CN114287914A - 一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统，该系统包括：设置在鞋垫编制层和鞋垫底层之间的薄膜压力传感器层上的传感器模组，设置在鞋垫底层的MCU控制模块、通信模块、电源管理模块、心电监测模块；所述传感器模组用于检测使用者脚掌各部分的受力情况和运动状态；所述心电监测模块用于监测使用者的心电数据，并将监测到的心电数据传输至所述MCU控制模块；所述MCU控制模块用于将接收到的使用者脚掌各部分的受力情况、运动状态和心电数据通过所述通信模块发送到数据库，所述数据库将接收到的信息发送到手机APP；所述电源管理模块用于为所述系统供电。本发明能够实现实时反馈，保证运动者在运动过程中能实时监测自身的运动状态。

Description

一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统

技术领域

本发明涉及足底检测技术领域，特别是一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统。

背景技术

随着人们的生活水平的日益提高，人们越来越重视自身的身体健康，且国家越来越重视国民的体育运动，因此马拉松这项不受场地限制，且不需要任何器材辅助的运动席卷全国，越来越多的人参与到这项运动中来。在万物互联的时代中，智能设备与传统体育不断融合，对于跑步爱好者来说，现代智能设备为他们提供了一种更健康、更科学的运动状态，从而不断提高自身的运动水平。由此，可穿戴设备市场也迎来了一个快速增长的时期。

目前市场上的智能鞋垫主要用于步态分析和健康监测，如CN201710903910.4，但用于专业运动，且能够进行运动数据记录、分析功能的智能鞋垫市场几乎空白。基于跑步运动的步幅和步频，分析出使用者者每次跑步的落地压力和心电数据，并将数据进行分析，进而找到最合适跑步者的步幅和步频，从而纠正跑步者不良的运动姿势，降低受伤风险。来自美国的Runvi公司所设计的一款AI鞋垫采用30个压力传感器和2个加速度计实现数据采集，同样可以实现应力检测功能，但该产品仅为概念产品，且售价高达299美元，寿命仅为6个月，这对于跑步爱好者来说是一笔不小的支出。同样该鞋垫只能与IOS系统连接，丧失了广大的Android市场。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统，能够实现实时反馈，保证运动者在运动过程中能实时监测自身的运动状态。

本发明公开了一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统，包括：设置在鞋垫编制层和鞋垫底层之间的薄膜压力传感器层上的传感器模组，设置在鞋垫底层的MCU控制模块、通信模块、电源管理模块、心电监测模块；

所述传感器模组用于检测使用者脚掌各部分的受力情况和运动状态；

所述心电监测模块用于检测使用者的心电数据，并将监测到的心电数据传输至所述MCU控制模块；

所述MCU控制模块用于将接收到的使用者脚掌各部分的受力情况、运动状态和心电数据通过所述通信模块发送到数据库，所述数据库将接收到的信息发送到手机APP；

所述电源管理模块用于为所述系统供电。

可选的，无线充电模块，所述无线充电模块设置在鞋垫底层脚弓处的凹槽中；所述无线充电模块采用亥姆霍兹线圈，且所述亥姆霍兹圈可设计成FPC形式；所述无线充电模块与所述电源管理模块相连接，用于为所述电源管理模块充电；

所述电源管理模块包括锂电池、充电电路、充电接口电路、电池保护电路、buck电源电路、电量检测电路，其中，所述充电接口电路与所述无线充电模块连接，用于给锂电池充电；所述buck电源电路用于锂电池的电压转换，所述电池保护电路用于过充、过放、短路保护；所述电量检测电路与所述MCU控制模块的ADC通道相连，将锂电池分压后，通过ADC读取锂电池电压。

可选的，所述传感器模组包括薄膜压力传感器、加速度计模块和陀螺仪，所述薄膜压力传感器与所述加速度计模块和所述陀螺仪相连接；所述加速度计模块和所述陀螺仪用于记录使用者的步幅和步频数据，同时记录使用者运动时的身体姿态。

可选的，所述加速度计模块和所述陀螺仪均设置在鞋垫底层的凹槽中，且用LED作为指示灯判断其工作状态。

可选的，所述心电监测模块和所述MCU控制模块集成在同一块电路板上，且电路板放置在鞋垫底层；心电监测模块的两个电极片，通过导线绕过所述薄膜压力传感器层，将其安装在鞋垫编制层前脚掌接触处和后跟接触处。

可选的，所述数据库和手机APP用于将传感器模组采集到的数据与标准数据进行对比，再根据使用者自身情况给出运动分析结果，同时将结果和运动建议、姿态修正发送到手机APP端。

可选的，所述心电监测模块用于为使用者提供实时的心电监测，通过二阶巴特沃斯滤波器对心电信号进行滤波，并添加MOS开关；所述心电监测模块将采集到的心电信号通过IIC总线方式与MCU控制模块连接。

可选的，所述MCU控制模块通过所述通信模块与所述数据库建立通信，并开启心跳和重连服务，定时发送心跳信息，防止所述系统与所述数据库通信中断；所述鞋垫底层采用记忆棉缓震材料。

可选的，所述心电监测模块包括设置在鞋垫与前脚掌接触位置处的用于心电检测的正电极和设置在鞋垫与后跟接触位置处的用于心电检测的负电极。

可选的，所属薄膜压力传感器层位于编制层下方，并且形状与编制层完全一致，编制层与脚掌完全接触；当使用者运动时，传感器层各个位置检测到的压力值就会不同，从而形成一个压力热区，记录下一个完成的受力过程，通过SPI外设总线将传感器的数据传输给MCU，由MCU初步解析受力数据。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：(1)本发明采用实时脚掌压力状态监测，能够实现实时反馈，保证运动者在运动过程中能实时监测自身的运动状态。(2)本发明设计外观为鞋垫的形式，与鞋子完全适配，不需要再佩戴任何设备，不会对使用者造成额外的负担。(3)本发明的应用范围非常广，既可以用于初学者或者跑步爱好者，也可以用于专业的跑步运动员。通过使用者不同的要求，从而为其量身定制运动方案，使所有使用者都能找到合适的运动方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统的实际布置结构示意图；

附图标号：1-鞋垫编制层；2-心电检测模块负电极；3-薄膜压力传感器层；4-鞋垫记忆海绵层；5-集成MCU控制模块及心电监测模块的电路板；6-无线充电线圈；7-通信模块；8-加速度计模块；9-陀螺仪；10-电源管理模块；11-无线充电模块；12-心电检测模块正电极。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

参见图1和图2，本发明提供了一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统实施例，具体地，该系统包括：设置在鞋垫编制层(1)和鞋垫底层之间的薄膜压力传感器层(3)上的传感器模组，设置在鞋垫底层的MCU控制模块、通信模块(7)、电源管理模块(10)、心电监测模块；

传感器模组用于检测使用者脚掌各部分的受力情况和运动状态；

心电监测模块用于检测使用者的心电数据，并将检测到的心电数据传输至MCU控制模块；

MCU控制模块用于将接收到的使用者脚掌各部分的受力情况、运动状态和心电数据通过通信模块(7)发送到数据库，数据库将接收到的信息发送到手机APP；

电源管理模块(10)用于为系统供电。

在普通的运动鞋垫进行有限的设计，在不改变鞋垫原有结构和功能的基础上，在鞋垫底部添加MCU控制模块、电源管理模块(10)、无线充电模块(11)、薄膜压力层传感器、加速度计传感器模块、陀螺仪(9)、通信模块(7)，并在数据库中对数据进行整理和计算，最后将适合使用者的最优数据发送到手机端，进而为使用者提供最优的运动方案，达到运动检测和数据分析的目的。薄膜压力传感器固定在鞋垫的编制层和底层中间，且形状与编制层和底层一致，进而可以完全融入到鞋垫之中，且与脚掌完全贴合，实现使用者在运动过程中脚掌不同位置的受力测量。加速度计和陀螺仪(9)模块负责检测使用者的运动姿态，同时检测使用者步幅和步频大小。三个传感器实现智能鞋垫的运动检测功能，心电监测模块可以随时检测使用者心电的变化情况。

电源管理模块(10)和无线充电模块(11)为各个传感器及通信模块(7)提供3.3V的电源和为锂电池充电。传感器采集到的数据通过通信模块(7)发送到数据库后，通过对比数据模型和运行深度学习算法，得出最适合使用者的运动方式，通过深度学习算法得出使用者的运动习惯，再结合使用者自身的身体条件推算出最适合使用者的步幅和步频参数等，最大程度保护使用者，不会因自身运动状态导致受伤。同时手机端APP将数据库中的数据和建议进行显示，连接到网络后，还可以查看学习最新的运动信息，和运动知识，还可以定制运动计划并与相同爱好者进行交流互动。

MCU控制模块用于管理控制整个设备的运行逻辑，包括采样控制、通信控制以及电源控制。为保证采样数据稳定，MCU以4K的采样频率对各个传感器的数据进行读取，既保证数据稳定且不会丢包。MCU通过通信模块(7)与数据库建立通信，并开启心跳和重连服务，定时发送心跳信息，防止设备与数据库通信中断。数据发送到数据库后，对数据进行解析，得到使用者的运动检测数据，并进行运动数据分析，将分析结果发送到手机端APP。

心电监测模块用于为使用者提供实时的心电检测，通过二阶巴特沃斯滤波器对心电信号进行滤波，并添加MOS开关。当不使用此功能时可以随时关闭该模块。采集到的心电信号通过IIC总线方式与MCU连接，最后通过通信模块(7)，将数据发送到数据库中进行处理。

电源模块用于给设备提供稳定的电压源。电源模块包括一块大容量锂电池、充电电路、充电接口电路、电池保护电路、buck电源电路、电量检测电路。充电接口与无线充电模块(11)连接用于给锂电池充电。由于锂电池通常为4.2V电压，因此需要通过buck电路和线性稳压器，将电压转换为3.3V为系统供电。电池保护电路用于过充、过放、短路保护，在发生上述情况时，及时切断电源。电量检测电路与MCU的ADC通道相连，将电池分压后，通过ADC读取电池电压，进而得出电量百分比，提醒使用者及时充电。

无线充电模块(11)主要用于给设备充电，模块主要使用亥姆霍兹线圈与无线充电器配合实现无线充电。该模块与电源模块相连为锂电池充电。同时该模块和电源管理模块(10)集成在同一块电路板上。

薄膜压力传感器模块用于检测脚掌各部位的压力情况。薄膜压力传感器层(3)作为与脚掌接触的压力传感器。传感器层与整个脚掌完全接触，当使用者运动时，传感器层各个位置检测到的压力值就会不同，从而形成一个压力热区，记录下一个完成的受力过程，通过SPI外设总线将传感器的数据传输给MCU，由MCU初步解析受力数据。

加速度计模块(8)和陀螺仪(9)用于检测使用者的运动姿态和步幅、步频数据。加速度计配合卡尔曼滤波算法，可以准确得出使用者的运动状态包括跑步姿势，步幅大小，步长，步频等跑步核心数据，再配合陀螺仪(9)实时修正加速度计的数据，使测量结果更加准确。得到数据后将数据通过IIC总线发送给MCU。

通信模块(7)实现MCU与数据库和手机端APP之间的数据传输。通信模块(7)采用无线接收与发射的形式，与MCU之间使用串口通信的方式发送和接受数据。串口通信的数据可分为控制指令和传感器数据。控制指令用于对系统各个模块进行配置，完成配置后与数据库建立通信，并将传感器的数据由MCU发送到数据库。

数据库用以接收传感器的数据并进行数据处理与存储。数据库存储使用者在运动过程中脚掌各个区域的受力大小、加速度计和陀螺仪(9)采集到的运动数据，并对这些数据进行分类，通过深度学习算法，获得使用者的运动习惯。包括跑步姿态、发力点、速度等实时数据，并通过与标准数据进行对比，从而为使用者提供运动干预和指导。

手机端APP用于显示数据库发送来的信息，还可以作为设备的控制终端。当使用时，通过APP打开检测和分析功能，运动结束时，通过APP关闭系统。数据库中的数据通过网络将运动状态和运动建议进行显示。并提供运动建议信息，以保证使用者更健康安全的运动。连接到网络后手机端APP还可以显示连接到网络后，还可以查看学习最新的运动信息，和运动知识，还可以定制运动计划并与相同爱好者进行交流互动。

本实施例中，在鞋垫编制层(1)下和底层之间布置薄膜压力传感器层(3)，在底层足弓出布置设备的MCU控制核心、加速度计模块(8)、陀螺仪(9)和无线充电模块(11)。底层采用记忆棉缓震材料，为整个鞋垫提供支撑，且不失运动的舒适。

鞋垫编制层(1)主要为纺织面，该面与足底直接接触，采用市场上常用的纺织材料，保证足底的舒适度。并且编制层的前脚掌和后跟处安装了两个用于心电检测的心电检测模块负电极(2)、心电检测模块正电极(12)，用于心电采集模块实时采集使用者的心电数据。

薄膜压力传感器层(3)主要为薄膜压力传感器阵列组成。压力传感器阵列分布在各个位置，通过内部电路连接到MCU的SPI总线中，电路中还包括滤波电路，传感器和电路均采用FPC设计，最大程度上保证鞋垫的柔软度和舒适性。

鞋垫底层采用鞋垫记忆海绵层(4)，在足弓处设计凹槽安装设备的集成MCU控制和心电监测模块的电路板(5)、加速度计模块(8)、陀螺仪(9)、通信模块(7)、电源管理模块(10)和无线充电模块(11)。MCU控制模块采用STM32L0系列低功耗处理器，该处理器在低功耗的情况下还可以运行RTOS系统，大大提高了数据处理能力。MCU控制模块包括了晶振电路、复位电路，电源电路，LED指示电路。加速度计模块采用LSM6DS3H芯片，该芯片为超低功耗运行，且可以实现16g的加速测量，十分灵敏。同时采用二阶巴特沃斯滤波器配合卡尔曼滤波算法，提高测量的准确性。陀螺仪采用NXP FXAS21002C三轴陀螺仪，用于使用者的运动姿态测量。加速度计和陀螺仪分别测量两个物理量，以减小两个运动数据之间的相互影响。通信模块采用蓝牙和RF射频通信方案结合的方式，以保证通信的稳定。电源管理模块包括充电电路、保护电路、buck电路，并安装一个micro USB接口实现外部供电，且接口与MCU的串口相连实现与上位机的通信和程序调试。通过分压电路将电池一端接如MCU的ADC通道中，实时采集电池电压，从而换算成当前电量，实现电量检测。无线充电模块采用无线充电线圈(6)，而无线充电线圈(6)可为亥姆霍兹线圈，实现无线充电。同时亥姆霍兹线圈可以设计成FPC的形式，保证了鞋垫底层的柔软性。

数据库采用深度学习算法，通过设备发送的数据，进行匹配，为使用者提供最优的运动建议和干预。同时数据库可存储历史记录，可以对比干预前和干预后的运动状态。手机端APP实时显示由数据库发来的数据信息，且提供可视化GUI显示。让使用更加直观，同时可以随时查询最新的运动消息，获取相关的比赛动态，具备社交功能，让使用者能够快速找到兴趣相同的人。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种运动检测和数据分析的智能鞋垫系统，其特征在于，包括：设置在鞋垫编制层和鞋垫底层之间的薄膜压力传感器层上的传感器模组，设置在鞋垫底层的MCU控制模块、通信模块、电源管理模块、心电监测模块；

所述传感器模组用于检测使用者脚掌各部分的受力情况和运动状态；

所述心电监测模块用于监测使用者的心电数据，并将监测到的心电数据传输至所述MCU控制模块；

所述MCU控制模块用于将接收到的使用者脚掌各部分的受力情况、运动状态和心电数据通过所述通信模块发送到数据库，所述数据库将接收到的信息发送到手机APP；

所述电源管理模块用于为所述系统供电。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：无线充电模块，所述无线充电模块设置在鞋垫底层脚弓处的凹槽中；所述无线充电模块采用亥姆霍兹线圈，且所述亥姆霍兹圈可设计成FPC形式；所述无线充电模块与所述电源管理模块相连接，用于为所述电源管理模块充电；

所述电源管理模块包括锂电池、充电电路、充电接口电路、电池保护电路、buck电源电路、电量检测电路，其中，所述充电接口电路与所述无线充电模块连接，用于给锂电池充电；所述buck电源电路用于锂电池的电压转换，所述电池保护电路用于过充、过放、短路保护；所述电量检测电路与所述MCU控制模块的ADC通道相连，将锂电池分压后，通过ADC读取锂电池电压。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器模组包括薄膜压力传感器、加速度计模块和陀螺仪，所述薄膜压力传感器与所述加速度计模块和所述陀螺仪相连接；所述加速度计模块和所述陀螺仪用于记录使用者的步幅和步频数据，同时记录使用者运动时的身体姿态。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述加速度计模块和所述陀螺仪均设置在鞋垫底层的凹槽中，且用LED作为指示灯判断其工作状态。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述心电监测模块和所述MCU控制模块集成在同一块电路板上，且电路板放置在鞋垫底层；心电监测模块的两个电极片，通过导线绕过所述薄膜压力传感器层，将其安装在鞋垫编制层前脚掌接触处和后跟接触处。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据库和手机APP用于将传感器模组采集到的数据与标准数据进行对比，再根据使用者自身情况给出运动分析结果，同时将结果和运动建议、姿态修正发送到手机APP端。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述心电监测模块用于为使用者提供实时的心电监测，通过二阶巴特沃斯滤波器对心电信号进行滤波，并添加MOS开关；所述心电监测模块将采集到的心电信号通过IIC总线方式与MCU控制模块连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MCU控制模块通过所述通信模块与所述数据库建立通信，并开启心跳和重连服务，定时发送心跳信息，防止所述系统与所述数据库通信中断；所述鞋垫底层采用记忆棉缓震材料。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述心电监测模块包括设置在鞋垫与前脚掌接触位置处的用于心电监测的正电极和设置在鞋垫与后跟接触位置处的用于心电检测的负电极。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所属薄膜压力传感器层位于编制层下方，并且形状与编制层完全一致，编制层与脚掌完全接触；当使用者运动时，传感器层各个位置检测到的压力值就会不同，从而形成一个压力热区，记录下一个完成的受力过程，通过SPI外设总线将传感器的数据传输给MCU，由MCU初步解析受力数据。

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