一種低功耗無線通信人體步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊設(shè)計(jì)

劉家倫 周世通 何程函

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京市 100076）

1 引言

人體步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊的主要作用為監(jiān)測(cè)人體在行走過程中下肢的各種狀態(tài)，可應(yīng)用于外骨骼感知系統(tǒng)或醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域。人體在行走過程中，其下肢狀態(tài)可以大致分為四類，即前期支撐狀態(tài)、中期支撐狀態(tài)、后期支撐狀態(tài)以及擺動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)鞋墊壓力點(diǎn)的布置位置以及壓力信息采集，可準(zhǔn)確識(shí)別人體下肢的實(shí)時(shí)姿態(tài)，并預(yù)測(cè)其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，可為外骨骼系統(tǒng)或醫(yī)療康復(fù)設(shè)備的人體姿態(tài)感知提供數(shù)據(jù)支撐。

現(xiàn)有步態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多為有線采集，由于人體信號(hào)遮擋嚴(yán)重，腳底壓力采集實(shí)時(shí)性要求高，實(shí)時(shí)傳輸腳底壓力則成為一個(gè)難點(diǎn)。同時(shí)，由于該類產(chǎn)品常常需要長時(shí)間工作，所以對(duì)于該種類型的產(chǎn)品的低功耗工作能力也提出較高的要求[1-9]。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種低功耗無線通信人體步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊，通過特殊的無線通信方式設(shè)計(jì)，提升了信號(hào)繞射能力，可實(shí)現(xiàn)在人體正常行走的狀態(tài)下，無線數(shù)據(jù)信號(hào)能夠克服人體遮擋，實(shí)時(shí)傳輸腳底壓力數(shù)據(jù)；同時(shí)，在硬件電路上使用超低功耗設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了睡眠喚醒功能，需要使用時(shí)無需按壓開關(guān)，自動(dòng)檢測(cè)通信狀態(tài)即可開啟工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)長時(shí)間超低功耗續(xù)航。

2 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人體步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊內(nèi)部主要由鞋墊本體、薄膜壓力傳感器、主控板、電池及保護(hù)殼、柔性天線組成。鞋墊本體及薄膜壓力傳感器中，鞋墊本體主要起電氣元件包裹及腳底減震作用，使用常見布料或泡棉，薄膜壓力傳感器為市面常見產(chǎn)品，其特性為電阻值隨著壓力的變化而變化，可根據(jù)需求選擇傳感器壓力測(cè)試點(diǎn)數(shù)及測(cè)試點(diǎn)位置；主控板、電池及保護(hù)殼中主控板為鞋墊的電氣核心，負(fù)責(zé)壓力采集、數(shù)據(jù)通信、電池充電等工作，所使用的電池為常規(guī)可充電鋰電池，保護(hù)殼為硬度較高的金屬殼，防止主控板及電池因承受人體壓力而被損壞，柔性天線在鞋墊內(nèi)側(cè)邊緣布置。

人體步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖1所示，圖1中所示部分主要由表面絨布鞋墊（1）、薄膜壓力傳感器（2）；中層泡棉鞋墊（3）、硬件保護(hù)殼上殼體（4）、開關(guān)及充電接口（5）、鋰電池（6）、主控板（7）、硬件保護(hù)殼下殼體（8）、底層泡棉鞋墊（9）以及柔性天線（10）構(gòu)成。

圖1：人體步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊爆炸圖

其中主控板、電源、開關(guān)以及充電接口進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，考慮到使用環(huán)境需求，將其放置在金屬殼體內(nèi)，放置于智能鞋墊腳后跟處，金屬殼體材料為輕質(zhì)鋁合金，可以保護(hù)電氣部分免受穿戴者運(yùn)動(dòng)過程中的重力及沖擊力。

為保證穿戴舒適型，采用中層鞋墊與下層鞋墊之間間放置電氣殼體的布置方式，兩種鞋墊材料為彈性泡棉，減小穿戴者對(duì)控制器殼體的直接壓力。

薄膜壓力傳感器為市場(chǎng)上成熟度較高的產(chǎn)品，負(fù)責(zé)采集人體下肢行走過程中的腳掌各部分壓力，其質(zhì)地柔軟，可以承受人體行走過程中產(chǎn)生的變形。為準(zhǔn)確采集人體腳掌壓力，將其放置在泡棉鞋墊上部；

柔性天線一端連接到主控板上天線接口處，從主控板伸出后沿鞋墊本體內(nèi)部邊緣布置，可布置在鞋墊左側(cè)或右側(cè)邊緣，從提升無線信號(hào)繞射能力，最大化信號(hào)傳輸速率及可靠性。

由于PCB 材料表面光滑，為防止穿戴過程中腳部與鞋墊出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，在薄膜壓力傳感器上部放置一層較薄鞋墊，材料為絨布，增大與腳掌的摩擦力。最后將各部分采用膠封的方式封裝成一款整體的人體步態(tài)監(jiān)測(cè)智能鞋墊，封裝效果圖如圖2所示[10-11]。

圖2：步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊塑封效果圖

外骨骼控制過程中需要對(duì)穿戴者前期支撐狀態(tài)、中期支撐狀態(tài)、后期支撐狀態(tài)以及擺動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)人體下肢在行走過程中腳掌各部位壓力變化曲線，將薄膜壓力傳感器壓力點(diǎn)的直徑設(shè)置為20mm，并按照?qǐng)D3的所示的位置進(jìn)行布置：壓力點(diǎn)（1）負(fù)責(zé)采集腳后跟位置的壓力，壓力點(diǎn)（2）負(fù)責(zé)采集腳掌足弓位置的壓力，壓力點(diǎn)（3）負(fù)責(zé)采集前腳掌外側(cè)位置的壓力，壓力點(diǎn)（4）負(fù)責(zé)采集大拇指腳尖位置的壓力，壓力點(diǎn)（5）負(fù)責(zé)采集前腳掌內(nèi)側(cè)位置的壓力[12-14]。

圖3：薄膜壓力傳感器采集點(diǎn)布置示意圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路組成及原理

步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊硬件電路原理框圖如圖4所示。

圖4：硬件電路原理框圖

如圖4，防水MicroUSB 接口為本產(chǎn)品唯一對(duì)外接口，可通過標(biāo)準(zhǔn)MicroUSB 插頭接入5V 電源，為產(chǎn)品充電，在調(diào)試階段也可通過MicroUSB 的兩個(gè)引腳將調(diào)試程序下載到主控芯片中；充電電路、保護(hù)電路為常規(guī)4.25V 鋰電池充電電路及保護(hù)電路；防水觸摸開關(guān)及開關(guān)電路的作用為控制鞋墊內(nèi)部上電及斷電，短暫按壓開關(guān)鞋墊上電，長時(shí)間按壓鞋墊內(nèi)部斷電；電源變換電路的作用為將電池電壓轉(zhuǎn)化為3.3V 穩(wěn)定電壓，為內(nèi)部元器件供電；主控芯片選用低功耗產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)正常工作時(shí)的低功耗。射頻模塊選擇具有有低功耗睡眠功能產(chǎn)品，考慮到信號(hào)繞射能力以及實(shí)時(shí)通信能力，發(fā)射頻率常選為1Ghz 以內(nèi)，射頻模塊將主控芯片的無線傳輸數(shù)據(jù)通過柔性天線發(fā)送至外部控制器，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的對(duì)外無線傳輸。壓力采集電路為電阻分壓電路，通過合理設(shè)置分壓電阻可通過片內(nèi)AD采集薄膜壓力傳感器的數(shù)值，通過微型連接器與薄膜壓力傳感器連接，從而測(cè)量薄膜壓力傳感器中對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)壓力值。

3.2 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 接口、充電電路及保護(hù)電路

步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊內(nèi)部使用4.25V 可充電式鋰電池，鞋墊外側(cè)邊緣布置有防水MicroUSB 接口，可通過標(biāo)準(zhǔn)MicroUSB 插頭接入5V電源，為產(chǎn)品充電，在調(diào)試階段也可通過MicroUSB 的兩個(gè)引腳將調(diào)試程序下載到主控芯片中。接口、充電電路及保護(hù)電路原理圖如圖5所示。

圖5：接口、充電電路及保護(hù)電路原理框圖

如圖5，鞋墊充電時(shí)，外部插頭的+5V 電源可通過防水MicroUSB 接口接入充電專用電源管理芯片，電源管理芯片將+5V轉(zhuǎn)化為鋰電池充電需要的+4.25V 電壓并設(shè)定恒流模式，經(jīng)過電源保護(hù)電路后，給鋰電池充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到指定電壓時(shí)，電源管理芯片自動(dòng)停止充電。

在鞋墊正常工作狀態(tài)下，電池電壓經(jīng)過電源保護(hù)電路后進(jìn)入主控板內(nèi)部電路，為電氣設(shè)備供電。圖中電源保護(hù)電路的作用為防止電池過壓、欠壓及過流，可以保護(hù)鋰電池不會(huì)因?yàn)榉钦９ぷ鳡顟B(tài)而損壞，提升鋰電池及鞋墊工作壽命。

3.2.2 開關(guān)電路及電源變換電路

為便于鞋墊的防水設(shè)計(jì)，其上電開關(guān)使用常開式防水觸摸開關(guān)，并設(shè)計(jì)開關(guān)電路及電源變換電路原理框圖如圖6所示，其作用為控制鞋墊內(nèi)部上電及斷電，短暫按壓開關(guān)鞋墊上電，長時(shí)間按壓鞋墊內(nèi)部斷電。電源變換電路的作用為將電池電壓轉(zhuǎn)為為3.3V 電壓為為內(nèi)部電路供電。

圖6：開關(guān)電路

如圖6，電池電壓首先經(jīng)過電源保護(hù)電路后進(jìn)入開關(guān)管輸入端，由防水觸摸開關(guān)或主控芯片控制開關(guān)管的通斷，從而控制電池電壓能否進(jìn)入電源變換電路，從而控制主控板內(nèi)部電路通電與斷電。

由斷電到上電流程如下：防水觸摸開關(guān)被按下時(shí)，觸摸開關(guān)導(dǎo)通并控制開關(guān)管導(dǎo)通，系統(tǒng)上電。系統(tǒng)上電后，主控芯片及內(nèi)其他內(nèi)部電路正常工作，主控芯片通過IO 信號(hào)設(shè)為高控制開關(guān)管持續(xù)開通，則防水觸摸開關(guān)斷開后開關(guān)管依舊導(dǎo)通，系統(tǒng)持續(xù)上電，主控芯片及其他內(nèi)部電路開始正常工作，主控芯片開始檢測(cè)開關(guān)按壓狀態(tài)及按壓時(shí)間。

由上電轉(zhuǎn)入斷電流程如下：系統(tǒng)上電時(shí)，主控芯片持續(xù)檢測(cè)開關(guān)的按壓狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到開關(guān)被長時(shí)間按壓并超出預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，主控芯片IO 信號(hào)設(shè)置為低，從而當(dāng)開關(guān)停止被按壓后，整個(gè)系統(tǒng)斷電。

3.2.3 主控芯片、射頻模塊及壓力采集電路

主控芯片使用STM32 系列低功耗產(chǎn)品，芯片本身正常工作狀態(tài)下功耗較低，并且具有睡眠功能。射頻模塊使用市場(chǎng)上比較成熟的固定頻率射頻模塊，同樣具有低功耗睡眠功能。原理框圖如圖7所示。

圖7：主控芯片、射頻模塊及其外圍電路

如圖7，電源變換電路變換后的3.3V 電壓經(jīng)過濾波電容及過流保護(hù)進(jìn)入主控芯片，并由外部晶振為主控芯片提供時(shí)鐘參考。主控芯片與射頻模塊通過SPI 通信，并設(shè)置多個(gè)IO 信號(hào)用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)及睡眠喚醒，主控芯片將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻模塊后，由射頻模塊通過柔性天線無線發(fā)送至外部控制器。壓力傳感器反饋的代表壓力的電壓信號(hào)通過電阻分壓后進(jìn)入主控芯片，實(shí)現(xiàn)腳底壓力監(jiān)測(cè)。

4 軟件設(shè)計(jì)及低功耗續(xù)航實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件設(shè)計(jì)

如圖4，主控芯片采集到壓力數(shù)據(jù)后，通過通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻模塊，由射頻模塊通過布置在邊緣的柔性天線將腳底壓力數(shù)據(jù)發(fā)送到外部控制器中。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?、?zhǔn)確性，優(yōu)化鞋墊射頻模塊的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)發(fā)送流程。壓力采集采用DMA方式，不占用控制器MCU 線程，定時(shí)將采集到的壓力數(shù)據(jù)通過射頻模塊發(fā)送，發(fā)送過程中通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)射頻模塊的發(fā)送狀態(tài)，不管發(fā)送成功與否，都將進(jìn)入下一次發(fā)送，防止出現(xiàn)發(fā)送失敗導(dǎo)致模塊無法正常工作的情況；發(fā)送機(jī)制軟件流程圖如圖8所示。

圖8：步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制軟件流程圖

圖4中所示的外部控制器在正常工作時(shí)處于接收狀態(tài)，為保證接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與快速性，外部控制器接收端采用外部中斷事件觸發(fā)接收機(jī)制，在非接收狀態(tài)下，主控芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否有中斷事件IO 觸發(fā)，一旦檢測(cè)到便進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與處理，完成后迅速進(jìn)入等待接收狀態(tài)，以便進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的接收與處理，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。外部控制器數(shù)據(jù)接收機(jī)制軟件流程圖如圖9所示。

圖9：外部控制器數(shù)據(jù)接收機(jī)制軟件流程圖

4.2 低功耗續(xù)航實(shí)現(xiàn)

步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊設(shè)定有兩種工作狀態(tài)，即正常工作狀態(tài)以及低功耗待機(jī)狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，主控芯片處于正常工作模式，射頻模塊處于發(fā)送模式，主控芯片將采集到的腳底壓力數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻模塊，由射頻模塊通過柔性天線發(fā)送至外部控制器。當(dāng)鞋墊在一定時(shí)間內(nèi)未采集到腳底壓力數(shù)據(jù)時(shí)，鞋墊進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，等待外部控制器發(fā)送喚醒信號(hào)，在低功耗待機(jī)狀態(tài)下，如果鞋墊接收到1 條完整喚醒信號(hào)，則鞋墊自動(dòng)喚醒，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，以此往復(fù)。

鞋墊由正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)流程圖如圖10。當(dāng)鞋墊處于正常工作狀態(tài)下，鞋墊實(shí)時(shí)采集腳底壓力數(shù)據(jù)并無線發(fā)送到外部控制器。當(dāng)鞋墊記錄到X 秒內(nèi)無腳底壓力信號(hào)時(shí)，則認(rèn)定用戶暫時(shí)無需使用壓力采集功能，則開啟進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)流程。假設(shè)外部控制器向鞋墊發(fā)送一條完整喚醒信號(hào)需要A 毫秒，則主控芯片設(shè)置射頻模塊每B 毫秒接收一次數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)時(shí)長為2A 毫秒，在每B 毫秒內(nèi)，2A 毫秒射頻模塊處于接收模式，B-2A 毫秒射頻模塊處于睡眠模式，之后主控芯片進(jìn)入睡眠模式，從而步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)。

圖10：正常工作狀態(tài)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)流程圖

鞋墊由低功耗待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)流程圖如圖11所示。當(dāng)鞋墊處于低功耗待機(jī)狀態(tài)時(shí)，射頻模塊每B 毫秒接收一次數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)時(shí)長為2A 毫秒，在每B 毫秒內(nèi)，2A 毫秒射頻模塊處于接收模式，B-2A 毫秒射頻模塊處于睡眠模式。通常，B 設(shè)置為A的100-200 倍左右，以兼顧低功耗以及適中的喚醒時(shí)間。當(dāng)鞋墊在2A 毫秒內(nèi)接收到外部控制器單條完成的喚醒數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送IO 信號(hào)喚醒睡眠模式下的主控芯片，則主控芯片被喚醒，鞋墊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

圖11：低功耗待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)流程圖

5 產(chǎn)品測(cè)試

單套產(chǎn)品正面與背面實(shí)物圖如圖12 所示，鞋墊正面為黑色防滑絨布，背面采用緩沖泡棉進(jìn)行填充，電氣系統(tǒng)放置于足后跟處。

圖12：單雙產(chǎn)品正面與背面實(shí)物圖

通過該人體步態(tài)鞋墊采集的單步態(tài)壓力曲線圖如圖13 所示。圖中五條曲線分別表示大腿單步態(tài)全周期的足弓、腳后跟、前腳掌內(nèi)側(cè)、大拇指腳尖處、前腳掌外側(cè)的腳底壓力值。圖中可看出前期支撐態(tài)、中期支撐態(tài)、末期支撐態(tài)以及擺動(dòng)態(tài)時(shí)的腳底壓力值及趨勢(shì)[15]。

圖13：單步態(tài)全周期壓力曲線

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了了一種低功耗無線通信人體步態(tài)監(jiān)測(cè)鞋墊，通過柔性天線邊緣布置的方式無線通信方式設(shè)計(jì)，提升了信號(hào)繞射能力，可實(shí)現(xiàn)在人體正常行走的狀態(tài)下，無線數(shù)據(jù)信號(hào)能夠克服人體遮擋，實(shí)時(shí)傳輸腳底壓力數(shù)據(jù)；同時(shí)，在硬件電路上使用超低功耗設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了睡眠喚醒功能，需要使用時(shí)無需按壓開關(guān)，自動(dòng)檢測(cè)通信狀態(tài)即可開啟工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)長時(shí)間超低功耗續(xù)航。該產(chǎn)品可應(yīng)用于外骨骼機(jī)器人感知系統(tǒng)、醫(yī)療康復(fù)、實(shí)驗(yàn)室研究等多個(gè)領(lǐng)域。