CN108760121A - 可穿戴足底压力监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种可穿戴足底压力监测系统，包括：压力传感器阵列，包括多个压力传感单元，以及数据采集电路，包括模拟信号调理电路、微控制器和通讯传输模块；其中，压力传感单元以不同的密度分布在脚趾、前脚掌、脚弓和脚跟处。通过合理安排压力传感器的分布，在不影响足底压力数据采集的同时减少了传感器的总数，从而减少电荷放大器的数量；同时通过合理的元器件选型和电路工作时序设计，降低了整个系统的工作电流，使用通讯传输模块与移动终端进行信息交互，实现了实时的监测压力分布情况。

Description

可穿戴足底压力监测系统及方法

技术领域

本公开涉及纳米新能源和可穿戴电子设备领域，尤其涉及一种可穿戴足底压力监测系统及方法。

背景技术

现有的足底压力分布监测系统及方法中，足底压力测试板技术已经比较成熟，但是监测系统体积庞大，测试存在空间局限性，并且测试条件一般是裸足测试，测得的压力分布与实际穿着鞋子行走时的压力分布存在差异。可穿戴的智能鞋、智能鞋垫则具有便于穿戴、测试结果更接近人体行走时的压力分布情况，但是由于需要持续长时间监测足底压力的变化，对监测系统的工作电流和供电部分提出了新的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种可穿戴足底压力监测系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种可穿戴足底压力监测系统，包括：压力传感器阵列，包括多个压力传感单元，以及数据采集电路，包括模拟信号调理电路、微控制器和通讯传输模块；其中，压力传感单元以不同的密度分布在脚趾、前脚掌、脚弓和脚跟处。

在本公开一些实施例中，压力传感单元分布在行走时承受压力较大足底中部、足后跟外侧、足后跟内侧、第三跖骨、第二跖骨和第一趾骨。

在本公开一些实施例中，所述压力传感器阵列及数据采集电路由摩擦-电磁复合纳米发电机供电。

在本公开一些实施例中，压力传感器阵列包括多个PVDF压力传感器，所述PVDF压力传感器的基底采用柔性电路板，PVDF薄膜固定在柔性电路板上，并且在PVDF薄膜下表面电极与电路板的第一焊盘之间设置导电通路，第一焊盘与输出信号走线相连；铜胶带连接PVDF上表面电极和第二焊盘，第二焊盘与共地平面走线相连。

在本公开一些实施例中，所述PVDF薄膜裁剪为10×10mm²，厚度为100μm，所述PVDF薄膜的上下表面镀铝作为电极；柔性电路板加工为鞋垫的形状。

在本公开一些实施例中，所述模拟信号调理电路包括：多个电荷放大电路，多个电荷放大电路连接到多个压力传感单元，与其一一对应；多通道模拟开关，连接到多个电荷放大电路；所述信号微处理单元包括：模拟-数字转换器，连接到所述多通道模拟开关；第一存储器，连接到模拟-数字转换器；第一UART，连接到第一存储器；第一微控制器连接到所述第一存储器连接及模拟-数字转换器，同时还连接有第一计时器与第一输入输出端口；所述通讯传输模块包括：第二UART，连接到所述第一UART；第二存储器，连接到所述第二UART；蓝牙通信模块，连接到所述第二存储器；第二微处理器，连接所述蓝牙通信模块，并连接有第二计时器与第二输入输出端口。

根据本公开的另一个方面，提供了一种可穿戴足底压力的监测方法，包括：确认第一存储器中没有数据存储后，第一输入输出端口使多通道模拟开关转换一次开启/关断状态，切换一组不同电荷放大电路的连入模拟-数字转换器；模拟-数字转换器完成该组信号的转换，并将其将转换结果暂存与第一存储器中；在当前周期内所有通道的模拟信号完成转换后，关闭模拟-数字转换器并开启第一UART与第二UART，将转换结果发送到第二存储器，发送完成后，关闭第一存储器，等待计时器启动下一个工作周期；第二计时器控制蓝牙通信模块发送第二存储器中的数据。

在本公开一些实施例中，休眠状态下，多通道模拟开关的开启-关短状态保持不变，电路中除蓝牙通信模块以外的功能单元均处于关闭/休眠状态。

在本公开一些实施例中，当移动终端发起连接请求时，蓝牙通信模块依次唤醒第二微控制器、第二存储器、第二计时器和第二UART单元；同时，第二微控制器通过第一输入输出端口与第二输入输出端口之间的信号交换依次唤醒第一微控制器、第一存储器、第一计时器，同时使模拟-数字转换器开始工作，整个电路进入工作状态。

在本公开一些实施例中，第二计时器控制蓝牙通信模块发送第二存储器中的数据的频率小于5次/s。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开可穿戴足底压力监测系统及方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通过合理安排压力传感器的分布，在不影响足底压力数据采集的同时减少了传感器的总数，从而减少电荷放大器的数量，使得整个系统结构紧凑，便于携带穿着；

(2)由于集成了基于PVDF的压力传感器阵列和数据采集电路，同时配合了复合纳米发电机供电，使得系统功耗低，可以实现低功耗地实时监测和显示足底压力的变化情况；

(3)通过合理的元器件选型和电路工作时序设计，降低了整个系统的工作电流，同时通过使用通讯传输模块与移动终端进行信息交互，实现了实时的监测压力分布情况。

附图说明

图1为本公开实施例可穿戴足底压力监测系统的结构示意图。

图2是本公开实施例的压力传感单元的结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1、基底；2、粘结剂器

3、PVDF薄膜；4、第一焊盘

5、第二焊盘

具体实施方式

本公开提供了一种节能低耗、结构紧凑、智能高效的可穿戴足底压力监测系统及方法。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种可穿戴足底压力监测系统。图1为本公开第一实施例可穿戴足底压力监测系统的结构示意图。如图1所示，本公开可穿戴足底压力监测系统包括：压力传感器阵列和数据采集电路以及向上述两部分供电的摩擦-电磁复合纳米发电机。其中压力传感器阵列包括多个压力传感单元，如附图2所示，压力传感单元选用基于压电纳米发电机的PVDF压力传感器，整个传感器阵列通过柔性电路板连接到数据采集电路。数据采集电路包括模拟信号调理电路、信号微处理单元和通讯传输模块。整个系统可通过上述通讯传输模块与移动终端进行信息交互。

以下分别对本实施例可穿戴足底压力监测系统的各个组成部分进行详细描述。

压力传感器阵列由柔性电路板和粘贴在其上的压力传感器组成。其中柔性电路板加工为鞋垫的形状以便穿戴。其中，压力传感单元可以以不同的密度分布在足底，尤其是分布在脚趾、前脚掌、脚弓和/或脚跟等处。压力传感单元主要分布在行走时承受压力较大的区域：足底中部、足后跟外侧、足后跟内侧、第三跖骨、第二跖骨和第一趾骨等区域，以保证易病变区域的压力数据采集。而在其他脚趾和脚弓处，由于行走时压力较小，则可以适当减少传感器的数量。

压力传感器阵列利用β相PVDF的压电特性实现压力传感：垂直机械形变将会导致PVDF的上下表面产生压电极化电荷，外部施加力越大，产生的压电极化电荷的电荷密度就会越高。由压电极化电荷产生的静电势通过流过外部负载的电荷来平衡。

图2是本公开实施例的压力传感单元的结构示意图。本实施例中的基底1为柔性电路板，其材质为聚酰亚胺薄膜，电路板加工有焊盘方便与压电薄膜连接。本实施例中的粘结剂2为铜粉胶，用于将PVDF薄膜3固定在柔性电路板上，并且在PVDF下表面电极与电路板的第一焊盘4之间设置可靠的导电通路，第一焊盘4与信号走线相连。本实施例中铜胶带6连接PVDF上表面电极和电路板第二焊盘5，第二焊盘5与共地平面走线相连。在本实施例中，PVDF薄膜裁剪为10×10mm²，厚度为100μm，PVDF的上下表面镀铝作为电极。在其他实施例中，PVDF薄膜裁剪的尺寸可以范围为5×5mm²至15×15mm²，厚度范围为50μm-200μm。

传感器阵列通过柔性电路板上的印刷电极与数据采集电路相连。数据采集电路包括模拟信号调理电路、信号微处理单元和通讯传输模块。

模拟信号调理电路包括多个电荷放大电路及多通道模拟开关。其中，多个电荷放大电路与压力传感单元一一对应，并连接到多通道模拟开关，由PVDF压电传感器采集的信号通过电荷放大器进行信号调理，通过调整电荷放大器中元器件取值可以调整测试范围；多通道模拟开关与信号微处理单元和通讯传输模块依次连接。

所述信号微处理单元包括模拟-数字转换器，连接到所述多通道模拟开关；第一存储器连接到模拟-数字转换器，第一UART连接到第一存储器，第一微控制器连接到所述第一存储器连接及模拟-数字转换器，同时还连接有第一计时器与第一输入输出端口。信号放大调理结果经过模拟-数字转换器之后，采集结果通过第一UART传输至通讯传输模块。

所述通讯传输模块包括第二UART，连接到所述第一UART；第二存储器，连接到所述第二UART；蓝牙通信模块，连接到所述第二存储器；第二微处理器，连接所述蓝牙通信模块，并连接有第二计时器与第二输入输出端口。

优选的，所述通讯传输模块选用低功耗蓝牙(4.2版本协议)，与其进行蓝牙通信的移动终端包括智能手机和平板电脑。

本公开的可穿戴足底压力监测系统集成了基于PVDF的压力传感器阵列和数据采集电路，同时功耗低，可以实时监测和显示足底压力的变化情况。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种可穿戴足底压力监测方法。

休眠状态下，多通道模拟开关的开启-关断状态保持不变，电路中除蓝牙通信模块以外的功能单元均处于关闭/休眠状态。

当移动终端发起连接请求时，蓝牙通信模块依次唤醒第二微控制器，第二存储器，第二计时器和第一与第二UART单元；同时，第二微控制器通过第一输入输出端口与第二输入输出端口之间的信号交换依次唤醒第一微控制器、第一存储器、第一计时器，同时使模拟-数字转换器开始工作。自此，整个电路进入工作状态，工作周期由第一计时器和第二计时器来控制。在系统工作过程中，一个完整的工作周期如下：

确认第一存储器中没有数据存储后，第一输入输出端口使多通道模拟开关转换一次开启/关断状态，切换一组不同电荷放大电路的连入模拟-数字转换器。

模拟-数字转换器完成这一组信号的转换，并将其转换结果暂存与第一存储器中。

在当前周期内所有通道的模拟信号完成转换后，关闭模拟-数字转换器并开启第一与第二UART，将转换结果发送到第二存储器，发送完成后，关闭第一存储器(已没有数据存储)，等待计时器启动下一个工作周期；

第二计时器控制蓝牙通信模块发送第二存储器中的数据的频率小于5次/s，本实施例中，第二计时器控制蓝牙通信模块以1次/s的频率发送第二存储器2中的数据。

本公开提供的足底压力监测方法，通过合理安排压力传感器的分布，在不影响足底压力数据采集的同时减少了传感器的总数，从而减少电荷放大器的数量，使得整个系统结构紧凑，便于携带穿着。通过使用通讯传输模块与移动终端进行信息交互，可以实时的监测压力分布情况。通过合理的元器件选型和电路工作时序设计，降低整个系统的工作电流。

为了达到简要说明的目的，上述实施例一中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可穿戴足底压力监测系统，包括：

压力传感器阵列，包括多个压力传感单元，以及

数据采集电路，包括模拟信号调理电路、微控制器和通讯传输模块；

其中，压力传感单元分布在脚趾、前脚掌、脚弓和/或脚跟处。

2.根据权利要求1所述的可穿戴足底压力监测系统，其中，压力传感单元分布在行走时承受压力较大的足底中部、足后跟外侧、足后跟内侧、第三跖骨、第二跖骨和第一趾骨区域。

3.根据权利要求1所述的可穿戴足底压力监测系统，其中，所述压力传感器阵列及数据采集电路由摩擦-电磁复合纳米发电机供电。

4.根据权利要求1至3任一项所述的可穿戴足底压力监测系统，其中，压力传感器阵列包括多个PVDF压力传感器，所述PVDF压力传感器的基底采用柔性电路板，PVDF薄膜固定在柔性电路板上，并且在PVDF薄膜下表面电极与电路板的第一焊盘之间设置导电通路，第一焊盘与输出信号走线相连；铜胶带连接PVDF上表面电极和第二焊盘，第二焊盘与共地平面走线相连。

5.根据权利要求4所述的可穿戴足底压力监测系统，其中，所述PVDF薄膜裁剪尺寸范围为5×5mm²至15×15mm²，厚度范围为50μm至200μm，所述PVDF薄膜的上下表面镀铝作为电极；柔性电路板加工为鞋垫的形状。

6.根据权利要求1至5任一项所述的可穿戴足底压力监测系统，其中，

所述模拟信号调理电路包括：

多个电荷放大电路，多个电荷放大电路连接到多个压力传感单元，与其一一对应；

多通道模拟开关，连接到多个电荷放大电路；

所述信号微处理单元包括：

模拟-数字转换器，连接到所述多通道模拟开关；

第一存储器，连接到模拟-数字转换器；

第一UART，连接到第一存储器；

第一微控制器连接到所述第一存储器连接及模拟-数字转换器，同时还连接有第一计时器与第一输入输出端口；

所述通讯传输模块包括：

第二UART，连接到所述第一UART；

第二存储器，连接到所述第二UART；

蓝牙通信模块，连接到所述第二存储器；

第二微处理器，连接所述蓝牙通信模块，并连接有第二计时器与第二输入输出端口。

7.一种采用如权利要求1至6任一项所述的可穿戴足底压力监测系统的可穿戴足底压力监测方法，包括：

确认第一存储器中没有数据存储后，第一输入输出端口使多通道模拟开关转换一次开启/关断状态，切换一组不同电荷放大电路的连入模拟-数字转换器；

模拟-数字转换器完成该组信号的转换，并将其转换结果暂存与第一存储器中；

在当前周期内所有通道的模拟信号完成转换后，关闭模拟-数字转换器并开启第一UART与第二UART，将转换结果发送到第二存储器，发送完成后，关闭第一存储器，等待计时器启动下一个工作周期；

第二计时器控制蓝牙通信模块发送第二存储器中的数据。

8.根据权利要求7所述的可穿戴足底压力监测方法，其中，休眠状态下，多通道模拟开关的开启-关断状态保持不变，电路中除蓝牙通信模块以外的功能单元均处于关闭/休眠状态。

9.根据权利要求7至8任一项所述的可穿戴足底压力监测方法，其中，当移动终端发起连接请求时，蓝牙通信模块依次唤醒第二微控制器、第二存储器、第二计时器和第二UART单元；同时，第二微控制器通过第一输入输出端口与第二输入输出端口之间的信号交换依次唤醒第一微控制器、第一存储器、第一计时器，同时使模拟-数字转换器开始工作，整个电路进入工作状态。

10.根据权利要求7至8任一项所述的可穿戴足底压力监测方法，其中，第二计时器控制蓝牙通信模块发送第二存储器中的数据的频率小于5次/s。