一种基于电阻式薄膜压力传感阵列的便携式无线足底压力采集系统

技术领域

本发明属于压力传感器领域，特别涉及一种基于电阻式薄膜压力传感阵列的便携式无线足底压力采集系统。

背景技术

步态监测在医疗健康领域具有重要的意义。通过对个体步态的精准分析，可以全面了解其行走模式，包括步幅、步频、脚地点等关键参数。这对于诊断和跟踪一系列疾病如帕金森病、脑卒中等，以及骨骼、关节疾病等具有重要的辅助作用。例如，在帕金森病的早期诊断中，步态异常往往是一个早期的症状，因此步态监测可以成为早期诊断的重要工具，为早期干预提供了时间窗口。此外，步态监测在康复过程中也起到了不可或缺的作用。医疗专业人员可以通过分析患者的步态变化，量化康复进展，从而个性化地调整康复计划，提高康复效率。此外，对于截肢者或其他运动功能障碍者来说，步态监测技术可以帮助设计合适的假肢或辅助器具，以优化其日常生活质量。同时，步态监测也在运动科学、运动训练等领域有着广泛的应用。通过分析运动员的步态，可以提供科学依据，改善训练方法，预防运动损伤。因此，步态监测技术不仅对于疾病诊断、康复过程等医疗方面具有重要的意义，也在运动训练等领域有着广泛的应用前景，对于提升人们的健康水平和生活质量具有积极的推动作用。

目前，步态检测技术在医疗和健康监测领域取得了显著的进展。传统的步态检测设备通常包括运动捕捉系统、压力传感器、惯性测量单元等，通过这些硬件组件来获取用户行走时的关键步态参数。运动捕捉系统可以实时追踪人体关节的运动轨迹，从而精准地重建用户的步态信息。压力传感器则用于监测脚部的受力分布，帮助分析步态中的压力变化模式。惯性测量单元则可以提供关于加速度、角速度等方面的数据，对步态过程进行更全面的了解。然而，目前市面上的步态检测设备往往存在一些局限性。首先，许多设备通常体积庞大且价格昂贵，限制了其在日常生活中的普及和实用性。其次，一些设备需要专业的操作技能和环境条件，使得其在临床环境以外的场合难以广泛应用。此外，一部分设备可能在长时间使用时会导致不便或不适，影响用户的舒适体验。

因此，当前用于步态监测的足底压力传感器件仍然需要进一步改进，以提供更便捷、实用、舒适的解决方案，以满足日益增长的医疗和健康监测需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于电阻式薄膜压力传感阵列的便携式无线足底压力采集系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种基于电阻式薄膜压力传感阵列的便携式无线足底压力采集系统，包括鞋垫式电路系统，鞋垫式电路系统包含有电阻式薄膜压力传感阵列，微控制器系统板和上位机，其中：

所述电阻式薄膜压力传感阵列用于采集足前掌的压力信息，并输出至微控制器系统板中；所述微控制器系统板用于将接收到的信息无线传递至上位机中，通过上位机储存记录并处理数据。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述电阻式薄膜压力传感阵列和微控制器系统板为电性连接，微控制器系统板和上位机为无线信号连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述电阻式薄膜压力传感阵列包含有柔性基底，柔性基底前端设置有单面电极，单面电极的底端设置有传感功能层，柔性基底位于后端设置有连接端口。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述单面电极包含有4*4的传感单元，传感单元为三明治结构，上下为金属铜电极，中间传感功能材料为掺杂有碳基纳米材料的离子凝胶薄膜，所述传感功能层的内部设置有排线，排线连接至连接端口处的信号线排。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述微控制器系统板包含有微控制器、模数转换芯片、电流采样电阻、驱动采集电路通道和WiFi芯片。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述微控制器使用的是STM32F103RCT6微控制器，模数转换芯片采用24位分辨率的ADS1220模数转换芯片，用于高频采样和数字化信号，WiFi芯片集成了ESP32 Wi-Fi芯片，用于将采集到的数据传送至上位机。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述微控制器系统板还包含有电源模块，电源模块为外接或内置锂电池结构设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1：本发明通过内置的电子元器件，将步态数据采集和传输整合在鞋垫内部，简化了数据采集过程，鞋垫设计紧凑，方便佩戴，患者可以在日常生活中随时使用，无需额外的装备，必要时可以内置电源直接进行使用，无需患者反复穿脱。

2：本发明采用成本效益高的电子元器件，降低了步态检测的实施成本，且是基于WiFi与上位机电脑通信，因此在通讯环境具有大范围的WiFi节点覆盖时，能够在大区域空间中实现实时数据传输和分析，长期的运动时也会不断的传输讯息并记录，从而帮助医生和患者及时了解步态情况。。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为鞋垫式电路系统构成示意图；

图2为电阻式薄膜压力传感阵列的初始电学性能测试结果；

图3为鞋垫式电路系统的模块示意图；

图4为鞋垫式电路系统的工作流程图；

图中：1、电阻式薄膜压力传感阵列；11、柔性基底；12、单面电极；13、传感功能层；14、连接端口；2、微控制器系统板；3、上位机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-4所示，本发明提供一种基于电阻式薄膜压力传感阵列的便携式无线足底压力采集系统，包括鞋垫式电路系统，鞋垫式电路系统包含有电阻式薄膜压力传感阵列1，微控制器系统板2和上位机3，其中：

所述电阻式薄膜压力传感阵列1用于采集足前掌的压力信息，并输出至微控制器系统板2中；所述微控制器系统板2用于将接收到的信息无线传递至上位机3中，通过上位机3储存记录并处理数据。

电阻式薄膜压力传感阵列1和微控制器系统板2为电性连接，微控制器系统板2和上位机3为无线信号连接。

电阻式薄膜压力传感阵列1包含有柔性基底11，柔性基底11前端设置有单面电极12，单面电极12的底端设置有传感功能层13，柔性基底11位于后端设置有连接端口14。

单面电极12包含有4*4的传感单元，传感单元为三明治结构，上下为金属铜电极，中间传感功能材料为掺杂有碳基纳米材料的离子凝胶薄膜，所述传感功能层13的内部设置有排线，排线连接至连接端口14处的信号线排。

微控制器系统板2包含有微控制器、模数转换芯片、电流采样电阻、驱动采集电路通道和WiFi芯片。

微控制器使用的是STM32F103RCT6微控制器，模数转换芯片采用24位分辨率的ADS1220模数转换芯片，用于高频采样和数字化信号，WiFi芯片集成了ESP32 Wi-Fi芯片，用于将采集到的数据传送至上位机。

微控制器系统板2还包含有电源模块，电源模块为外接或内置锂电池结构设置。

具体的，由于需要对长期行走的脚步进行监测，特别是有的病人自身需要一定量的运动等情况，因此提供了本发明所设计的一种基于电阻式薄膜压力传感阵列的便携式无线足底压力采集系统，足底压力采集系统分为三个部分，分别为一个电阻式薄膜压力传感阵列1，一个微控制器系统板2和一个上位机3。其中传感阵列主要包括柔性基底11及其附着于基底上的单面电极12，传感功能层13，连接系统的端口14。其中，柔性基底11可选用树脂类薄膜材料，例如聚酰亚胺薄膜(PI)，聚碳酸酯薄膜(PC)，涤纶树脂薄膜(PET),单面电极12为金属铜；传感功能层13为掺杂有碳纳米材料的凝胶薄膜，单面电极12的传感单元初始电阻率测试结果如图2所示，可以看出采用上述材料制作的传感功能材料的性能稳定效果。

单面电极12的传感单元尺寸为4x4，总共有16个单元，感应面积整体为65mmx75mm。同行的传感单元共用一个引出导线，同列传感单元也共用一个引出导线，采用双面布线的方式。由于人体结构决定了在跑动和跳跃等运动中，足底压力采集主要集中在前脚掌五根跖趾关节处，因此传感单元的设计也针对脚掌跖趾区域进行了仿鞋垫的形状设计，如图1所示，在靠近内侧处传感单元面积较大，靠近外侧面积较小。

为了支持压阻鞋垫的功能，专门设计了微控制器系统板2，主要组件如下：

1.微控制器：使用STM32F103RCT6微控制器执行各种计算任务；

2.模数转换芯片：采用24位分辨率的ADS1220模数转换芯片，用于高频采样和数字化信号；

3.WiFi芯片：集成了ESP32 WiFi芯片，用于将采集到的数据传送至上位机。

由于本发明采用的是基于WiFi芯片传输信号，且微控制器系统板2的体积显著小于电阻式薄膜压力传感阵列1，因此微控制器系统板2可以放置到鞋子的外部，通过如魔术贴或其它可拆卸的结构固定在鞋子表面，或更改信号线排至电阻式薄膜压力传感阵列1的侧面位置，直接安装到鞋子的鞋舌上，配合鞋带固定；若为拖鞋则可直接安装到鞋面上固定，不妨碍患者自身的行走运动，使患者可以长期处于行走或运动状态；

在必要时，也能够基于环境下的无线环境使用，例如微控制器系统板2和上位板3之间连接较远时，可在较大范围下通过WiFi信号节点中继传输讯息，例如WiFi路由器的信号接收等；若距离过远时，也可直接将电阻式薄膜压力传感阵列1的运动讯息通过模数转换芯片形成字节较小的数据，储存在微控制器系统板2内部的储存模块下，在能够连接到上位板3时可直接传输内部信息。

在另一个实施例中，微控制器系统板2的内部可以设置锂电池结构，通过拆卸锂电池或插入式充电的方式，以提供距离过远时的供电需求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。