CN113476028A - 一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统 - Google Patents

一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，包括控制器模块、太阳能采集模块、电能收集模块、生理数据检测传感器模块、网状电能传输模块；网状电能传输模块为外衣形状，设于外衣内部，用于太阳能采集模块、电能收集模块、生理数据传感器模块在任意位置接入电路；太阳能采集模块经过控制器模块控制输出最大电能，所述电能通过网状电能传输模块传输给电能收集模块并存储；生理数据检测传感器模块通过网状电能传输模块接收电能收集模块存储的电能，完成人体生理数据采集。本发明能够对任意部位的生理数据检测传感器进行充电。

Description

一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统
技术领域
本发明涉及能源和电子信息技术领域，具体涉及一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统。
背景技术
近年来人们生活压力越来越大，频繁的加班以及生活作息不规律、缺乏身体锻炼，导致我国身体处于亚健康的人群比例越来越高。而且近年来猝死这一话题已经成为了一个非常热门的健康问题。据央视新闻曝光的数据来看，我国每年猝死人数超过50万人，平均每天就会超过1000人猝死。因此，人们对自身健康状况也越来越关注。近年来随着电子信息技术以及嵌入式智能设备的飞速发展，一些专注于人体生理数据检测的设备也快速发展起来，如智能手环能检测人的心率和血氧浓度，呼吸贴、体温贴能实时检测呼吸状况和体温状况。但是由于设备的本身尺寸以及使用场景的限制，这些设备的续航时间往往非常短，一般在一两天之后就需要重新充电，或者定期更换电池，对产品的使用造成了一定量的不便。
目前存在的太阳能发电服装中，利用柔性太阳能电池板发电和使用魔术贴固定发电片是比较常见的一种。如CN 201620707099.3公开了一种太阳能发电服装。该太阳能发电服装包括衣服本体、柔性太阳能电池板、导线、控制电路、电池，所述衣服本体表面设有多块柔性太阳能电池板，柔性太阳能电池板通过电线连接到控制电路，所述控制电路连接到电池，所述电池设有至少一个USB接口，所述柔性太阳能电池板背面通过魔术贴与衣服本体上的魔术贴连接，柔性太阳能电池板设有接口与控制电路连接，衣服本体上设有一个用于存放电池的口袋。但这种太阳能发电服装需要留出一大块面积用于放置魔术贴，对于美观性有一定的影响，并且魔术贴的位置固定，导致柔性太阳能电池板能够放置的位置相对固定，可调整的空间小。而且导线裸露容易被意外情况拉扯断，造成不可恢复的损坏。安装电池口袋固定，且电池不具备柔性，降低整体的舒适性。并且接口使用USB接口，则接口的位置固定，不利于不同部位的设备进行充电。
利用太阳能作为生理状态检测能量来源能够完全满足传感器系统的电能需要。由实验分析可以发现在普通情况下，光照强度为1270W/m2时,一片太阳能发电片的输出功率为0.36W，两片太阳能发电片的输出功率为0.56W，如果人体背部安装8片太阳能发电片，则输出功率可以达到2.24W。一个人体生理状态检测传感器的电流一般在10mA一下，供电电压一般是3.3V。这里假设传感器的电流为最大10mA，则单个传感器的功耗为33mW，则8片太阳能电池板可以驱动74个传感器，而生理状态检测系统的传感器一般不会超过10个。所以使用太阳能作为检测系统的能量来源是完全足够的。太阳能产生的多余的能量还能存储在超级电容中，当没有太阳光时作为临时的能量来源，保证系统长久不间断的运行。
根据不同的光照强度可以使用单片机控制整个生理数据检测系统使用太阳能供电还是电池供电。由于太阳能发电片的发电能力与太阳光的光照强度有关，光照强度越大发电的功率越大。所以在光照强度比较小时，太阳能发电片能够提供的能量就相对比较小，很有可能导致系统断电中断数据检测。
不同的传感器和太阳能电池片应该可以随时接入不同的位置保证实用性。由于生理数据有多种，且检测不同种类数据的传感器放置的位置也不同，如心电传感器需要放在心脏附近，心率血氧传感器放在手腕部分，运动传感器放在腿部附近，所以需要设计成服装在任意位置均能给传感器供电。为了达到这个目的，则检测系统的衣服上需要随时给出接入接口，并且可以覆盖在所有部位。为了实现这个目的需要在全身布满导线，这显然不利于携带和使用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，能够对任意部位的生理数据检测传感器进行充电。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，包括控制器模块、太阳能采集模块、电能收集模块、生理数据检测传感器模块、网状电能传输模块；
所述网状电能传输模块为外衣形状，设于外衣内部，用于太阳能采集模块、电能收集模块、生理数据传感器模块在任意位置接入电路；太阳能采集模块经过控制器模块控制输出最大电能，所述电能通过网状电能传输模块传输给电能收集模块并存储；生理数据检测传感器模块通过网状电能传输模块接收电能收集模块存储的电能，完成人体生理数据采集。
进一步地，所述电能收集模块由柔性超级电容组成，并提供备用电池。
进一步地，所述控制器模块通过采集电能收集模块两端的电压确定是否由备用电池进行供电；当电能收集模块两端电压低于设定阈值时，切换到备用电池供电；当电能收集模块两端电压大于设定阈值时，切换到电能收集模块供电。
进一步地，所述控制器模块通过检测光照强度确定太阳能采集模块是否继续采集光照；如果光照强度低于设定阈值，则关闭最大功率点跟踪太阳能控制器控制算法；如果光照强度高于设定阈值，则开启最大功率点跟踪太阳能控制器控制算法。
进一步地，所述控制器模块采用光敏电阻检测当前光照强度。
进一步地，所述网状电能传输模块包括正极导线、负极导线以及接头；
正极导线、负极导线均等间距横向、纵向排列，且正极导线、负极导线交替排列形成网状结构，相同极性导线的交叉处通过接头固定连接；所述接头用于实现与太阳能采集模块、电能收集模块、生理数据检测传感器模块电连。
进一步地，所述接头为圆饼状，由母头和公头组成；
母头中部设有公头插入槽，所述公头插入槽下部为设定角度的旋转槽，所述公头插入槽中部为卡位槽，用于限定公头卡位杆转动后的位置；公头插入槽上部槽口结构与公头的卡位杆结构匹配；
公头包括壳体、转轴、电刷、弹簧及卡位杆，所述壳体中部设有过孔，转轴设置在过孔中，转轴一端设有旋转手柄，转轴另一端穿出过孔后与卡位杆固连，同时，弹簧套装在穿出过孔的转轴段，弹簧两端分别固定在壳体底部与卡位杆之间；所述电刷设置在过孔内，同时与转轴接触。
进一步地，所述控制器模块运行最大功率点跟踪太阳能控制器算法调节DCDC变换电路中一个脉冲周期内高电平占整个周期的比例，实现输出功率的调节，使太阳能采集模块输出最大电能。
进一步地，所述控制器模块采用柔性印刷电路板。
进一步地，所述太阳能采集模块采用柔性太阳能电池板。
有益效果：
1、本发明在不破坏普通外衣原有结构的基础上，在外衣内外表面添加太阳能采集模块、电能收集模块以及生理数据检测传感器模块，在衣服内部嵌入网状电能传输模块。本发明能够在身体任何部位俘获太阳的能量，并将其转换为电能，补给人体生理状态检测系统维持系统正常运行，并且具有电能存储功能。利用网状电能传输模块任意一个位置均可以找到两个正负极接入点，可以实现在人体任意位置设置和安放太阳能采集模块、电能收集模块以及生理数据检测传感器模块，适应性强，安装方便，方便用户调整和自定义，还可以通过手机实时显示人体健康状况。
其次，采用太阳能给人体生理状态检测系统供电，减少使用电池供电，从而能够延长人体生理状态检测系统的使用时间，有助于提高实时人体生理状态检测系统的续航能力。现在的人体智能检测设备均需要每隔1至2天进行一次充电或者更换电池，十分繁琐而且容易忘记，不利于实时监控和检测。使用本发明可以改善因为续航时间短带来问题和不变，有助于人们对自身健康状况的实时检测，及时发现自身的健康问题。
2、本发明利用太阳能采集模块将太阳能转换为电能，并且加入低功耗控制器控制太阳能和备用电池的切换，实现有太阳光和无太阳光均可维持人体生理数据检测传感器的正常工作。
3、由于控制器模块的控制算法自身也要耗电，本发明控制器通过检测光照强度确定太阳能采集模块是否继续采集光照确定是否关闭该控制算法，可以减少无效电能的消耗。
4、本发明太阳能采集模块采用柔性太阳能电池板，能够随意弯曲，还能紧密贴合外衣布料，提高舒适度。
5、本发明电能收集模块使用柔性超级电容作为能量存储介质，可以紧密贴合身体部位提高穿戴的舒适度。
6、本发明接头结构，便于实现母头和公头两个接口的导通及紧密连接。
附图说明
图1为本发明系统结构原理图。
图2为网状电能传输模块局部结构原理图。
图3为接头母头三视图。
图4为接头公头三视图。
图5(a)、图5(b)分别为本发明检测系统的正面、背面示意图。
其中，1-接头，2-负极导线，3-正极导线，4-母头，5-公头插入槽，6-导线焊接点Ⅰ，7-卡位槽，8-旋转槽，9-公头壳体，10-旋转手柄，11-过孔，12-导线焊接点Ⅱ，13-电刷，14-弹簧，15-卡位杆，16-心电采集模块，17-体温检测模块，18-心率血氧检测模块，19-运动检测模块，20-电能收集模块，21-太阳能采集模块，22-网状电能传输模块。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，如图1所示，包括控制器模块、太阳能采集模块21、电能收集模块20、生理数据检测传感器模块、网状电能传输模块22。
网状电能传输模块22为外衣形状，设于外衣内部，用于太阳能采集模块21、电能收集模块20、生理数据检测传感器模块在任意位置接入电路；太阳能采集模块21经过控制器模块控制输出最大电能，电能通过网状电能传输模块22传输给电能收集模块20并存储；生理数据采集模块通过网状电能传输模块22接收电能收集模块20存储的电能，完成人体生理数据采集。
网状电能传输模块22包括正极导线3、负极导线2以及接头1；正极导线3、负极导线2均为漆包线，接头1用于实现与太阳能采集模块21、电能收集模块20、生理数据检测传感器模块电连。如图2所示，正极导线3、负极导线2均等间距横向、纵向排列，且正极导线3、负极导线2交替排列形成网状结构，相同极性导线的交叉处通过接头1焊接，可以得到一个负极圆饼接头的周围有四个正极接头的结构。同理，一个正极接头的周围有四个负极接头。将两个网络交叉部分使用塑料进行粘合(不会短路)，最终形成一个密集的正负电极网络。不同极性导线的交叉处利用自身塑料外皮进行粘合(不会短路)，最终形成一个密集的正负电极网络。
接头1为圆饼状、是导电材质，由母头4和公头组成；网状电能传输模块22通过母头4透过外衣对应的小孔与各种模块上的公头相连接。
如图3所示，母头4外圆周每隔90度设有一个导线焊接点Ⅰ6，用于和导线进行焊接。母头4中部设有公头插入槽5，该槽有一定的深度，公头插入槽5下部为设定角度的旋转槽，公头插入槽5中部为卡位槽，用于限定公头卡位杆转动后的位置。本实施例中，旋转槽由对角的两个扇形构成，每个扇形圆心角为90°，镂空二分之一部分。公头插入槽5上部槽口结构与公头的卡位杆结构匹配。
如图4所示，公头外圆周每隔180度设有一个导线焊接点Ⅱ12，用于和导线进行焊接。包括壳体、转轴、电刷13、弹簧14及卡位杆，公头壳体中部设有过孔，转轴设置在过孔中，转轴一端设有旋转手柄，转轴另一端穿出过孔后与卡位杆固连构成“工”字形状，且卡位杆15到公头壳体底部有一定的距离。同时，弹簧14套装在穿出过孔的转轴段，弹簧14两端分别固定在壳体底部与卡位杆之间。电刷13设置在过孔内，同时与转轴接触。两个向内倾斜的电刷13紧密贴合转轴，用于连接公头壳体和转轴。
母头4和公头相结合可以实现母头4所连接部分与公头所连接部分的电路导通。具体实施方式说明如下：首先，将公头的卡位杆15顺着母头4的公头插入槽5槽口的方向，插入到公头插入槽5底部。然后，将公头的旋转手柄逆时针旋转90度，此时公头卡位杆15处于和公头插入槽5槽口相互垂直的方向。之后，放开公头旋转手柄，此时弹簧14处于拉伸状态，在弹簧14的作用下公头卡位杆15带动母头4向旋转手柄方向拉动，从而使公头卡位杆15正好陷入到公头接口卡位槽中。由于卡位槽的作用，公头卡位杆15不能随便移动，并且牢牢贴合母头4，实现公头和母头4之间的导通。
电能收集模块20由柔性超级电容组成，通过圆饼接头1接入网状电能传输模块22。柔性超级电容的电容值在几法至几十法不等，能够存储大量的电能，在使用超级电容供电以及存储时也能作为滤波器使用，使输出电压稳定。输出电能时使用DCDC(表示的是将某一电压等级的直流电源变换其他电压等级直流电源的装置)变换电路将电压升压至5V。该超级电容为柔性材质，能够贴合任意人体部位。电能收集模块20还提供备用电源，在电容的电量不足时进行切换供电模块，使用备用电池供电。通过控制MOS管的通断实现备用电池是否接入电路。电能收集模块20上安装四个圆饼接头1公头，两个用于导电，两个用于固连，也可以采用三个、五个，根据电能收集模块20的具体结构确定公头的数量。本实施例中电能收集模块20的两个输出电极分别导线连接到两个公头。将四个公头和外衣上网状电能传输模块22的母头4根据电极的极性正确匹配接入，即可实现将电能收集模块20接入网状电能传输模块22，并且连接位置不受限制，只要存在母头4接口即可接入。
太阳能收集模块使用柔性太阳能电池板作为太阳能转化装置。太阳能收集模块使用最大功率点跟踪太阳能控制器算法(Maximum Power Point Tracking MPPT)使太阳能电池板以最大功率输出。柔性太阳能电池板能够随意弯曲，可以紧密贴合外衣布料，提高舒适度。通过圆饼接头1接入网状电能传输模块22。太阳能收集模块上安装四个圆饼接头1的公头，两个用于导电，两个用于固连，太阳能收集模块输出接口连接分别连接正、负极性的公头，然后使用另外两个公头作为固定，能够任意接入网状电能传输模块22的任何位置。
控制器模块采用MSP430低功耗单片机控制整个电路。控制器模块电路采用柔性印刷电路板确保外衣舒适度。控制器模块运行MPPT算法调节控制器模块的占空比，实现输出功率的调节，使太阳能采集模块21输出最大电能。控制器模块使用模/数转换器(Analog-to-Digital Converter ADC)模块采集电能收集模块20两端的电压，当电能收集模块20两端的电压低于设定阈值时，切换到备用电池供电，当电能收集模块20两端的电压大于设定阈值时，切换到电能收集模块20超级电容供电。控制器模块还具备检测当前光照强度的作用，通过检测光照强度确定太阳能采集模块21是否继续采集光照。在电路中加入光敏电阻用于检测当前光照强度，如果光照强度低于设定阈值，则关闭MPPT控制算法，节约电能。如果光照强度高于设定阈值，则开启MPPT控制算法，继续进行柔性太阳能电池板最大功率输出。控制器模块需要直接与太阳能收集模块相连接，用于直接控制太阳能收集模块的MPPT控制器即确定太阳能PWM占空比以及电源切换开关。控制器模块上安装四个圆饼接头1的公头，两个用于导电，两个用于固连，控制器模块电能输入接口分别连接正、负极性的公头，然后使用另外两个公头作为固定，能够任意接入网状电能传输模块22的任何位置。具体为：对太阳能DCDC变换电路使用扰动观察法，当DCDC稳定时，修改DCDC的PWM占空比观察太阳能电池板的输出功率变化，如果输出功率减小则按照反方向修改太阳能PWM占空比(一个脉冲周期内高电平占整个周期的比例)，最终可以得到在最大输出功率时的太阳能PWM占空比，从而使太阳能电池板无论在什么光照强度下都能输出最大电能。
生理数据检测传感器模块根据不同的生理数据类型采用不同的传感器且硬件电路使用柔性印刷电路确保外衣舒适度。所有传感器均具有低功耗模式，最大程度上节约电能。生理数据检测传感器模块的电源接口连接分别连接正、负极性的公头，能够任意接入网状电能传输模块22的任何位置，并且使用低功耗蓝牙进行数据传输，避免繁琐的物理导线连接，提高传感器接入的灵活性。
将正负电极网络即网状电能传输模块22嵌入到外衣布料内层之中，形成一个与衣服大小相同的网格衣服，太阳能采集模块21设置在背部，如图5(a)、图5(b)所示。本实施例中，生理数据检测传感器模块包括心电采集模块16、体温检测模块17、心率血氧检测模块18、运动检测模块19，心电采集模块16设置在心脏附近，心率血氧检测模块18设置在手腕部分，运动检测模块19设置在腿部附近。
衣服表面在遇到圆饼接头1处时，留出接头1大小的小孔，以便圆饼接头1的公头可以插入。在衣服任意位置只要有圆饼接头1的位置均可以接入，且即使内部线路有一小部分断开，只要有一处连接，则接头1均可以使用。网状电能传输模块22通过将母头4透过外衣对应的小孔与各种模块的公头相连接。太阳能采集模块21经过控制器模块控制输出最大电能，通过圆饼接头1输送到网状电能传输模块22。电能收集模块20通过圆饼接头1接收网状电能传输模块22传输的电能并存储在超级电容之中。生理数据检测传感器模块通过圆饼接头1接收网状电能传输模块22的电能，完成人体生理数据采集。
本实施例可以最大限度的使用太阳能给生理数据检测传感器模块供电，极大的提高生理状态检测系统的续航时间。由于网状电能传输模块22和圆饼接头1的使用，可以在外衣任何位置接入和删除任何模块，提高检测系统配置的灵活度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，包括控制器模块、太阳能采集模块、电能收集模块、生理数据检测传感器模块、网状电能传输模块；
所述网状电能传输模块为外衣形状，设于外衣内部，用于太阳能采集模块、电能收集模块、生理数据传感器模块在任意位置接入电路；太阳能采集模块经过控制器模块控制输出最大电能，所述电能通过网状电能传输模块传输给电能收集模块并存储；生理数据检测传感器模块通过网状电能传输模块接收电能收集模块存储的电能，完成人体生理数据采集。
2.如权利要求1所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述电能收集模块由柔性超级电容组成，并提供备用电池。
3.如权利要求2所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述控制器模块通过采集电能收集模块两端的电压确定是否由备用电池进行供电；当电能收集模块两端电压低于设定阈值时，切换到备用电池供电；当电能收集模块两端电压大于设定阈值时，切换到电能收集模块供电。
4.如权利要求1所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述控制器模块通过检测光照强度确定太阳能采集模块是否继续采集光照；如果光照强度低于设定阈值，则关闭最大功率点跟踪太阳能控制器控制算法；如果光照强度高于设定阈值，则开启最大功率点跟踪太阳能控制器控制算法。
5.如权利要求4所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述控制器模块采用光敏电阻检测当前光照强度。
6.如权利要求1所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述网状电能传输模块包括正极导线、负极导线以及接头；
正极导线、负极导线均等间距横向、纵向排列，且正极导线、负极导线交替排列形成网状结构，相同极性导线的交叉处通过接头固定连接；所述接头用于实现与太阳能采集模块、电能收集模块、生理数据检测传感器模块电连。
7.如权利要求6所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述接头为圆饼状，由母头和公头组成；
母头中部设有公头插入槽，所述公头插入槽下部为设定角度的旋转槽，所述公头插入槽中部为卡位槽，用于限定公头卡拉杆转动后的位置；公头插入槽上部槽口结构与公头的卡拉杆结构匹配；
公头包括壳体、转轴、电刷、弹簧及卡拉杆，所述壳体中部设有过孔，转轴设置在过孔中，转轴一端设有旋转手柄，转轴另一端穿出过孔后与卡拉杆固连，同时，弹簧套装在穿出过孔的转轴段，弹簧两端分别固定在壳体底部与卡拉杆之间；所述电刷设置在过孔内，同时与转轴接触。
8.如权利要求1-7任一项所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述控制器模块运行最大功率点跟踪太阳能控制器算法调节太阳能一个脉冲周期内高电平占整个周期的比例，实现输出功率的调节，使太阳能采集模块输出最大电能。
9.如权利要求8所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述控制器模块采用柔性印刷电路板。
10.如权利要求9所述的基于太阳能供能的人体生理状态检测系统，其特征在于，所述太阳能采集模块采用柔性太阳能电池板。
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