多模态摩擦电自供能智能地板系统

技术领域

本发明属于摩擦电智能家居领域，具体涉及一种多模态摩擦电自供能智能地板系统。

背景技术

推动传感器、网络切片、高精度定位等技术创新，协同发展云服务与边缘计算服务，培育车联网、医疗物联网、家居物联网产业。随着5G时代的到来，万物互联的物联网(IoT)和虚实交互交融的数字孪生成为时代潮流，多模态摩擦电自供能智能地板系统可以实现更便利的居家监测和交互，为构建互联的智能家居数字孪生平台提供多模态的传感大数据，并通过能量采集赋能其他智能传感器，在支撑美国、欧盟、新加坡、韩国等的智慧城市战略方面有着重要作用，因此具有重要的意义。

现有的地板传感器存在大面积成本高、铺设困难、功能单一、大阵列复杂度高等问题，并且传感与能量采集未能实现一体化，目前仍主要处于研究阶段，并未实现广泛商业化。

而现如今，可扩展的多功能智能地板系统是一种未来的趋势，因此提出了多模态摩擦电自供能智能地板系统，以基于摩擦电自供电传感和能量采集技术为核心创新点，利用深度学习辅助数据分析技术实现居家定位、轨迹追踪、运动监测、步态监测、居家安全、游戏/个性化交互等智能家居监测和交互应用。其目的是更好地实现智能家居互连和监测的最大自动化、多功能化，并减少系统整体的能耗，且可适用于大部分摩擦电监测场景，泛用性很好。

发明内容

技术问题：现有的摩擦电地板式传感器基本基于单模态的监测原理，这导致了传感信号来源单一，不能获得丰富的信息，也会数据识别导致准确率不够高；目前的地板传感器要么只用于摩擦电传感，要么用于只用于能量采集，并不能很好地利用整个系统；大规模的地板阵列存在电极数量多，接线复杂的问题。在现有的趋势下，需要一款多模态，传感和能量采集一体化且具有最小化电极设计的智能地板系统。

技术方案：为解决上述问题，本发明提出一种多模态摩擦电自供能智能地板系统，包括多组智能地板、数据读出模块、数据采集模块和能量采集模块、

智能地板组用于将压力信息并转化为电压信号输出；各智能地板组分别与数据读出模块连接，数据读出模块用于采集各智能地板组的电压信号，并对电压信号处理，数据读出模块对采集的电压信号处理过程包括对电压信号进行升压处理，接着通过一个运算放大器实现电压隔离，最后通过一个一阶RC网络进行低通滤波以去除噪声，处理后的电压信号进入数据采集模块，以获得更加稳定的数据传输；智能地板组的输出还与能量采集模块连接，能量采集模块收集的能量用于对上述数据读出模块、数据采集模块进行自供能。

所述数据读出模块中使用的低噪声运算放大器RS822XK，用于隔离电压。

所述数据采集模块采用了AD7606多通道AD数据采集模块，适用于稳定数据传输。

所述能量采集模块包括LTC3588毫微功率降压稳压器，用于对其他模块稳定供能。进一步的，本发明的多模态摩擦电自供能智能地板系统还包括BLE蓝牙模块和移动端APP；数据采集模块通过BLE蓝牙模块无线传输到移动端APP进行积分运算；能量采集模块与BLE蓝牙模块连接，给BLE蓝牙模块供能；所述蓝牙模块包括蓝牙芯片nRF52832、及其配套电路，其内部处理器能够在短时间内完成协议和应用任务的处理，并能够在更短时间内进入睡眠模式以节省功率，适合大规模使用

所述数据读出模块、数据采集模块、BLE蓝牙模块、能量采集模块，均采用已成熟的商用芯片，其具有价格便宜，稳定性好，可靠度高，适合应用在智能地板系统。

进一步的，智能地板组包括多个智能地板单元；智能地板单元包括从下到上依次堆叠的基底、超弹性摩擦电压力传感器、绝缘层和实木板；其中，智能地板单元中的超弹性摩擦电压力传感器有九个，呈3*3阵列排布，位于四角和中心的五个超弹性摩擦电压力传感器用于压力传感，所述五个超弹性摩擦电压力传感器串联后的输出端与其它智能地板单元连接组成智能地板单元组；其余四个用于能量采集的超弹性摩擦电压力传感器输出端并取后与能量采集单元相连。所述实木地板选用了质量较轻且不易变形的松木板，超弹性摩擦电压力传感器采用Ecoflex 00_30硅橡胶在特制模具中固化制备，模具通过3D打印制备。

基底用于承载整个智能地板单元，将其与地面隔开；绝缘层用于防止超弹性摩擦电压力传感器和材料识别电极产生的信号发生串扰；实木板的存在保证了九个超弹性摩擦电压力传感器受力均匀。

进一步的，智能地板单元还包括材料识别电极。位于实木板的上表面，用于对与其相接触的材料进行识别，材料识别电极包括叉指电极、以及在电极上的绝缘识别材料，如PI、PET等等，所述叉指电极为铝电极，绝缘识别材料粘贴在铝电极上，且绝缘识别材料按照固定顺序重复排列，保证用户在不同位置以不同方向接触都能产生可识别的信号。叉指电极表面预置有四种已知绝缘识别材料，按照固定顺序重复排列。

当人与智能地板发生步态交互后，超弹性摩擦电压力传感器会采集用户带来的压力信息，同时进行能量采集；材料识别电极则会收集与之产生接触的材料和接触面积的信息。多模态的实现和传感能量采集一体化的设计为整个系统的多功能带来了保障；

进一步的，智能地板单元通过分组互连起来，每组智能地板单元，也称作智能单元组，包括四个智能地板单元，为了保证连续踩踏不会带来信号的耦合问题，每个智能单元与周围相邻的所有智能地板单元不同组，位置信息和压力信息同时读出减少了电极数量，减小了设计的复杂度。

进一步的，智能地板组中的智能地板单元依次串联，且相邻智能地板单元之间串联有电阻，在智能地板组中位于串联电路首尾两端的智能地板单元分别引出电极输出电压信号，通过首尾两端的电压信号比例进行定位，确定信号产生的智能地板单元所处位置，而电荷的大小则用于确定压力大小。

所述移动端为手机端或PC端等，手机端或PC端的APP接收蓝牙模块传输的处理后的电压信号数据，根据电压信号的波形、相对幅值以及峰谷顺序等因素对该数据进行识别，通过积分运算电荷并将信号中的定位信息、压力信息、材料识别信息和个人身份信息等进行可视化处理，在APP界面中通过直观的动画形式显现出来；APP中内嵌的机器学习训练算法可以提高数据识别的准确性。也可实现人机交互，所述移动端APP以开源的代码为基础进行代码修改可以实现不同场景下不同的交互需求。

所述机器学习训练算法由Python编写，蓝牙模块将采集信息传输到移动端，经程序处理，可以对使用者进行高准确率的身份识别、居家定位、轨迹追踪、运动监测、运动质量监测、步态监测。

有益效果：与现有的地板传感器相比，本发明多模态摩擦电自供能智能地板系统具有以下优点：

1、可大规模使用。智能地板阵列由单个地板单元连接而成，可扩展性强，配置简单，成本低，适用于各类监测应用场景；

2、多模态传感信息丰富。同时应用平面的材料识别电极和具有微结构的超弹性摩擦电压力传感器，可以同时采集多种传感信息；

3、实现自供能传感，系统能耗低。将摩擦电传感和能量采集一体化，有效降低了大规模布置后带来的能耗问题；

4、最小化电极设计，电路模块简单。通过合理的分组连接互连和传感信息解耦，大大减少了电极数量，减小了设计成本；

5、运行流畅。nRF52832蓝牙芯片板载64MHz ARM Cortex-M4F处理器能够在短时间内完成协议和应用任务的处理,能使采集过程平稳流畅；

6、准确度高。本发明的多模态摩擦电自供能智能地板系统中进行了机器学习训练，数据处理具有很高的准确度；

7、运行流畅。nRF52832蓝牙芯片板载64MHz ARM Cortex-M4F处理器能够在短时间内完成协议和应用任务的处理,能使采集过程平稳流畅；

8、人机交互。本发明采用了移动端APP可视化处理，可以提高智能地板系统与人的交互性，使监测的实现更为简单；

附图说明

图1是多模态摩擦电自供能智能地板系统的整体组成图。

图2是多模态摩擦电自供能智能地板系统的原理图。

图3是多模态摩擦电自供能智能地板系统定位功能的数据验证图。

图4是智能地板单元中超弹性摩擦电压力传感器分布图。

图中包括：1、实木板；2、材料识别电极；3、超弹性摩擦电压力传感器；4、智能地板单元；5、绝缘层；6、基底；7、数据读出模块；8、数据采集模块；9、BLE蓝牙模块；10、移动端APP；11、能量采集模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的多模态摩擦电自供能智能地板系统的的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提出多模态摩擦电自供能智能地板系统，包括多组智能地板、数据读出模块7、数据采集模块8、能量采集模块、BLE蓝牙模块9和移动端APP10；

如图2所示，智能地板组包括多个智能地板单元4；智能地板单元4包括从下到上依次堆叠的基底6、超弹性摩擦电压力传感器3、绝缘层5、实木板1和材料识别电极2；其中，智能地板单元4中的超弹性摩擦电压力传感器3有九个，如图4所示，呈3*3阵列排布，位于四角和中心的五个超弹性摩擦电压力传感器3用于压力传感，所述五个超弹性摩擦电压力传感器3按照如图4的方式串联后输出电压信号；其余四个超弹性摩擦电压力传感器3同样按照图4中的方式相连，其输出端并取后连接能量采集单元用于能量采集。所述材料识别电极2包括叉指电极、以及在电极上的绝缘识别材料，如PI、PET等等，所述叉指电极为铝电极，绝缘识别材料粘贴在铝电极上，材料识别电极只存在于阵列入口处，根据识别材料的数量接出相应电极，其后续处理方式与上述压力信号处理方式相同。所述超弹性摩擦电压力传感器(三维结构传感器)和材料识别电极(平面传感器)同时进行摩擦电传感，即进行多模态传感。

超弹性摩擦电压力传感器采用硅橡胶在特制模具中固化制备，具有独特的大小混合微结构，并且可以根据使用场景以及测量压力范围，灵活选择Ecoflex系列(如Ecoflex00_10、Ecoflex 00_30)、PDMS、AB胶等等具有不同杨氏模量和电负性的材料。

分组定位互连设计包括通过电阻互连以及双电极读出，用于最小化电极设计，多个智能地板单元4通过分组定位设计和互连设计进行组合成为智能地板阵列；所述分组定位设计是指每组智能地板单元4包括四个智能地板单元4，且每个智能单元与周围相邻的所有智能地板单元4不同组的设计。智能地板单元4互连设计是指每智能地板组包括四个智能地板单元4，每个智能地板组中的智能地板单元4依次串联，且相邻智能地板单元4之间串联有电阻，在智能地板组中位于串联电路首尾两端的智能地板单元4分别引出电极输出电压信号，通过首尾两端的电压信号比例进行定位，确定信号产生的智能地板单元4所处位置，而电荷的大小则用于确定压力大小。

智能地板阵列接出电极分别与数据读出模块7和能量采集模块12连接；数据读出模块7后面依次连接数据采集模块8、BLE蓝牙模块9以进行数据的初步处理、采集和无线传输；能量采集模块12对上述数据读出模块7、数据采集模块8、BLE蓝牙模块9进行供能以实现系统自供能；移动端APP10接收到BLE蓝牙模块9传输的数据后，对数据进行进一步的处理和识别，并通过机器学习训练算法辅助提高准确率。所述数据读出模块7、数据采集模块8、BLE蓝牙模块9、能量采集模块12，均采用已成熟的商用芯片，其具有价格便宜，稳定性好，可靠度高，适合应用在智能地板系统。

将多模态摩擦电自供能智能地板系统布置在家庭中，当有家庭成员踏入阵列入口时，位于表面的材料识别电极2与用户的鞋、袜子或者脚底皮肤发生接触，会产生摩擦电信号；同时位于下方的超弹性摩擦电压力传感器3会在用户体重的作用下产生电压信号，其中一部分信号会与材料识别电极2产生的信号一起进入数据读出模块7，另一部分信号则会进入能量采集模块12；进入数据读出模块7的信号经过升压、电压隔离和低通滤波处理后被数据采集模块8采集，并由BLE蓝牙模块9传输至移动端APP10进行进一步的处理；进入能量采集模块12的信号则会经过转化被用于对数据读出模块7、数据采集模块8、BLE蓝牙模块9进行供能；移动端APP10接收到信号后，会通过识别不同用户踩踏产生的信号差异来进行用户身份识别，对材料识别电极2产生的信号分析获取与其接触的材料性质，从而判断用户是光脚、穿袜子还是穿鞋以及接触材料的种类，对超弹性摩擦电压力传感器3产生的信号进行积分运算并通过电荷值的大小确定用户的体重，最后综合上述信息和预存的用户资料在交互界面上给出运动建议，由于机器学习训练算法的辅助，上述数据处理具有很高的准确率；之后，用户进入阵列主体，在分组互连的智能地板单元4间移动时，经过上述相同的数据读取处理流程后，通断每组两个电极采集信号的比例得知用户位置，如图3所示，从而在实现定位和轨迹跟踪功能，可以监测跌倒等意外情况的发生。

本发明优点在于，可扩展性强，系统中包含的智能地板单元4数量并不固定，这也使得其应用场景很灵活；后续数据初步处理、采集传输、能量采集模块使用现有商用模块，成本较低，流程稳定；能量采集模块12的加入大大降低了系统的能耗；采用移动端APP10提高人机交互的能力，增加可视化与提醒功能，利用机器学习训练算法辅助，数据识别准确度高；整体设备价格便宜，稳定性好，可应该于大部分智能家居场景，适用范围宽，可以进行推广。