CN216448918U - 一种计步设备和计步系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种计步设备和计步系统。该计步设备包括：压电能量采集器，压电能量采集器包括多个不同长度的压电悬臂梁，针对每个压电悬臂梁，在压电悬臂梁上部署有跟随待检测对象的运动而振动的至少一个第一质量块；压电加速度计包括：跟随待检测对象的运动而振动的第二质量块，以及包围第二质量块的多个压电敏感梁；数据处理模块的输入端分别与压电加速度计的输出端和压电能量采集器的输出端连接。采用本申请提供的计步设备，可以能够实现在对待检测对象进行精确计步的同时，为计步设备提供电能的效果。

Description

一种计步设备和计步系统

技术领域

本申请涉及微机电技术，具体涉及一种计步设备和计步系统。

背景技术

随着集成电路及微机电系统技术的发展，无线传感网络应运而生，并被广泛应用于医疗卫生、环境检测和物联网等领域，另一方面，新兴技术的发展也催生了新的产业，如智慧农场。

与传统的养殖畜牧业相比，智慧农场实现了对家禽家畜的实时监控，例如所谓的“步步鸡”或者“山地鸡”，则需要对养殖鸡从鸡苗到送上餐桌过程进行实时监控，同时保证消费者可以查看鸡的生长环境，实现了食品的溯源。

以上众多领域采用的无线传感网络节点和移动电子设备基本上依赖电池供电，存在电池寿命有限、恶劣环境下易失效的缺点。而此类产品一般不可更换电池，因此一旦电池失效，导致数据丢失，家禽或家畜的溯源信息将变得不可靠。此外，对生长周期较长的牛羊等家畜，需要提供更多能量维持无线传感网络和电子设备的正常工作，而大体积的电池限制了器件的便携度和小型化。

实用新型内容

本申请实施例的目的是提供一种计步设备和计步系统，能够实现在对待检测对象进行精确计步的同时，为计步设备提供电能的效果。

本申请的技术方案如下：

第一方面，提供了一种计步设备，该计步设备包括：

压电能量采集器，所述压电能量采集器包括多个不同长度的压电悬臂梁，针对每个压电悬臂梁，在所述压电悬臂梁上部署有跟随待检测对象的运动而振动的至少一个第一质量块；

压电加速度计，所述压电加速度计包括：跟随待检测对象的运动而振动的第二质量块，以及包围所述第二质量块的多个压电敏感梁；

数据处理模块，所述数据处理模块的输入端分别与所述压电加速度计的输出端和所述压电能量采集器的输出端连接。

第二方面，提供了一种计步系统，该系统包括第一方面所述的计步设备，以及终端；

所述终端与所述计步设备中的无线通信模块的输出端连接。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

本申请实施例提供的计步设备包括：压电能量采集器，该压电能量采集器包括多个不同长度的压电悬臂梁，针对每个压电悬臂梁，在压电悬臂梁上部署有跟随待检测对象的运动而振动的至少一个第一质量块，这样当待检测对象走动时，第一质量块可随着待检测对象的走动而振动，并带动着压电悬臂梁振动，压电悬臂梁上的压电材料基于压电效应，将机械能转换为电能，该压电能量采集器可以与数据处理模块连接，以利用生成的电能为计步设备进行供电，这样在待检测对象运动时，就会有电能产生，无需担心电池寿命短的问题。同时该计步设备还包括压电加速度计，该压电加速度计包括跟随待检测对象的走动而振动的第二质量块，以及包围第二质量块的多个压电敏感梁，当待检测对象走动时，第二质量块会随之振动，并带动着压电敏感梁发生形变，产生电荷，基于该电荷，得到待检测对象的加速度信号，数据处理模块对该加速度信号进行处理，得到待检测对象的运动步数，这样可快速且精确的统计待检测对象的运动步数，实现了对待检测对象的精确计步，且由于该加速度计为压电材料，功耗小，节省电能，如此，该方案实现了在对待检测对象进行精确计步的同时，为计步设备提供电能，保证计步设备的正常工作。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本申请实施例提供的计步设备的结构示意图一；

图2是本申请实施例提供的计步设备的结构示意图一；

图3是本申请实施例提供的计步设备的结构示意图二；

图4是本申请实施例提供的计步系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

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例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的例子。

基于背景技术可知，与传统的养殖畜牧业相比，智慧农场实现了对家禽家畜的实时监控，例如所谓的“步步鸡”或者“山地鸡”，则需要对养殖鸡从鸡苗到送上餐桌过程进行实时监控，同时保证消费者可以查看鸡的生长环境，实现了食品的溯源。以上众多领域采用的无线传感网络节点和移动电子设备基本上依赖电池供电，存在电池寿命有限、恶劣环境下易失效的缺点。而此类产品一般不可更换电池，因此一旦电池失效，导致数据丢失，家禽或家畜的溯源信息将变得不可靠。此外，对生长周期较长的牛羊等家畜，需要提供更多能量维持无线传感网络和电子设备的正常工作，而大体积的电池限制了器件的便携度和小型化。

针对相关技术中出现的问题，本申请实施例提供了一种计步设备，该计步设备包括：压电能量采集器，该压电能量采集器包括多个不同长度的压电悬臂梁，针对每个压电悬臂梁，在压电悬臂梁上部署有跟随待检测对象的运动而振动的至少一个第一质量块，这样当待检测对象走动时，第一质量块可随着待检测对象的走动而振动，并带动着压电悬臂梁振动，压电悬臂梁上的压电材料基于压电效应，将机械能转换为电能，该压电能量采集器可以与数据处理模块连接，以利用生成的电能为计步设备进行供电，这样在待检测对象运动时，就会有电能产生，无需担心电池寿命短的问题。同时该计步设备还包括压电加速度计，该压电加速度计包括跟随待检测对象的走动而振动的第二质量块，以及包围第二质量块的多个压电敏感梁，当待检测对象走动时，第二质量块会随之振动，并带动着压电敏感梁发生形变，产生电荷，基于该电荷，得到待检测对象的加速度信号，数据处理模块对该加速度信号进行处理，得到待检测对象的运动步数，这样可快速且精确的统计待检测对象的运动步数，实现了对待检测对象的精确计步，且由于该加速度计为压电材料，功耗小，节省电能，如此，该方案实现了在对待检测对象进行精确计步的同时，为计步设备提供电能，保证计步设备的正常工作。。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的计步设备进行详细地说明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种计步设备10的架构图。

如图1所示，该计步设备10可以包括压电能量采集器100、压电加速度计200和数据处理模块300。其中，压电能量采集器100可以包括多个不同长度的压电悬臂梁101，针对每个压电悬臂梁，在压电悬臂梁上可以部署有跟随待检测对象的运动而振动的至少一个第一质量块102；压电加速度计200可以包括：跟随待检测对象的运动而振动的第二质量块201，以及包围第二质量块201的多个压电敏感梁202；数据处理模块300的输入端可以分别与压电加速度计的输出端和压电能量采集器的输出端连接。

其中，待检测对象可以是待进行检测计步的对象，待检测对象可以是家禽，例如可以但不限于是鸡、鸭或鹅等。

在本申请的实施例中，当待检测对象走动时，压电能量采集器中的第一质量块可随着待检测对象的走动而振动，并带动着压电悬臂梁振动，压电悬臂梁上的压电材料基于压电效应，可以将机械能转换为电能，由于压电能量采集器的输出端可以与数据处理模块连接，这样压电能量采集器产生的电能可为数据处理模块供电，实现为计步设备提供电能，保证计步设备的正常工作的效果。

在本申请的实施例中，当待检测对象走动时，压电加速度计中的第二质量块可随着待检测对象的走动而振动，并带动着压电敏感梁发生形变，产生电荷，基于该电荷，得到待检测对象的加速度信号，数据处理模块可对该加速度信号进行处理，得到待检测对象的运动步数，这样可快速且精确的统计待检测对象的运动步数，实现了对待检测对象的精确计步，且由于该加速度计为压电材料，功耗小，节省电能，如此，该方案实现了在对待检测对象进行精确计步的同时，为计步设备提供电能，保证计步设备的正常工作。

在本申请的一些实施例中，加速度信号可以是待检测对象的移动时所产生的加速度值。

在本申请的一些实施例中，数据处理模块可以基于加速度信号，确定待检测对象的运动步数。

在一个示例中，该数据处理模块可以是具有数据处理能力的处理器等。

在本申请的一些实施例中，数据处理模块对加速度信号进行处理，可以是对获取的加速度信号进行放大、滤波和计算，得到待检测对象的运动步数。

第一质量块可以是在压电能量采集器中的各压电悬臂梁上放置的质量块。

在本申请的一些实施例中，针对每个压电悬臂梁而言，该压电悬臂梁与该压电悬臂梁上布置的各第一质量块之间电连接。每个压电悬梁臂之间通过电路连接。

第二质量块可以是压电加速度计中的质量块。

在本申请的一些实施例中，第二质量块与压电敏感梁之间电连接。

在本申请的一些实施例中，压电能量采集器中的各压电悬臂梁的预设长度可以设计为使各压电悬臂梁的谐振频率位于环境振动频率范围内的长度。

其中，预设长度可以是预先设置的压电悬臂梁的长度。

环境振动频率范围可以是压电能量采集器所集成在的待检测对象在运动时所产生的振动频率。

在本申请实施例中，压电能量采集器在谐振频率时具有最大输出功率，通过设置不同长度的压电悬臂梁可以使整个压电能量采集器在某一频段内具有多个接近的谐振频率，从而增大压电能量采集器的工作带宽，进而提升压电能量采集器的输出功率。

在本申请的一些实施例中，在外界存在振动时(即当待检测对象运动时)，布置于压电悬臂梁上方的第一质量块也同时振动，压电悬臂梁会发生形变，通过压电悬臂梁上方的压电材料的压电效应，可产生电荷，实现将机械能转换为电能的目的，且当待检测对象的振动频率接近压电悬臂梁的谐振频率时，电能的输出功率会达到极大值。

在本申请实施例中，可以将压电加速度计和压电能量采集器安装于待检测对象的身上，这样在待检测对象运动的情况下，计步设备的加速度会出现周期性的有规律的变化，可利用压电加速计可获取到计步设备的加速度变化，得到加速度信号，并将该加速度信号发送至数据处理模块，数据处理模块获取到加速度信号后，对该加速度信号进行分析，可得到待检测对象的运动步数，实现了对待检测对象进行精确计步的目的，且压电加速度计是压电材料，功耗小，节省了计步设备的功耗。同时在待检测对象运动的情况下，可利用压电能量采集器基于压电效应，将待检测对象的机械能转换为电能，基于压电能量采集器的输出端和数据处理模块的输入端连接，可将该电能发送至数据处理模块，给数据处理模块进行供电，实现了无需电池供电，提高了计步设备的续航能力，减低了计步设备的失效风险，且该自供电装置替代电池供电，更加节能环保。

在本申请的一些实施例中，压电加速度计可以在待检测对象移动的加速度的频率与压电加速度计的谐振频率的差值大于或等于预设阈值的情况下，采集待检测对象的加速度信号，并将加速度信号发送至数据处理模块。

其中，压电加速度计的谐振频率基于第二质量块，以及包围第二质量块的多个压电敏感梁确定。

第二质量块，以及包围第二质量块的多个压电敏感梁可以设计为使第二质量块，以及包围第二质量块的多个压电敏感梁的谐振频率远大于外界环境的振动频率(即待检测对象的运动时产生的振动频率)。

预设阈值可以是预先设置的待检测对象移动的加速度的频率与压电加速度计的谐振频率的差值的阈值。

在本申请的一些实施例中，在待检测对象运动时，第二质量块会发生振动，带动压电敏感梁发生形变，在加速度的频率远低于压电加速度计的谐振频率时，由于布置于压电敏感梁上方的压电薄膜材料的压电效应，压电材料会感应出与外界加速度成正比的电荷，通过对电荷信号的采集和处理，可计算出加速度的具体值。

在本申请的一些实施例中，如图2所示，压电能量采集器和压电加速度计可以集成设置，形成一集成芯片1000，该集成芯片1000可以包括芯片外框1001，压电加速度计可以位于集成芯片的中心位置；压电能量采集器可以位于集成芯片的边缘，包围压电加速度计。这样将压电能量采集器和压电加速度计集成设置，可以直接将集成芯片置于待检测对象身上，节省空间，避免将压电能量采集器和压电加速度计同时安装于待检测对象身上，对待检测对象造成较多伤害。

在本申请实施例中，集成芯片可以通过半导体工艺制备，压电能量采集器和压电加速度计可以具有相同的制备工艺步骤，因此可以通过同一片晶圆制造。

需要说明的是，在图2中，压电能量采集器的数量可以为4个，但在本申请的一些实施例中，压电能量采集器的数量不做限定。

需要说明是，图2中压电悬臂梁的形状可以为L型，其仅为本申请实施例的一种示例，在本申请的一些实施例中，压电悬臂梁的形状还可以但不限于是方形、圆形或星型等，在此不做限定。

在本申请的一些实施例中，为了对运动步数进行传输，该计步设备还可以包括：无线通信模块600。该无线通信模块600的输入端与数据处理模块300的输出端连接。

在本申请的一些实施例中，无线通信模块通过与数据处理模块连接，可以获取数据处理模块输出的运动步数，并将运动步数传输至外接设备。

其中，外接设备可以是与计步设备进行外接的设备。

在本申请的一些实施例中，无线通信模块可以但不限于包括下述任意一项：蓝牙通信模块、无线射频通信模块或近场通信模块。

在本申请的一些实施例中，在生成电能后，还可以对电能进行存储，这样在需要电能的时候可直接利用存储的电能进行供电，因此，为了对电能进行存储，如图3所示，上述涉及的计步设备还可以包括：储能模块500，储能模块的输入端与压电能量采集器的输出端连接，储能模块的输出端和数据处理模块的输入端连接。

在本申请的实施例中，由于储能模块的输入端与压电能量采集器的输出端连接，故储能模块可以接收压电能量采集器生成的电能，并将该电能进行存储，以对计步设备供电。

在本申请实施例中，在生成电能后，利用储能模块可对电能进行存储，这样在需要电能的时候可直接利用存储的电能进行供电，这样就无需通过电池进行供电，提高了计步设备的续航能力，减低了计步设备的失效风险，且该自供电装置替代电池供电，更加节能环保。

在本申请的一些实施例中，无线通信模块的输入端还可以与储能模块的输出端连接，以使储能模块存储的电能还可以为无线通信模块供电。

在本申请实施例中，通过无线通信模块可将运动步数传输至外接设备，以实现对运动步数的传输，以便外接设备对该运动步数进行处理。

在本申请的一些实施例中，为了进一步节省电能，该计步设备还可以包括：控制模块400。该控制模块400的输入端与压电加速度计的输出端连接。

在本申请的一些实施例中，该控制模块可以用于监测压电加速度计输出的加速度信号，并基于加速度信号控制数据处理模块和/或无线通信模块的工作状态。

在本申请的一些实施例中，由于控制模块的输入端可以与压电加速度的输出端连接，这样控制模块在监测到接收到的压电加速度计在第一预设时间段内输出的加速度信号的值小于第一预设阈值的情况下，可以向数据处理模块和/或无线通信模块发送休眠指令，以使数据处理模块和/或无线通信模块基于休眠指令进入休眠模式；在监测到接收到的压电加速度计在第二预设时间段内输出的加速度信号的变化值大于第二预设阈值的情况下，可以向数据处理模块和/或无线通信模块发送唤醒指令，以使数据处理模块和/或无线通信模块基于唤醒指令进入工作模式。

其中，第一预设时间段可以是预先设置的一段时间段。

第一预设阈值可以是预先设置的压电加速度计在第一预设时间段内输出的加速度信号的值所对应的阈值。

第二预设时间段可以是预先设置的一段时间段，该第二预设时间段可以与第一预设时间段相同，也可以不同。

第二预设阈值可以是预先设置的压电加速度计在第二预设时间段内输出的加速度信号的变化值的阈值。

在本申请的实施例中，控制模块可实时监控压电加速度计输出的加速度信号，当压电加速度计输出的加速度信号在某一段时间内(即第一预设时间段)低于某一设定阈值(即第一预设阈值)时，表示待检测对象目前处于静止状态，因此数据处理模块和/或无线通信模块不需要工作，控制模块会向计步设备发出休眠指令，使其进入休眠模式，减少能量损耗。当压电加速度计输出的加速度信号在某一段时间内(即第二预设时间段)发生改变并超过某一阈值(即第二预设阈值)时，表示待检测对象开始运动，此时控制模块再次发出唤醒指令，唤醒数据处理模块和/或无线通信模块，以使数据处理模块和/或无线通信模块基于唤醒指令进入工作模式。

在本申请的一些实施例中，控制模块可以由低功耗的MCU芯片或其他可编程芯片组成。

在本申请实施例中，基于控制模块来控制计步设备处于休眠模式或工作模式，在待检测对象处于静止状态时，可控制计步设备处于休眠模式，在待检测对象运动时，再启动工作，这样节省功耗。

在本申请的一些实施例中，控制模块400和数据处理模块300可以单独设置，也可以如图3所示集成设置，形成信号处理芯片2000。

在本申请的一些实施例中，在得到待检测对象的运动步数后，还可以将该运动步数传输至终端上，以供实时查看待检测对象的运动步数，了解待检测对象的运动情况，基于该运动情况可分析待检测对象的健康状况。

在本申请的一些实施例中，为了实时查看待检测对象的运动步数，本申请实施例还提供了一种计步系统，具体可参见如下实施例。

图4是根据一示例性实施例示出的一种计步系统的架构图。

如图4所示，该计步系统可以包括：上述实施例中的计步设备10，以及终端30。其中，终端30与计步设备10中的无线通信模块600的输出端连接。

在本申请的一些实施例中，终端可以与计步设备中的无线通信模块的输出端连接，这样可以接收计步设备中数据处理模块得到的运动步数，并显示运动步数。

在本申请实施例中，在得到待检测对象的运动步数后，可基于无线通信模块将运动步数传输至终端，通过终端显示待检测对象的运动步数，这样可便于实时基于终端查看待检测对象的运动步数，了解待检测对象的运动情况，基于该运动情况可分析待检测对象的健康状况。

在本申请得一些实施例中，计步系统包括的计步设备10可以具有上述实施例相同的结构和效果，在此不再赘述。

需要说明的是，在图4中是将压电能量采集器和压电加速度计集成设置，形成集成芯片，将数据处理模块和控制模块集成设置，形成信号处理芯片，图4仅为一个示例，在本申请的一些实施例中，压电能量采集器、压电加速度计、数据处理模块和控制模块也可单独设置，这里不做限定。

在本申请的一些实施例中，终端可以是具有显示功能的电子设备，例如可以是手机、平板或客户端等。

在本申请的一些实施例中，计步系统可以应用于散养家禽、家畜等，使用周期可以跨越家禽家畜从出生到贩卖的整个生命周期，从而可以保证数据的真实有效性。此外，该计步系统还可以应用于智能手环、智慧农场和健康监测等物联网领域。

还需要说明的是，本实用新型中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些系统。但是，本实用新型不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种计步设备，其特征在于，所述计步设备包括：

压电能量采集器，所述压电能量采集器包括多个不同长度的压电悬臂梁，针对每个压电悬臂梁，在所述压电悬臂梁上部署有跟随待检测对象的运动而振动的至少一个第一质量块；

压电加速度计，所述压电加速度计包括：跟随待检测对象的运动而振动的第二质量块，以及包围所述第二质量块的多个压电敏感梁；

数据处理模块，所述数据处理模块的输入端分别与所述压电加速度计的输出端和所述压电能量采集器的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的计步设备，其特征在于，各所述压电悬臂梁的预设长度为使各所述压电悬臂梁的谐振频率位于环境振动频率范围内的长度。

3.根据权利要求1所述的计步设备，其特征在于，所述压电加速度计的谐振频率基于第二质量块，以及包围所述第二质量块的多个压电敏感梁确定。

4.根据权利要求1-3任一所述的计步设备，其特征在于，所述计步设备还包括：

无线通信模块，所述无线通信模块的输入端与所述数据处理模块的输出端连接。

5.根据权利要求4所述的计步设备，其特征在于，所述计步设备还包括：

控制模块，所述控制模块的输入端与所述压电加速度计的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的计步设备，其特征在于，所述控制模块和所述数据处理模块集成设置。

7.根据权利要求1-3任一所述的计步设备，其特征在于，所述压电能量采集器和所述压电加速度计集成设置，形成一集成芯片；

所述压电加速度计位于所述集成芯片的中心位置；

所述压电能量采集器位于所述集成芯片的边缘，包围所述压电加速度计。

8.一种计步系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-7任一所述的计步设备，以及终端；

所述终端与所述计步设备中的无线通信模块的输出端连接。

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