CN110313915A - 一种压电自供能的老人足部健康监测系统 - Google Patents

一种压电自供能的老人足部健康监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压电自供能的老人足部健康监测系统，涉及智能电子产品技术领域以及生物医学领域。包括智能鞋部分和移动终端部分；其中，智能鞋部分主要包括PVDF模块、整流电路模块、储能模块、三轴加速度传感器、陀螺仪传感器及MCU主控制器,移动终端部分包括无线通信模块和移动终端分析模块；实现足部原始压力信号的读取以及老年人用户足部运动状态的判断；利用特定的整流电路与储能电路并结合PVDF柔性压感薄膜的可塑性和延展性实现整流和储能供能；本系统实现压电自供能，利用PVDF柔性压感薄膜的压电特性与易于收集足部压力信号的特性，解决了当前智能足部压力信号监测产品频繁充电或使用时电量不足的问题，实现了足部压力信号的有效提取，成本较低。

Description

一种压电自供能的老人足部健康监测系统
技术领域
本发明属于生物医学领域及智能电子产品技术领域，尤其涉及压电自供能老人足部健康监测系统。
背景技术
足部是人体器官的缩影，人体的许多疾病都能通过足部的不同情况得以预示。通过采集老年用户的足底压力分布值，与不同年龄、人种、性别、体重的人群的足底压力分布的正常值相比较，能快速识别与相应足部压力异常值有着对应联系的疾病。由于自身的身体特征及老年群体体育锻炼缺乏专业指导，在运动过程中老年人易发生意外而受伤或因长期的不当运动而造成足部损伤。因此，对老年人足部状态的分析可以对老年人常见足部疾病进行预警，或对老年人足部疾病诊后恢复治疗给出针对性的意见。
在现有技术中，足部健康监测产品功能和使用场景相对单一，无法全方面的、及时的提供用户足部的重要压力信息，且该类产品大多依靠在鞋底嵌入的可充电式蓄电池或一次性蓄电池供电，此类电池在老年用户走动过程中很容易发生折损，且续航能力差、不防水和常见的腐蚀性化学物质、不环保且不利于人体健康，不是针对老人这一特殊群体的针对性设备，故而本发明有着重要的发展前景和发展意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种压电自供能的老人足部健康监测系统，该系统实现了足部压力信号的收集并对常见足部疾病进行预警的目标。本发明采用能量俘获技术将人体足部压力所产生的能量通过充电电路和储能电路实现电流的收集并根据需要提供给足部传感器监测系统及无线通信系统，实现自给自足的能量利用体系，并可以将足部压力信号实时反馈给移动终端进行分析，使老年用户可以实时了解自己的健康情况。
一种压电自供能的老人足部健康监测系统，包括智能鞋部分和移动终端部分；其中，智能鞋部分主要包括PVDF模块、整流电路模块、储能模块、三轴加速度传感器、陀螺仪传感器及MCU主控制器,移动终端部分包括无线通信模块和移动终端分析模块；PVDF模块包括PVDF传感器和PVDF压电发电模块，PVDF传感器用于持续记录老年人足底压力数据，PVDF压电发电模块用于运动时持续发电并将产生的电能储存在储能模块中；
储能模块包括储能电路和可充电电池；储能电路为依次连接二极管、电容、开关、直流电压转换器，来自整流电路模块的能量经二极管暂存于电容，当电容电压达到设定值时开关开启，电容开始放电，经直流电压转化器给可充电电池充电；当电容放电后，电压低于设定值时，开关关闭，电容开始充电，如此循环，从而将PVDF压电发电模块产生的能量存储在可充电电池中，为其他模块供能；供给所述足部传感器模块和无线通信模块能量；
MCU主控制器位于柔性线路板上，用于控制整个系统并进行数据处理，该控制器通过外围电路与储能模块相连接，用于将PVDF传感器得到的人体足底压力分布、三轴加速度传感器得到的加速度及陀螺仪传感器得到的方向信息相结合分析得出人体足部压力信号及整个身体姿态控制信息；
PVDF压电发电模块包括底部、压电体和压块；压电体由弹性板和上下两侧压电材料组成，产生的电压通过正电极和负电极输出至整流电路模块；底部中包括容置腔，供弹性板上下弹动；容置腔的侧壁上开有条形嵌孔以及有与条形嵌孔位置相对应的螺纹孔；压块包括压盘以及固定在压盘底面上的压杆；
整流电路模块主要包括倍压整流电路、驱动电路和充电电路；倍压整流电路将PVDF压电发电模块产生较低的交流电压，用耐压较高的整流二极管和电容器整流出一个较高的直流电压；驱动电路将倍压整流电路产生的直流电压转化成为充电电路使用的充电电压；充电电路则实现电能的收集，传输至储能模块；
无线通信模块为低功耗蓝牙模块，MCU主控制器通过无线通信模块与移动终端分析模块交互进行数据传输。移动信号终端根据用户的操作指示分析足底压力信号来评估多种状态下老年人是否可能患有足部疾病或足部并发症或对已患有足部疾病的老年患者康复训练提出进一步的意见和建议。
PVDF传感器具有5个，分别位于脚大拇指、跖骨内侧、趾骨外侧、足中和足跟五个区域，以便描述足部内外侧的受力情况。多个PVDF压电薄膜覆盖整个足部着力区以更大限度的提高所收集足部压力信号的准确度。
PVDF模块嵌于鞋垫夹层，三轴加速度传感器、陀螺仪传感器嵌于脚后跟层，柔性线路板位于鞋垫夹层后侧，无线通信模块位于鞋垫前端。
进一步的，系统的供能主要由PVDF压电薄膜组成的压电体在足底压力作用下产生的感应电流通过整流形成的整流电流所提供，同时PVDF压电发电模块提供必要的压力信号，充分利用了PVDF压电发电模块，提高了系统的容错性。再者PVDF压感薄膜可用于雨天，山地等不同地理环境中，有强大的适应性，解决了系统在必要时电量不充足、充电电池对环境有危害、实用性差、寿命短等问题，利用PVDF薄膜的耐冲击、柔性高、压电常数大、机械强度高、易加工成大面积且不易于与水和一般化学污染品发生反应同时受压产生感应电流的特性，在常温温度可控变化范围内可设计收集电路将压电信号整流成适用于充电电路的电压信号实现电流的储存并供给足部传感器监测模块和无线通信模块必要的能量，可实现绿色节能并实现了对PVDF柔性压感材料的充分合理利用。
进一步的，MCU主控制器实现的功能包括数据采集以及与移动终端的交互，所述MCU主控制器又称单片微型计算机。
进一步的，通过多个传感器的监测可以得到更丰富的双足和足腕姿态信息，如：足底压力信号的分布，线性加速度和角向加速度信号，三种信号可大致判断用户所处运动环境和运动状态，例如：登高、慢跑、快跑等。系统可进一步制定不同运动状态下的不同监测模式，即根据不同的运动模式对传感器工作状态进行调整，使其能够识别各种姿态模式，并判断不同环境下用户足部健康状态或对已患有足部疾病的用户提供特异性建议。
进一步的，无线通信模块采用的为BLE，可降低系统功耗，提高系统的续航能力。
进一步的，用户可以通过移动终端对MCU主控制器发出指令从而对传感器器件进行开断控制，在夜间或休息状态下传感器不需要使用时及时关闭以有效的降低系统的功耗，使系统适于长期使用。
进一步，该系统采用高灵敏度传感器置于鞋垫夹层及鞋后跟层以准确获取足部信息且适合用户的长期使用。设备载体为运动鞋，所述运动鞋不需要特殊的使用条件和使用环境，且轻便灵活，与普通鞋子相比会更加舒适，适合老年人使用。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于，
(1)本发明设有压电自供能装置，利用PVDF压电薄膜将人体足部压力产生的感应电流整流转化为可供给设备使用的电能，能够持续地为其他各模块供电，克服了传统产品续航能力不足的问题，同时该设备的压电供能储能设备可实现电能的储存，PVDF压电薄膜的优良特性可适用于各种环境且不会对老年人足部造成不适，故该设备也可作为优良的医疗辅助设备
(2)本发明融合了多种传感器，合理配置，从而可获得全面且必要的足部信息，用以保障足部健康，预防疾病及相关并发疾病
(3)本发明无需专业设备，只要在移动终端上配置相应系统，就可以在客户端实时关注足部健康情况，该设备还可通过移动终端发出的指令控制传感器开关，易于用户操作。该系统使用移动客户端，大大降低了使用成本，并避免了特定设备使用带来的不必要的负担，易于推广普及。
附图说明
图1为本发明的工作模块示意图。
图2为本发明足底自供能老人健康监测系统的鞋子载体结构示意图。
图3为鞋垫夹层中PVDF压感薄膜的主要位置示意图。
图4为单个压电发电模块结构示意图。
图5为PVDF压电薄膜采集组合电路框图。
图中：1PVDF模块；2整流电路模块；3储能模块；4MCU主控制器；5三轴加速度传感器；6陀螺仪传感器；7无线通信模块；8移动终端分析模块；11PVDF传感器；11a-11e 5个PVDF压力传感器；12PVDF压电发电模块；121底部；122压电体；123压块；121a容置腔；121b螺纹孔；122a弹性板；122b压电材料；122c正电极；122d负电极；123a压盘；21倍压整流电路；22驱动电路；23充电电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明。
如图1，一种压电自供能的老人足部健康监测系统，包括智能鞋部分和移动终端部分。其中，智能鞋部分主要包括PVDF模块1，整流电路模块2，储能模块3，多种传感器及MCU主控制器4,移动终端部分则包括无线通信模块7和移动终端分析模块8。
PVDF模块1包括PVDF传感器11，该传感器可以持续记录老年人足底压力数据，PVDF压电发电模块12，该模块运动时持续发电并将产生的电能储存在储能单元中。
如图3所示，PVDF压力传感器11a-11e分别位于脚大拇指、跖骨内侧、趾骨外侧、足中和足跟五个区域，以便很好的描述足部内外侧的受力情况。
MCU主控制器4位于柔性线路板上，用于控制整个系统并进行数据处理，该控制器通过外围电路与储能模块3相连接，将PVDF压力传感器11得到的人体足底压力分布，及三轴加速度传感器5和陀螺仪传感器6得到的加速度及方向信息相结合分析得出人体足部压力信号及整个身体姿态控制等信息，可用于常见足部疾病诊断。
如图4所示，压电发电模块12包括底部121、压电体122和压块123。压电体122由弹性板122a和上下两侧压电材料122b组成，产生的电压通过正电极122c和负电极122d输出至储能单元。底部11中包括容置腔121a，供弹性板上下弹动。容置腔121a的侧壁上开有条形嵌孔以及有与条形嵌孔位置相对应的螺纹孔121b。压块123包括压盘123a以及固定在压盘123a底面上的压杆。
储能模块3包括储能电路31和可充电电池32。储能电路31依次连接二极管、电容、开关、直流电压转换器，来自整流电路的能量经二极管暂存于电容，当电容电压达到一定值时开关开启，电容开始放电，经直流电压转化器给可充电电池充电；当电容放电后，电压低于设定值时，开关关闭，电容开始充电，如此循环，从而将压电发电模块1产生的能量存储在可充电电池32中，为其他模块供能。
如图5所示，电信号采集整流模块2主要分为倍压整流电路21、驱动电路22和充电电路23。倍压整流电路21将压电发电模块产生的较低的交流电压，用耐压较高的整流二极管和电容器整流出一个较高的直流电压。驱动电路22以MAX1678为核心，将倍压整流电路21产生的直流电压转化成可为充电电路使用的充电电压。充电电路则实现电能的收集，传输至储能模块3。
无线通信模块7为低功耗蓝牙模块，与移动终端分析模块9交互进行数据传输。
移动终端上相应的APP，将采用平面化设计，界面整洁，用户能够迅速理解并使用，由于蓝牙传输的数据无法直观理解，所以通过客户端进行解码，再通过直观的描述向用户呈现分析结果。
用户可以根据自身要求在夜间或休息状态下关断传感器器件，在保证满足使用要求的同时也能够有效的降低系统功耗、提高续航能力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或一些板块的移动，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种压电自供能的老人足部健康监测系统，其特征在于，包括智能鞋部分和移动终端部分；其中，智能鞋部分主要包括PVDF模块(1)、整流电路模块(2)、储能模块(3)、三轴加速度传感器(5)、陀螺仪传感器(6)及MCU主控制器(4),移动终端部分包括无线通信模块(7)和移动终端分析模块(8)；PVDF模块包括PVDF传感器(11)和PVDF压电发电模块(12)，PVDF传感器(11)用于持续记录老年人足底压力数据，PVDF压电发电模块(12)用于运动时持续发电并将产生的电能储存在储能模块(3)中；
储能模块(3)包括储能电路(31)和可充电电池(32)；储能电路(31)为依次连接二极管、电容、开关、直流电压转换器，来自整流电路模块(2)的能量经二极管暂存于电容，当电容电压达到设定值时开关开启，电容开始放电，经直流电压转化器给可充电电池充电；当电容放电后，电压低于设定值时，开关关闭，电容开始充电，如此循环，从而将PVDF压电发电模块(12)产生的能量存储在可充电电池(32)中，为其他模块供能；
MCU主控制器(4)位于柔性线路板上，用于控制整个系统并进行数据处理，该控制器通过外围电路与储能模块(3)相连接，用于将PVDF传感器(11)得到的人体足底压力分布、三轴加速度传感器(5)得到的加速度及陀螺仪传感器(6)得到的方向信息相结合分析得出人体足部压力信号及整个身体姿态控制信息；
PVDF压电发电模块(12)包括底部(121)、压电体(122)和压块(123)；压电体(122)由弹性板(122a)和上下两侧压电材料(122b)组成，产生的电压通过正电极(122c)和负电极(122d)输出至整流电路模块(2)；底部(121)中包括容置腔(121a)，供弹性板(122a)上下弹动；容置腔(121a)的侧壁上开有条形嵌孔以及有与条形嵌孔位置相对应的螺纹孔(121b)；压块(123)包括压盘(123a)以及固定在压盘(123a)底面上的压杆；
整流电路模块(2)主要包括倍压整流电路(21)、驱动电路(22)和充电电路(23)；倍压整流电路(21)将PVDF压电发电模块(12)产生较低的交流电压，用耐压较高的整流二极管和电容器整流出一个较高的直流电压；驱动电路(22)将倍压整流电路(21)产生的直流电压转化成为充电电路使用的充电电压；充电电路则实现电能的收集，传输至储能模块(3)；
无线通信模块(7)为低功耗蓝牙模块，MCU主控制器(4)通过无线通信模块(7)与移动终端分析模块(8)交互进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种压电自供能的老人足部健康监测系统，其特征在于，PVDF传感器(11)具有5个，分别位于脚大拇指、跖骨内侧、趾骨外侧、足中和足跟五个区域，以便描述足部内外侧的受力情况。
3.根据权利要求1所述的一种压电自供能的老人足部健康监测系统，其特征在于，PVDF模块(1)嵌于鞋垫夹层，三轴加速度传感器(5)、陀螺仪传感器(6)嵌于脚后跟层，柔性线路板位于鞋垫夹层后侧，无线通信模块(7)位于鞋垫前端。
4.根据权利要求1所述的一种压电自供能的老人足部健康监测系统，其特征在于，所述的无线通信模块(7)能够向足部MCU主控制器(4)发出指令关闭相应传感器以减少能量损耗。
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