节运动时的动态角度测量，MPU6050可以同时测量3个自由度的动态角速率，通过数值积分运算即可完成角度测量。由于手指无法做滚转运动，而且滚转运动对康复状态监测没有意义，本系统只选择其中的两个敏感轴进行2自由度的角度测量。由于此角度真实地反应了手指做康复训练时关节的活动情况，所以可以通过分析角度变化曲线的频率及幅值进行灵活度评定。单片机通过I2C总线对其进行读写。工作时单片机先对其进行初始化，主要是量程设置，之后便可以以一定的采样率对陀螺仪结果寄存器进行读取并进行相关的数学运算。
本发明的可穿戴手指功能状态监测系统及设备提供了一种监测手指受伤病人状态的系统与方法，通过在设备中设置温度传感器、压力传感器和陀螺仪传感器，并读取温度传感器的温度监测数据、压力传感器的压力监测数据、陀螺仪传感器的角速度监测数据，对温度监测数据、压力监测数据和角速度监测数据进行分析，及时准确的判断出手指的恢复情况，从而避免了重大伤害、瘫痪、甚至死亡等严重后果的发生。本发明的系统及设备，结合温度传感器、压力传感器和陀螺仪传感器在人体手指的肿胀变化规律共同判断伤势的恢复情况，大幅度的减少了医务人员的人工成本，同时提高了监测的准确性。
本发明的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，将传感器固定在设备上，将设备固定在手指上，通过监测手指的运动姿态、压力等体征信息，完成一套完整基于嵌入式的体征检测系统，提供一种基于力和运动的人机交互方式进行康复检测，进而将这种体征数据采集装置用于手部康复训练等方面。
附图说明
图1为本发明的用于可穿戴式手功能状态监测系统及设备的框图与产品效果图。
图2为图1中模拟传感器的电路图。
图3为图1中温度数字传感器的电路图。
图4为图1中陀螺仪数字传感器的电路图。
图5为图1中实时时钟电路的电路图。
图6为图1中OLED显示电路的电路图。
图7为图1中单片机处理器的电路图。
图8为图1中电源控制电路中充电管理电路的电路图。
图9为图1中电源控制电路中线性稳压电路的电路图。
图10为图1中电源控制电路中电量检测电路的电路图。
图11为图1中蓝牙通信电路的电路图。
图12为图1中下载接口电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明的可穿戴手指功能状态监测系统及设备的模块示意图，可穿戴手指功能状态监测系统及设备是针对手部受伤人员的康复而开发设计的。
根据对手指功能状态监测的要求，康复期间手指的肌力、运动姿态等信息准确地反映手指的康复状态，可用于评测手指功能。因而需要监测患者手指部位的压力、温度、运动姿态，进行实时的数据采集，及时将信息传递至OLED显示屏、手机进行可视化显示。可根据安装在设备上的传感器类型来设计可穿戴手指功能状态监测系统，将采集到的电压信号传送到单片机进行处理。此外，还需要对伤者的手部运动姿态进行实时的数据传输；手指运动姿态属于复杂信号，采用数字传感器进行信号采集得到对应的运动姿态信号，用于查看伤者恢复情况。
可穿戴手指功能状态监测设备需要采集的信号较多，但是考虑到系统的简洁性，温度传感器、陀螺仪、实时时钟和OLED显示器的选择了能够兼容I2C通信协议的器件，这样可以将系统绝大多数的数字器件都挂接在同一个I2C总线上。由于不同器件的器件地址是唯一的，这样只需要通过寻址就可以完成与不同功能器件的通信。
本发明的用于帮助手部受伤病人恢复的可穿戴手功能状态监测系统采用模拟信号和数字信号混合信号的同时采集，采用多种信号的兼容实时采集，达到了同时测量多种类型信号的目的，突破了手部受伤完全依赖人工监测的传统方式。为了能够实现模拟信号和数字信号混合信号的采集，设备设计包含2个模拟传感器、1个数字传感器、单片机处理电路、下载接口电路、电源控制电路、OLED显示电路、蓝牙通信电路、时钟电路。
在电性连接关系上，2个模拟传感器直接连接到单片机处理电路上，1个数字传感器、下载接口、电量检测电路、时钟芯片、OLED显示器和蓝牙模块经由I2C总线连接到单片机处理电路上，OLED显示器经由稳压芯片提供电源，电源控制电路中micro-usb充电接口经由锂电池充电芯片直接连接在锂电池上，线性稳压电路稳压后可以支持选择性的对系统各个部位供电。
1个模拟传感器和2个数字传感器分别用来检测手指部位的压力、温度和运动姿态，从而实时的输出1路电压信号和2路数字信号。模拟传感器采用柔性薄膜压力传感器，模拟传感器电路采用DC 3.3V激励，薄膜压力传感器和阻值为10K的基准电阻串联分压，将分压结果ADC1送入单片机处理器。请结合图2，1路电压信号ADC1直接传送到单片机处理电路，作为1路输入信号的ADC1。
1路电压信号ADC1上串联的阻值为10K的电阻为R13，提供电阻用来测量其两端电压信号。1路电压信号上接地的电容C10，是为了用做耦合电容，去除电路中无用的交流信号。由于本发明已经根据理论做出了实际的电路板，因此，在布线以及电路板制作时，电容、电阻等各器件的编号有所改动，并不是同一个电路采用连续的编号，但这并不影响本发明的技术方案实现。
请结合图3，温度数字传感器电路中，温度数字传感器采用使用TI公司LM75数字温度传感器测试皮肤温度参数，灵敏度0.125℃。作为从器件，LM75数字温度传感器采用简洁的I2C总线与主机进行通信，器件地址是0x90，只要按照标准的I2C读时序对温度寄存器进行读取，单片机便可将温度转换结果读出来。SCL、SDA引脚经由阻值为4.7K的上拉电阻R31、R32接3.3V电源，并且SCL、SDA分别连接至单片机处理器P1.4、P1.3引脚。
请结合图4，陀螺仪数字传感器是用来监测手部手指的运动姿态，陀螺仪传感器电路采用MPU6050芯片，单片机通过I2C总线对其进行读写。通过MPU6050陀螺仪传感器完成进行关节运动时的动态角度测量，MPU6050可以同时测量3个自由度的动态角速率，通过数值积分运算即可完成角度测量。SCL、SDA引脚经由阻值为4.7K的上拉电阻R11、R10接3.3V电源，并且SCL、SDA分别连接至单片机处理器(7)上P1.4、P1.3引脚。实时输出相应的数字信号给单片机处理电路，经由I2C总线将信号传送给单片机处理电路。
请结合图5，实时时钟电路由PCF8563时钟芯片、电容C1、晶振Y1组成，电容C1为0.1μF，晶振Y1选用12MHZ；该电路可以实时更新系统时间，并且断电时间不丢失。
请结合图6，OLED显示电路由1个稳压芯片、4个电阻、8个电容、1个高频开关二极管和OLED显示屏组成，其中稳压芯片为PL3500-3.3V；高频开关二极管型号为1N4148，在电路中可以起到单向导通隔离；稳压芯片型号为PL3500-3.3V，该芯片具有过流和短路保护的特性，可以满足OLED屏稳定显示并延长电池寿命的要求。
请结合图7，单片机处理电路接收信号ADC1、ADC2、IMI_INT、SCL、SDA等。单片机处理电路采用Silicon Labs公司推出的28引脚的C8051F362单片机，该单片机可以满足系统的处理能力又可以降低系统的功耗。
请结合图8，充电管理电路将连接外部电压给锂电池充电，充电管理电路采用芯片LTC4054和micro-usb接口，接口通过VBUS连接芯片，充电电压被限定在4.2V，充电电流通过外部电阻调节。所述充电控制电路包括一个micro-usb接口、一个指示灯D2、一个开关sw、两个电阻R5、R6、线性充电芯片LTC4054、锂电池；micro-usb的引脚VBUS与LTC4054的引脚STR之间串联接入D2、R5；LTC4054的引脚PROG经由R1接地；LTC4054的引脚BAT经由开关sw连接锂电池。
请参阅图9，电源控制电路中线性稳压电路需要给MPU6050、C8051F362、CP101等芯片供电需要3.3V电压。使用MIC5205-3.3芯片将锂电池提供的3.7V电压线性稳压为3.3V。
请参阅图10，电源控制电路中电量检测电路是由2个电阻R3、R4组成，阻值均为33K，两电阻一端连接锂电池VCC3.7V电路，另一端接地，通过R3、R4中间连接电量检测信号ADC2到单片机处理电路，实现锂电池电量实时检测。系统采用5格法对锂电池进行监控，当电量低于25％时发出警告，
请参阅图11，蓝牙通信电路包括CC2541模块和手机蓝牙串口，蓝牙模块采用美国德州仪器半导体公司TI开发的CC2541模块，通过CC2541蓝牙模块与C8051F362单片机搭载电路调用BLE4.0协议，实现无线通信。所述CC2541蓝牙模块，通过UART通信RXD、TXD连接到单片机处理电路，并将VCC引脚上接3.3V电源，与VCC紧邻的GND接地，以此实现与单片机通信，并将信号传输到手机蓝牙串口进行可视化显示。
请结合图12，下载接口电路采用C2总线接口，与外部C8051F仿真器相连，包括4根接线：C2CK、C2D、3.3V、GND，可以实现仿真、调试、下载等，方便程序的烧录，同时由于外接仿真器，减少了该系统本身的体积与空间。
综上所述，本发明的一种可穿戴式手状态监测系统及设备主要应用在手指康复领域的康复医疗设备监测。在手指康复设备中，需要对受伤手指的多种状态进行监测，同时还要考虑采集到的数据之间的兼容性。针对这种市场需求设计的手指状态监测系统及设备，在采集到多种体征信号并传输到单片机处理电路进行处理，同时将处理后的可视化信息实时显示在OLED显示器及手机蓝牙串口中，达到同时采集多种状态信号、并实时监测的目的，同时便于显示。
以上所述仅为本发明的较佳实例，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：其包括：
1个模拟传感器(1)，用来检测受伤手指的压力，并实时输出相应的电压信号ADC1；
2个数字传感(2)(3)，分别检测手指温度及手指关节的运动姿态，并实时输出相应的数字信号，提供I2C总线接口(SCL、SDA)；
实时时钟(4)，实时更新系统时间，提供I2C总线接口；
OLED显示电路(5)，经内部稳压后，将手指温度、压力、运动姿态、时间等信息实时显示在显示器；
单片机处理器(6)，接收输入信号ADC1、I2C总线(SCL、SDA)、IMU_INT、ADC2等，并对信号进行处理，将处理后的结果传输至蓝牙模块及OLED显示器；
电源控制电路(7)，锂电池经线性稳压后为系统各个部件供电，检测剩余电量并输出信号ADC2，支持对锂电池充电功能；
蓝牙通信电路(8)，将手指温度、压力、运动姿态、时间等信息实时传输至手机蓝牙串口进行可视化显示。
2.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：模拟传感器电路(1)采用：DC3.3V激励，薄膜压力模拟传感器和基准电阻串联分压，将分压信号ADC1送入单片机处理器(7)进行采样。
3.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：所述温度数字传感器电路(2)包括温度数字传感器LM75。
4.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：所述陀螺仪数字传感器电路(3)包括陀螺仪数字传感器MPU6050。
5.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：所述实时时钟电路(4)采用：实时时钟芯片PCF8563。
6.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：所述OLED显示电路(5)中，采用稳压芯片PCF8563、SSD1306 OLED显示屏，来显示系统时间、手指处的压力与温度等。
7.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：所述单片机处理器(6)采用C8051F362。
8.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：所述电源控制电路(7)还包括充电管理电路、电量检测电路、线性稳压电路和锂电池；通过充电控制电路对电源130mA锂电池进行充电；电量检测电路实时输出电压信号ADC2，监测剩余电量；线性稳压电路将3.7V的锂电池线性稳压为3.3V，给系统设备供电；所述充电控制电路采用线形充电芯片LTC4054，所述线性稳压电路采用MIC5205芯片。
9.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：所述蓝牙通信电路(8)包括CC2541模块和手机蓝牙串口，通过CC2541蓝牙模块与C8051F362单片机搭载电路调用BLE4.0协议，可以实现与手机蓝牙串口间的通信，将所需信息实时显示在手机上。
10.如权利要求1所述的用于手部康复的可穿戴式手功能状态监测系统及设备，其特征在于：所述可穿戴式手功能状态监测系统及设备还包括与单片机处理器(6)连接的下载接口电路(9)，实现单片机处理器(6)的程序下载及仿真，下载接口电路(9)采用C2接口通信。
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