一种采用无线充电的心电衣

技术领域

本发明涉及穿戴式心电监测设备技术领域，特别涉及一种采用无线充电的心电衣。

背景技术

随着科技的进步，可穿戴智能设备越来越多地出现在生活中。有商家将便携式心电监测仪跟传统衣服相结合，提出智能心电衣的概念。心电衣能长期监测使用者的心电信息，对于预防与治疗心血管疾病能起到很好的效果。在心电衣的供能方面，普遍采用可充电锂电池进行供能。部分心电衣在锂电池电量耗尽后需要取出锂电池充电，其他心电衣则是在心电衣上留有充电接口，通过有线方式进行充电。这两种方式都使得心电衣的一体性大大降低，在有水环境下很可能使得心电衣发生短路等故障。对于心电衣这类低功耗设备，充电是低频需求，若能解决充电带来的安全性问题，能极大提升心电衣的使用寿命。

在充电技术方面，除传统有线充电外，无线充电技术在近几年也在飞速发展。无线充电技术是将电场能量通过发射线圈转化成磁场能量，再经接收线圈变回电场能量来给负载供能的技术。能量传播发生在空气中，电能接收端可以完全集成在设备内部。因此，如果能将无线充电技术应用到心电衣，可以很好解决心电衣充电导致的安全性问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用无线充电的心电衣。该发明通过无线充电的方法对心电衣进行充电，心电衣对外无有线接口，能避免心电衣接口浸水等情况可能带来的安全问题。同时，电能变换电路中开关采用全控型器件，可实现电能反向输出，心电衣可作为手机等支持无线充电设备的应急电源使用。

为达到上述目的，本发明所述的一种采用无线充电的心电衣，包括接收线圈、电能变换电路、信号处理模块、储能模块、心电电极、心电内衣。接收线圈、电能变换电路、信号处理模块、储能模块、心电电极嵌入心电内衣夹层中。接收线圈位于左肩处，与储能模块固连，接收线圈通过无线充电获得交流电，电能传输至电能变换电路整流得到直流电，电能变换电路与信号处理模块和储能模块固连，信号处理模块与储能模块位于左胸上侧，集成在同一块柔性PCB板上，电能经电能变换电路储存在储能模块中，储能模块直接给信号处理模块供电，心电电极共有六个，分布在心脏周围形成六导联心电测量排列，每个心电电极单独与信号处理模块固连，将测得的心电信号输入信号处理模块处理，通过无线充电的方法对心电衣进行充电，心电衣对外无有线接口，一体性好，同时，电能变换电路中开关采用全控型器件，可实现电能反向输出，心电衣可作为手机等支持无线充电设备的应急电源使用。

所述接收线圈由接收端电感、小电容、环形软磁体组成。接收端电感与小电容串联，两者能实现高频LC震荡回路，负责接收空气中的电磁能量。

LC震荡回路与电能变换电路相连。环形软磁体在接收端电感外侧，可与发射线圈外侧的环形软磁体相互吸引，使得发射线圈和接收线圈对准并贴合，使功率传输过程更加稳定，减少能量的浪费。接收线圈设计在左肩处，与心电衣的装饰元素相融合，同时距离左胸附近的心电测量模块较近，电路较短。

所述电能变换电路包括四个全控型开关组成的整流全桥和稳压电容，开关为全控型IGBT。当心电衣无线充电时，储能模块相当于负载，由于接收线圈处所得为交流电，因此需要整流桥将交流电变换为直流电才能给储能模块充电。此时，全控型开关相当于二极管，承受正压时导通，受反压时关断。整流桥两端额定电压为5V，额定电流为0.5A，额定输入功率为2.5W。由于心电衣能耗较低，因此2.5W的无线传输功率足够满足充电要求。当使用者处于户外等情况，急需给手机、智能手表等支持无线充电的设备冲入应急的电能时，通过信号处理模块上的开关转变电能变换电路的工作模式。此时心电衣内的锂电池为直流电源，手机等智能设备为负载，电能变换电路起逆变器作用，各开关在信号处理模块的控制下按SPWM调制方式开通或关断。

所述信号处理模块，包含开关、CPU和蓝牙。开关控制心电衣处于充电模式还是放电模式，默认为充电模式。当心电衣充电时，CPU采集稳压电容端电压，通过蓝牙传送至发射线圈，防止电压过高。心电电极所测得心电信号由导线传输至信号处理模块处理，然后由蓝牙传输至手机、智能手表等接收装置。

所述储能模块，包含DC-DC电路和可充电锂电池。整流电路两端额定电压为5V，可充电锂电池额定电压为3.3V，DC-DC电路将5V直流降至3.3V给可充电锂电池充电。可充电锂电池作为心电衣中的储能模块直接对心电衣中功能部件供电。

所述心电电极，共有六个，根据六导联心电测量要求分布于心电内衣内侧对应心脏位置周围。心电电极将心电信号测量并传输至信号处理模块处理。

所述心电内衣，材质为杜邦莱卡或氨纶，具有弹性，贴合在人体上，使心电电极位置固定在心脏周围。

当使用者穿上心电衣时，心电信号由心电电极测得，经信号处理信号处理后由蓝牙传输给手机等接收装置。信号处理装置和蓝牙等模块的直接电源为内置的锂电池，锂电池由无线充电方式充电。

当使用无线充电装置给心电衣充电时，发射线圈和接收线圈外侧的环形软磁体互相吸引，使发射线圈和接收线圈对准，减少功率损耗。电能经接收线圈中的LC震荡电路输入，为交流电。因此，电能变化电路工作在全桥整流状态，将交流电转化为直流电，并通过稳压电容稳压后经DC-DC电路降至3.3V给储能模块充电。信号处理模块中的CPU采集稳压电容两端电压后由蓝牙传输给发射线圈接收端作负反馈，防止充电电压过高。

当手机、智能手表等支持无线充电的设备需要应急电能时，将手机背面的无线线圈贴在心电衣的接收线圈上，通过信号处理模块上的开关改变电能变换电路的工作模式，使其工作在逆变状态。此时，储能模块作为电源，直流电经逆变由LC震荡电路传输给手机、智能手表等设备，实现应急供能的作用。

本发明采用基于电磁感应的无线充电方法给心电衣充电，能够有效避免心电衣接口浸水带来的安全问题，延长心电衣的使用寿命。通过无线充电的方法对心电衣进行充电，心电衣对外无有线接口，一体性好，不容易发生电路浸水短路等故障。同时，电能变换电路中开关采用全控型器件，可实现电能反向输出，心电衣可作为手机等支持无线充电设备的应急电源使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了无线充电应用于心电衣的示意图。

图2示出了无线充电电路图。

图3示出了充电过程的流程框图。

图4示出了接收线圈平面图。

图5示出了发射线圈于接收线圈配对的3D视图。

1—接收线圈、2—电能变换电路、3—信号处理模块、4—储能模块、5—心电电极、6—心电内衣。7—接收线圈、8—整流电路、9—稳压电容、10—可充电锂电池、11—发射线圈、12—逆变器、13—直流电源、14—接收端电感、15—接收端环形软磁体、16—发射端电感、17—发射端环形软磁体。

具体实施方式

在图1中，接收线圈、电能变换电路、信号处理模块、储能模块、心电电极都嵌入在心电内衣的夹层中。接收线圈在左肩处，与电能变换电路固连。在给心电衣充电时，接收线圈通过无线充电获得交流电，电能传输至电能变换电路整流得到直流电。电能变换电路与信号处理模块和储能模块固连。信号处理模块与储能模块位于左胸上侧，集成在同一块柔性PCB板上。电能经电能变换电路储存在储能模块中，储能模块直接给信号处理模块供电。心电电极共有六个，分布在心脏周围形成六导联心电测量排列，每个心电电极单独与信号处理模块固连，将测得的心电信号输入信号处理模块处理。

在图2和图3中。直流电源输出电能通过逆变器转成交流电由发射线圈通过电磁耦合的方式传导到接收线圈上，接收线圈上的交流电经整流电路变回直流电，经过稳压电容储存到可充电锂电池上。信号处理模块对稳压电容两端电压采样并传回发射端，通过负反馈方式防止出现过充现象。

在图4和图5中，接收侧有接收端电感和接收端环形软磁体，发射侧有发射端电感和发射端环形软磁体。环形软磁体都位于电感外侧。当需要充电时，接收端环形软磁体和发射端环形软磁体互相对准吸引，使得接收端电感和发射端电感也对准，从而提高无线充电的稳定性和传输效率。

本发明所述的一种采用无线充电的心电衣，结构包括接收线圈、电能变换电路、信号处理模块、储能模块、心电电极、心电内衣。

所述接收线圈由接收端电感、小电容、接收端环形软磁体组成。接收端电感与小电容串联，两者能实现高频LC震荡回路，负责接收空气中的电磁能量。LC震荡回路与电能变换电路相连。环形软磁体在接收端电感外侧，可与发射线圈外侧的环形软磁体相互吸引，使得发射线圈和接收线圈对准并贴合，使功率传输过程更加稳定，减少能量的浪费。接收线圈设计在左肩处，与心电衣的装饰元素相融合，同时距离左胸附近的心电测量模块较近，电路较短。

所述电能变换电路包括四个全控型开关组成的整流全桥和稳压电容，开关为全控型IGBT。当心电衣无线充电时，储能模块相当于负载，由于接收线圈处所得为交流电，因此需要整流桥将交流电变换为直流电才能给储能模块充电。此时，全控型开关相当于二极管，承受正压时导通，受反压时关断。整流桥两端额定电压为5V，额定电流为0.5A，额定输入功率为2.5W。由于心电衣能耗较低，因此2.5W的无线传输功率足够满足充电要求。当使用者处于户外等情况，急需给手机、智能手表等支持无线充电的设备冲入应急的电能时，通过信号处理模块上的开关转变电能变换电路的工作模式。此时心电衣内的锂电池为直流电源，手机等智能设备为负载，电能变换电路起逆变器作用，各开关在信号处理模块的控制下按SPWM调制方式开通或关断。

所述信号处理模块，包含开关、CPU和蓝牙。开关控制心电衣处于充电模式还是放电模式，默认为充电模式。当心电衣充电时，CPU采集稳压电容端电压，通过蓝牙传送至发射线圈，防止电压过高。心电电极所测得心电信号由导线传输至信号处理模块处理，然后由蓝牙传输至手机、智能手表等接收装置。

所述储能模块，包含DC-DC电路和可充电锂电池。整流电路两端额定电压为5V，可充电锂电池额定电压为3.3V，DC-DC电路将5V直流降至3.3V给可充电锂电池充电。可充电锂电池作为心电衣中的储能模块直接对心电衣中功能部件供电。

所述心电电极，共有六个，根据六导联心电测量要求分布于心电内衣内侧对应心脏位置周围。心电电极将心电信号测量并传输至信号处理模块处理。

所述心电内衣，材质为杜邦莱卡或氨纶，具有弹性，贴合在人体上，使心电电极位置固定在心脏周围。

在给心电衣充电时，接收线圈通过无线充电获得交流电，电能传输至电能变换电路整流得到直流电。电能变换电路与信号处理模块和储能模块固连。信号处理模块与储能模块位于左胸上侧，集成在同一块柔性PCB板上。电能经电能变换电路储存在储能模块中，储能模块直接给信号处理模块供电。心电电极共有六个，分布在心脏周围形成六导联心电测量排列，每个心电电极单独与信号处理模块固连，将测得的心电信号输入信号处理模块处理。

当手机、智能手表等支持无线充电的设备需要应急电能时，将手机背面的无线线圈贴在心电衣的接收线圈上，通过信号处理模块上的开关改变电能变换电路的工作模式，使其工作在逆变状态。此时，储能模块作为电源，直流电经逆变由LC震荡电路传输给手机、智能手表等设备，实现应急供能的作用。

该发明通过无线充电的方法对心电衣进行充电，心电衣对外无有线接口，一体性好，不容易发生电路浸水短路等故障。同时，电能变换电路中开关采用全控型器件，可实现电能反向输出，心电衣可作为手机等支持无线充电设备的应急电源使用。