CN113974263A - 低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫及其数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫及其数据传输方法，鞋垫通过柔性天线边缘布置的方式实现脚底压力数据的无线射频传输，当鞋垫处于工作状态时，主控芯片为正常工作模式，射频模块处于发送模式，主控芯片采集薄膜压力传感器的数据并发送至射频模块,射频模块通过柔性天线将数据无线发送至外部控制器；鞋垫处于低功耗待机状态时，主控芯片处于睡眠模式，射频模块在接收模式与睡眠模式间循环切换。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的外骨骼的脚底压力信息无线传输速率低、绕射能力差，以及采集功耗不能满足要求的问题。

Description

低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫及其数据传输方法
技术领域
本发明涉及鞋垫的技术领域，具体而言，涉及一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫及其数据传输方法。
背景技术
在现有技术中，外骨骼脚底压力采集系统多为有线采集，或使用常规印制板天线及蓝牙通信传输压力数据，由于鞋垫布置在人体鞋底，信号遮挡性强，所以对信号传输速率及绕射能力具有较高的要求，常规蓝牙通信的信号绕射及穿透能力差，无法满足实际使用需求，目前市面上暂无可以无线实时传输脚底压力的相关产品。由于外骨骼常常需要长时间工作，所以对于该种类型的产品的低功耗工作能力也提出较高的要求。
发明内容
本发明提供了一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫及其数据传输方法，解决了现有技术中的外骨骼的脚底压力信息采集功耗不能满足要求的问题。
根据本发明的一方面，提供了一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，包括：
鞋垫本体、薄膜压力传感器、主控板、电池、保护壳、柔性天线；薄膜压力传感器、主控板、电池、保护壳、柔性天线固定设置在鞋垫本体上；
主控板包括主控芯片、射频模块，主控芯片与射频模块在主控板内部电气连接，可实现通信及IO信号传输；
低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫包括工作状态和低功耗待机状态；
鞋垫处于工作状态时，
主控芯片为正常工作模式，射频模块处于发送模式；
主控芯片采集薄膜压力传感器的数据并发送至射频模块；射频模块通过柔性天线将数据无线发送至外部控制器；
鞋垫处于低功耗待机状态时，
主控芯片处于睡眠模式，射频模块在接收模式与睡眠模式间循环切换；
主控板等待外部控制器向鞋垫不间断循环发送无线唤醒信号，单次完整唤醒信号发送时间为A毫秒，射频模块每B毫秒接收一次数据，
接收时间为2A毫秒，B大于2A。
进一步地，B设置为A的100至200倍。
进一步地，柔性天线的一端焊接在主控板上的天线焊接接口处，柔性天线的另一端沿鞋垫本体内侧边缘布设，主控板(2-1)通过柔性天线与外部控制器实现无线通信。
进一步地，鞋垫本体材料为布料或泡棉，薄膜压力传感器为多点式变阻型薄膜压力传感器，电池为可充电锂电池。
进一步地，低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫还包括防水USB接口，防水USB结构设置在鞋垫本体的周向外侧。
进一步地，射频模块的无线通信信号频段为300MHz至1GHz，柔性天线长度为无线通信信号频段波长的四分之一。
根据本发明的另一方面还提供了一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫的数据传输方法，采用上述的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，包括以下步骤：
由工作状态转入低功耗待机状态时，
1)主控芯片X秒内未检测到脚底压力数据；
2)主控芯片设置射频模块每B毫秒接收一次数据，接收数据时长为2A毫秒，在每B毫秒内，2A毫秒射频模块处于接收模式，B-2A毫秒射频模块处于睡眠模式；
3)主控芯片进入睡眠模式；
4)鞋垫进入低功耗待机状态；
由低功耗待机状态转入正常工作状态时，
外部控制器以A毫秒为周期循环发送唤醒数据至射频模块；
射频模块在2A毫秒内接收到外部控制器完整单条唤醒数据；
射频模块发送IO信号唤醒睡眠模式下的主控芯片；
鞋垫进入正常工作状态。
应用本发明的技术方案，鞋垫内的电路通过设置工作状态和低功耗待机状态可以实现非工作状态时能量损失很小，这样大大地延长了低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫的使用时间；通过柔型天线边缘布置的方式，提升力信号绕射能力。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的外骨骼的脚底压力信息无线传输速率低、绕射能力差，以及采集功耗不能满足要求的问题。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1示出了本实施例的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫的结构示意图；
图2示出了图1的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫的电气结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
现在，将参照附图更详细地描述根据本公开的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
如图1和图2所示，本实施例的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，包括：鞋垫本体1-1、薄膜压力传感器1-2、主控板2-1、电池2-2、保护壳2-3和柔性天线3。薄膜压力传感器1-2、主控板2-1、电池2-2、保护壳2-3和柔性天线3均固定设置在鞋垫本体1-1上。主控板2-1包括主控芯片10、射频模块11，主控芯片10与射频模块11在主控板2-1内部电气连接，可实现通信及IO信号传输。低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫包括工作状态和低功耗待机状态。鞋垫处于工作状态时，主控芯片10为正常工作模式，射频模块11处于发送模式。主控芯片10采集薄膜压力传感器1-2的数据并发送至射频模块11。射频模块11通过柔性天线3将数据无线发送至外部控制器14。鞋垫处于低功耗待机状态时，主控芯片10处于睡眠模式，射频模块11在接收模式与睡眠模式间循环切换。主控板2-1等待外部控制器14向鞋垫不间断循环发送无线唤醒信号，单次完整唤醒信号发送时间为A毫秒，射频模块11每B毫秒接收一次数据，接收时间为2A毫秒，B大于2A。
应用本实施例的技术方案，鞋垫内的电路通过设置工作状态和低功耗待机状态可以实现非工作状态时能量损失很小，这样大大地延长了低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫的使用时间。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中的外骨骼的脚底压力信息采集功耗不能满足要求的问题。
在本实施例的技术方案中，B设置为A的100至200倍。这样的设定，保证了鞋垫内的电气结构的能量节省较多。
这样能够保证接收信号的准确可靠，错过信号的可能性较小。
在本实施例的技术方案中，柔性天线3的一端焊接在主控板2-1上的天线焊接接口处，柔性天线3的另一端沿鞋垫本体1-1内侧边缘布设，主控板2-1通过柔性天线3与外部控制器14实现无线通信。柔性天线3的另一端沿鞋垫本体1-1的内侧边缘布设，可实现人体正常行走的状态下，无线数据信号能够克服人体遮挡，实时传输脚底压力数据，进而保证了鞋垫接收信号的可靠性较高。
在本实施例的技术方案中，鞋垫本体1-1材料为布料或泡棉，薄膜压力传感器1-2为多点式变阻型薄膜压力传感器，电池2-2为可充电锂电池。
在本实施例的技术方案中，低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫还包括防水USB接口，防水USB结构设置在鞋垫本体的周向外侧。防水USB结构的设置位置可以避免与脚的位置相干涉，另外，其设置方便了下载数据，充电等功能。
在本实施例的技术方案中，射频模块11的无线通信信号频段为300MHz至1GHz，柔性天线3长度为无线通信信号频段波长的四分之一。上述结构使得柔性天线3接收信号的效果较好。
一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，通过与外部控制器无线通信，可将采集脚底压力值传输至外部控制器中。
本实施例的产品包括鞋垫本体及薄膜压力传感器，主控板、电池及金属壳，柔性天线。
鞋垫本体主要起电气元件包裹及脚底减震作用，其材料为常见布料或泡棉。
薄膜压力传感器为常规多点式变阻型薄膜压力传感器，根据压力值变化其阻值会根据一定规律变化，薄膜压力传感器可根据需要采集多个敏感点压力值。
主控板为鞋垫的电气核心，负责压力采集、数据通信、电池充电等工作。
电池为常规可充电锂电池。
保护壳为硬度较高的金属壳，主控板及电池放置于金属壳中，防止主控板及电池因承受人体压力而被损坏。
柔性天线一端连接到主控板上天线接口处，从主控板伸出后沿鞋垫本体内部边缘布置，可布置在鞋垫左侧或右侧边缘，从而最大化信号传输能力，射频信号频段为常见300MHz至1GHz内常见频段。
鞋垫主控板中主控芯片使用STM32系列超低功耗产品，数据发送时间A毫秒。当未与外部控制器建立通信时，设置主控芯片处于睡眠模式，射频模块设置为每B毫秒只接收一次数据，接收时间2A毫秒，其余时间恢复睡眠模式。如果射频模块接收外部控制器数据成功，则发送IO信号给主控芯片将其唤醒，开始正常工作。如果长时间无压力信号，则系统自动再次进入睡眠模式，直到再次被唤醒，从而可实现超低功耗工作，在待机情况下可根据外部信号情况自动唤醒。
A、B的确定可根据实际情况软件调整，B常见设置为A的100倍以上，以实现未与外部控制器建立通信时长时间低功耗睡眠，提升待机续航能力。
本实施例提供一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，通过与外部控制器无线通信，可将采集脚底压力值传输至外部控制器中。下面结合附图对本专利作进一步详细说明。
图1展示了本发明结构示意图，该产品组成包括鞋垫本体及薄膜压力传感器1，主控板、电池及保护壳2，柔性天线3。
鞋垫本体及薄膜压力传感器1中鞋垫本体主要起电气元件包裹及脚底减震作用，使用常见布料或泡棉，薄膜压力传感器也为市面常见产品，其特性为电阻值随着压力的变化而变化，可根据需求选择传感器压力测试点数及测试点位置；主控板、电池及保护壳2中主控板为鞋垫的电气核心，负责压力采集、数据通信、电池充电等工作，所使用的电池为常规可充电锂电池，保护壳为硬度较高的金属壳，防止主控板及电池因承受人体压力而被损坏；柔性天线3选用普通导线即可，长度常为通信频率对应波长的四分之一，常为5cm～20cm左右。
图2展示了本发明的电气原理框图，本部分主要说明主控板内部硬件组成及功能。主控板包括防水Micro USB接口4、充电电路5、保护电路6、防水触摸开关7、开关电路8、电源变换电路9、主控芯片10、射频模块11、压力采集电路12、微型连接器13等。
防水MicroUSB接口4为本实施例产品唯一对外接口，可通过标准MicroUSB插头接入5V电源，为产品充电，在调试阶段也可通过MicroUSB的两个引脚将调试程序下载到主控芯片中；充电电路5、保护电路6为常规4.25V锂电池充电电路及保护电路；防水触摸开关7及开关电路8的作用为控制鞋垫内部上电及断电，短暂按压开关鞋垫上电，长时间按压鞋垫内部断电；电源变换电路9的作用为将电池电压转化为3.3V稳定电压，为内部元器件供电；主控芯片10为STM32低功耗系列产品STM32F0，以实现正常工作时的低功耗。射频模块11选择在胎压监测中常见的射频模块，需有低功耗睡眠功能，考虑到信号绕射能力以及实时通信能力，发射频率常选为433MHz或868MHz，射频模块11将主控芯片10的无线传输数据通过柔性天线2发送至无线接收端13。压力采集电路12为电阻分压电路，通过合理设置分压电阻可通过片内AD采集薄膜压力传感器的数值，通过微型连接器14与薄膜压力传感器1连接，从而测量薄膜压力传感器中对应测试点压力值。
主控板1中主控芯片10使用STM32系列超低功耗产品，实现低功耗工作。单次完整唤醒信号发送时间为A毫秒。当未与外部控制器14建立无线通信时，设置主控芯片10处于睡眠模式，射频模块11设置为每B毫秒只接收一次数据，接收时间2A毫秒，其余时间恢复睡眠模式。如果模块接收外部控制器14数据成功，则发送IO信号给主控芯片10将其唤醒，开始正常工作。如果丢失与外部控制器14的通信连接，则系统自动再次进入睡眠模式，直到再次被唤醒，从而可实现超低功耗工作，在待机情况下可根据外部信号情况自动唤醒。
A、B的确定可根据实际情况软件调整，B常见设置为A的100倍以上，以实现未与外部控制器建立通信时长时间低功耗睡眠，提升待机续航能力。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
提供一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，通过特殊的无线通信方式设计，提升了信号绕射能力，可实现在人体正常行走的状态下，无线数据信号能够克服人体遮挡，实时传输脚底压力数据；同时，在硬件电路上使用超低功耗设计，并设计了睡眠唤醒功能，需要使用时无需按压开关，自动检测通信状态即可开启工作状态，从而实现长时间超低功耗续航。
本申请还提供了一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫的数据传输方法，采用上述的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，包括以下步骤：由工作状态转入低功耗待机状态时，1)主控芯片X秒内未检测到脚底压力数据；2)主控芯片10设置射频模块11每B毫秒接收一次数据，接收数据时长为2A毫秒，在每B毫秒内，2A毫秒射频模块11处于接收模式，B-2A毫秒射频模块11处于睡眠模式；3)主控芯片10进入睡眠模式；4)鞋垫进入低功耗待机状态。
由低功耗待机状态转入正常工作状态时，外部控制器14以A毫秒为周期循环发送唤醒数据至射频模块11；射频模块11在2A毫秒内接收到外部控制器14完整单条唤醒数据；射频模块12发送IO信号唤醒睡眠模式下的主控芯片10；鞋垫进入正常工作状态。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，其特征在于，包括：
鞋垫本体(1-1)、薄膜压力传感器(1-2)、主控板(2-1)、电池(2-2)、保护壳(2-3)、柔性天线(3)；所述薄膜压力传感器(1-2)、主控板(2-1)、电池(2-2)、保护壳(2-3)、柔性天线(3)固定设置在所述鞋垫本体(1-1)上；
所述主控板(2-1)包括主控芯片(10)、射频模块(11)，所述主控芯片(10)与射频模块(11)在主控板(2-1)内部电气连接，可实现通信及IO信号传输；
所述低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫包括工作状态和低功耗待机状态；
所述鞋垫处于工作状态时，
所述主控芯片(10)为正常工作模式，所述射频模块(11)处于发送模式；
所述主控芯片(10)采集所述薄膜压力传感器(1-2)的数据并发送至所述射频模块(11)；所述射频模块(11)通过所述柔性天线(3)将数据无线发送至所述外部控制器(14)；
所述鞋垫处于低功耗待机状态时，
所述主控芯片(10)处于睡眠模式，所述射频模块(11)在接收模式与睡眠模式间循环切换；
所述主控板(2-1)等待所述外部控制器(14)向鞋垫不间断循环发送无线唤醒信号，单次完整唤醒信号发送时间为A毫秒，所述射频模块(11)每B毫秒接收一次数据，接收时间为2A毫秒，所述B大于所述2A。
2.根据权利要求1所述的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫的实现方法，其特征在于，B设置为A的100至200倍。
3.根据权利要求1所述的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，其特征在于，所述柔性天线(3)的一端焊接在所述主控板(2-1)上的天线焊接接口处，所述柔性天线(3)的另一端沿所述鞋垫本体(1-1)内侧边缘布设，主控板(2-1)通过柔性天线(3)与外部控制器(14)实现无线通信。
4.根据权利要求1的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，其特征在于，根据权利要求1所述的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，其特征在于，所述鞋垫本体(1-1)材料为布料或泡棉，所述薄膜压力传感器(1-2)为多点式变阻型薄膜压力传感器，所述电池(2-2)为可充电锂电池。
5.根据权利要求1所述的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，其特征在于，所述低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫还包括防水USB接口，所述防水USB结构设置在所述鞋垫本体的周向外侧。
6.根据权利要求1所述的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，其特征在于，所述射频模块(11)的无线通信信号频段为300MHz至1GHz，所述柔性天线(3)长度为无线通信信号频段波长的四分之一。
7.一种低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫的数据传输方法，采用权利要求1至6中任一项所述的低功耗无线数据传输脚底压力采集鞋垫，其特征在于，包括以下步骤：
由工作状态转入低功耗待机状态时，
1)所述主控芯片(10)X秒内未检测到脚底压力数据；
2)所述主控芯片(10)设置所述射频模块(11)每B毫秒接收一次数据，接收数据时长为2A毫秒，在每B毫秒内，2A毫秒射频模块(11)处于接收模式，B-2A毫秒射频模块(11)处于睡眠模式；
3)所述主控芯片(10)进入睡眠模式；
4)所述鞋垫进入低功耗待机状态；
由低功耗待机状态转入正常工作状态时，
所述外部控制器(14)以A毫秒为周期循环发送唤醒数据至所述射频模块(11)；
所述射频模块(11)在2A毫秒内接收到所述外部控制器(14)完整单条唤醒数据；
所述射频模块(12)发送IO信号唤醒睡眠模式下的所述主控芯片(10)；
所述鞋垫进入正常工作状态。
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