CN113598757A - 基于柔性传感的体态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于柔性传感的体态监测系统，包括柔性天线传感器网络、信号处理电路、移动终端和云服务器；柔性天线传感器与信号处理电路连接，信号处理电路采集并处理柔性天线传感器网络的电信号，并将处理后的电信号发送至移动端，移动端再通过无线网络发送到云服务器，云服务器根据收到的电信号进行在线计算决策，判断出不同柔性天线传感器发生形变或与用户之间距离变化情况，从而得出用户体态动作。

Description

基于柔性传感的体态监测系统

技术领域

本发明属于可穿戴传感器技术领域，尤其涉及基于柔性传感的体态监测系统。

背景技术

基于5G的泛终端设备将在工业、医疗领域率先普及和迭代，对文化教育、休闲娱乐方式等产生颠覆性变革。泛智能终端通过与云计算对接，实现终端设备轻便化、智能化，是我国未来5年内5G布局技术所趋。

可穿戴设备在娱乐，医疗和教育领域有着巨大的应用前景。宅经济”迅速蓬勃发展，娱乐，医疗和教育等行业传统设备已无法满足人们日益增长的消费需求。因此，从技术和经济两方面出发，新型可穿戴智能设备有着日趋成熟的技术支持和逐渐壮大的市场需求。

目前应用在人体的可穿戴设备大多沉重，舒适性较差，用户在佩戴过程中往往出现不适感。同时，可穿戴设备的精确性和可靠性也有相当大的提升空间。本发明重点基于柔性天线实现传感，云端计算执行决策判断。数据采集和处理实现分离，大大提高可穿戴设备峰舒适性和便捷性。

发明内容

本发明的目的是基于柔性天线实现传感和云端计算执行决策判断，提高可穿戴设备峰舒适性和便捷性。

基于柔性传感的体态监测系统，包括柔性天线传感器网络、信号处理电路、移动终端和云服务器；

所述柔性天线传感器网络包括一个或多个柔性天线传感器，柔性天线传感器的电信号特征随着体态变化而发生改变；

柔性天线传感器与信号处理电路连接，信号处理电路采集并处理柔性天线传感器输出的数据，并将处理后的数据发送至移动端，移动端再通过无线网络将数据发送到云服务器，云服务器根据收到的数据进行在线计算决策，从而得出用户体态动作。

有益效果：本发明可用于多种形态监测场景：弯折、拉伸、靠近、远离、接触。根据这组柔性天线传感器网络不同的形态变化可以推断出用户此时发生的体态动作。因此，本发明可实时监测用户体态动作。在实际应用中，可用来监测运动员身体形态，提高运动员训练效率；可用来辅助病人体态治疗和监测，帮助医生远程诊断；可用来游戏娱乐，增强VR游戏实时体验性等多场景多用途。因此，基于柔性天线的传感系统具有光明的开发前景。

附图说明

图1是本发明系统整体示意图。

图2是柔性天线表面结构示意图。

图3是信号处理电路示意图。

图4是本发明整体流程示意图。

图5是附着在衣物表面的柔性天线传感器图。

图6是柔性天线传感器垂直于馈线方向弯折示意图及数据图。

图7是柔性天线传感器平行于馈线方向弯折示意图及数据图。

图8是手指靠近柔性天线传感器示意图及数据图。

图9是柔性天线传感器平行于馈线方向拉伸示意图及数据图。

其中，1，柔性天线传感器；11，柔性衬底；12，辐射电极；13，接地电极； 131，矩形长边；132，矩形短边；14，馈电线；2，信号处理电路；3，移动终端； 4、云服务器

具体实施方式

如图1所示，本发明是基于柔性传感的体态监测系统，包括柔性天线传感器网络1、信号处理电路2、移动终端3和云服务器4；

所述柔性天线传感器网络1包括一个或多个柔性天线传感器，柔性天线传感器的电信号特征随着体态动作而发生改变；

柔性天线传感器1与信号处理电路2连接，信号处理电路2采集并处理柔性天线传感器输出的数据，并将处理后的数据发送至移动端，移动端再通过无线网络发送到云服务器4，云服务器4根据收到的数据进行在线计算决策，从而得出用户体态动作。

如图2所示，所述柔性天线传感器包括柔性衬底11、两个接地电极13、辐射电极12、以及馈电线14；两个接地电极13、辐射电极12、以及馈电线14均位于柔性衬底11表面，且称轴对称图形分布，辐射电极12和馈电线14连接，且均位于对称轴上，两个接地电极13分别位于馈电线14两侧，关于馈电线14 对称，且与馈电线14有间隔。馈电线14与接地电极13之间形成两条间隔，天线表面电流和能量大部分集中于两条间隔之间。所述辐射电极12为倒梯形辐射电极12，馈电线14和接地电极13通过SMA接口将电信号引出，再通过同轴线连接到信号处理电路2。

两个接地电极结构相同，均为矩形，接地电极13包括相互垂直连接的矩形长边131和矩形短边132，接地电极矩形长边131与馈电线14相邻近，且平行于馈电线14，接地电极的矩形长边131长度和馈电线14长度相同；

两个接地电极、辐射电极12、以及馈电线14均通过丝网印刷等工艺制备在柔性衬底11表面，且均位于在柔性衬底11的同一侧，以降低加工成本和提高产品成品率。柔性衬底11优选热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，两个接地电极、辐射电极12、以及馈电线14采用可拉伸导电材料，均其具有卓越的高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性，采用其他柔性基底材料或制备工艺亦可达到相近效果。

如图3所示，所述信号处理电路2包括直接数字式频率合成器DDS、主控芯片、SWR电桥、检波器电路和无线通讯模块；直接数字式频率合成器DDS通过调制主控芯片时钟频率，产生扫频信号；该扫频信号通过SWR电桥，经过柔性天线传感器1之后回到检波器电路转化为电压值输出到主控芯片，所述电压值与回波损耗值对应，主控芯片通过无线通讯模块与移动端进行数据的传输。因此，信号处理电路2从柔性天线传感器1采集到的电信号是在不同扫频信号下，每个柔性天线传感器回波损耗值对应的电压值。

柔性天线传感器与信号处理电路连接，如图4所示，当本发明系统开始工作时，信号处理电路输出一组扫频信号通过柔性天线传感器1后，柔性天线传感器 1输出一组反射功率，信号处理电路的检波器电路采集柔性天线传感器反射功率，并将其转化为电压值输出到主控芯片，主控芯片再将电压值转化为对应的回波损耗值，主控芯片记录下扫频信号的频率以及电压值对应的回波损耗值，信号处理电路2将一组扫频信号的频率以及电压值对应的回波损耗值通过无线通讯模块传输到移动终端3，本发明中的无线通讯模块是蓝牙模块；移动终端3再通过无线网络将数据上传到云服务器4，天线谐振频率又叫共振频率，谐振频率往往有一个频率范围，发生共振的频率范围。共振最强点对应的频率即为中心谐振频率。每一组数据包含一组扫频频率和对应的回波损耗值，在云服务器，通过对比算法找出该组数据中数值最小的回波损耗值，其对应的频率即为柔性天线传感器的中心谐振频率。进一步地，将每一组计算得出的中心谐振频率和该频率下回波损耗值进行如表1计算决策，得出体态动作，用户体态动作结果将会返回到移动终端 3。当用户通过移动终端关闭系统时，整个系统将停止工作并关机，否则继续上述循环。

对柔性天线传感器网络1中的每个柔性天线传感器进行编号，获取每一个柔性天线传感器对应的体态动作，从而更精确的计算决策出用户整体的体态动作。

如图5所示，柔性天线传感器网络1和信号处理电路2附着在衣物或身体表面，例如柔性天线传感器网络1可以附着在肢体关节、腰部等位置，当体态发生变化时引起柔性天线传感器网络电信号特征发生改变；

本发明优选频段为3,5GHz，根据天线设计理论，通常贴片的长度L大约为 0.47-0.49倍的介质波长λ，因此柔性天线传感器柔性衬底11长宽分别为51.63mm、 38.73mm，其中辐射电极12有效长度为19.36mm。仿真数据结果中柔性天线传感器中心谐振频率为3.448GHz，回波损耗值为-17.75dB；实物数据结果中心谐振频率为3.45GHz，回波损耗值为-42.00dB。本发明设计方法亦适用于其他波段的柔性天线。

经过仿真和实验测试，所述体态动作包括弯折柔性天线传感器、靠近柔性天线传感器、远离柔性天线传感器和拉伸柔性天线传感器，相应的柔性天线传感器电信号特性变化主要如下：

1)，当弯折柔性天线传感器时，相当于在柔性天线传感器边缘施加剪切力，导致柔性天线传感器在对应方向发生弯折变化，同时回波损耗值和中心谐振频率发生变化，本发明中主要考虑柔性天线传感器在平行于馈电线方向、以及垂直于馈电线方向的弯折。

如图6所示，当柔性天线传感器在垂直于馈电线方向发生弯折时，柔性天线传感器弯折的曲率半径从大到小变化。柔性天线传感器对垂直于馈电线方向弯折不敏感，中心谐振频率和回波损耗值在一定程度上几乎稳定不变。

如图7所示，当柔性天线传感器在平行于馈电线方向发生弯折时，柔性天线传感器弯折的曲率半径从大到小变化。柔性天线传感器对平行于馈电线方向弯折敏感，柔性天线传感器的中心谐振频率随弯折曲率半径的减小(即弯折程度增加) 而呈线性增大，回波损耗值随弯折曲率半径减小而呈线性减小；

当平行于馈电线方向的弯折程度减小，弯折曲率半径的增加时，柔性天线传感器的中心谐振频率随弯折程度减小而减小、回波损耗值随弯折程度减小而增大；

2)当被检测物体(例如手或其他身体部位)靠近柔性天线传感器的辐射电极12时，高频磁场在被测物体表面产生涡电流，导致柔性天线传感器回波损耗值和中心谐振频率发生变化，本设计中主要考虑手指靠近、远离和触摸辐射电极 12情形。

如图8所示，当手指从一定距离不断靠近柔性天线传感器时，随着手指与柔性天线传感器之间的距离越来越小，天线回波损耗值迅速增大，而中心谐振频率几乎保持不变；直到手指触摸天线辐射电极12时，天线回波损耗值增大到极限值。

反之，当手指与柔性天线传感器之间的距离越来越大，天线回波损耗值迅速减小，而中心谐振频率几乎保持不变；

3)，在柔性天线边缘施加拉力时，会导致天线在对应方向发生伸长变化，同时回波损耗值和中心谐振频率发生变化，本发明中主要考虑平行于馈电线方向的拉伸。

如图9所示，当柔性天线传感器在平行于馈电线方向发生拉伸时，柔性天线传感器伸长倍数在最大拉伸范围内从小到大变化，由仿真和实验测试数据可知，柔性天线传感器对平行于馈电线方向拉伸敏感，中心谐振频率与回波损耗值均随拉伸倍数增大而呈线性减小。反之，中心谐振频率与回波损耗值均随拉伸倍数小而呈增大。

当用户对柔性天线传感器进行弯折、靠近、接触、远离、拉伸时，对应的中心谐振频率和回波损耗值变化并不相同，因此，可以将中心谐振频率和回波损耗值的变化与体态动作的关系作为云服务器4在线计算决策依据。

所述体态动作包括弯折天线传感器、靠近天线传感器、远离天线传感器、接触天线传感器和拉伸天线传感器，具体的，弯折天线传感器包括垂直于馈电线方向弯折天线传感器和平行于馈电线方向弯折天线传感器。决策依据如表1所示。

表1 云服务器在线计算决策依据

Claims (10)

1.基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，包括柔性天线传感器网络、信号处理电路、移动终端和云服务器；

所述柔性天线传感器网络包括一个或多个柔性天线传感器，柔性天线传感器的电信号特征随着体态变化而发生改变；

柔性天线传感器与信号处理电路连接，信号处理电路采集并处理柔性天线传感器输出的数据，并将处理后的数据发送至移动端，移动端再通过无线网络将数据发送到云服务器，云服务器根据收到的数据进行在线计算决策，从而得出用户体态动作。

2.根据权利要求1所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，所述柔性天线传感器包括柔性衬底、两个接地电极、辐射电极以及馈电线；

两个接地电极、辐射电极、以及馈电线均位于柔性衬底表面，且称轴对称图形分布，辐射电极和馈电线连接，且均位于对称轴上，两个接地电极分别位于馈电线两侧，关于馈电线对称，且与馈电线有间隔；

馈电线和接地电极通过SMA接口将电流信号引出，再通过同轴线连接到信号处理电路。

3.根据权利要求2所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，所述辐射电极为倒梯形辐射电极。

4.根据权利要求2所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，两个接地电极、辐射电极、以及馈电线均通过丝网印刷工艺制备在柔性衬底表面，柔性衬底优选热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU。

5.根据权利要求2所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，两个接地电极结构相同，均为矩形，接地电极包括相互垂直连接的矩形长边和矩形短边，接地电极的矩形长边与馈电线相邻近，且平行于馈电线，接地电极的矩形长边长度和馈电线长度相同。

6.根据权利要求1所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，所述信号处理电路包括直接数字式频率合成器DDS、主控芯片、SWR电桥、检波器和无线通讯模块；

直接数字式频率合成器DDS通过调制主控芯片时钟频率，产生扫频信号；该扫频信号通过SWR电桥，经过柔性天线传感器之后回到检波器电路转化为电压值输出到主控芯片，所述电压值与柔性天线传感器的回波损耗值对应；主控芯片通过无线传输模块与移动端进行数据的传输。

7.根据权利要求6所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，信号处理电路输出一组扫频信号通过柔性天线传感器后，柔性天线传感器输出一组反射功率，信号处理电路的检波器电路采集柔性天线传感器反射功率，并将其转化为电压值输出到主控芯片，主控芯片再将电压值转化为对应的回波损耗值，主控芯片记录下扫频信号的频率以及电压值对应的回波损耗值，信号处理电路将一组扫频信号的频率以及电压值对应的回波损耗值通过无线传输模块发送到移动终端，移动终端再通过无线网络将数据上传到云服务器，在云服务器，通过对比算法找出该组数据中数值最小的回波损耗值，其对应的频率即为柔性天线传感器的中心谐振频率。

8.根据权利要求1所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，柔性天线传感器的电信号特征是指回波损耗值和中心谐振频率。

9.根据权利要求1所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，对柔性天线传感器网络中的每个柔性天线传感器进行编号。

10.根据权利要求1所述基于柔性传感的体态监测系统，其特征在于，所述体态动作包括弯折柔性天线传感器、靠近柔性天线传感器、远离柔性天线传感器和拉伸柔性天线传感器，具体的，弯折柔性天线传感器包括垂直于馈电线方向弯折柔性天线传感器和平行于馈电线方向弯折柔性天线传感器；

所述云服务器在线计算决策依据为：

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