一种智能监测鞋垫及其智能监测系统的制作方法

本发明属于足底压力测量技术领域，尤其涉及一种智能监测鞋垫及其智能监测系统。

背景技术：

基于生物力学、康复医学、矫形外科、体育训练、制鞋业等的需要，对人体步态的测试及分析是非常重要的理论依据，而人体足底压力分布特征则是揭示步态规律的重要指标之一。二十世纪以后各种测量人体足底压力的方法不断出现，测量技术不断更新，并逐渐向可穿戴运动监测领域发展。医学研究已证明，人走路时足部的压力分布状态与许多肢体疾病密切相关，而通过采集患者不正常的足部压力分布值，与不同年龄、人种、性别、体重的人群的足底压力分布的正常值相比较，能快速识别与足部病态有着相当联系的疾病。

在足底压力分布测量技术的研究中，足底压力测试板、测试垫技术发展成熟，临床应用最为广泛；而可穿戴的压力鞋、压力鞋垫最为先进，但尚未得到广泛的市场应用。前者测试稳定，但系统庞大，测试存在极大的空间局限性且价格昂贵；后者结构简单、体积小、便于人体穿戴，且不受空间范围的限制，测试更接近人体真实的运动状态，因此压力鞋、压力鞋垫技术作为对足底压力监测的最理想方式己成为目前研究的热点。

经检索，目前比利时rscan公司、德国novel公司等生产有压力鞋垫测试装置，但所需压力传感器多，约3000个，虽然精度高，但成本太高，适合科研单位，不适合大众普及；而采用少数压力传感器的压力鞋垫又存在测试精度差的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种体积小、测试精度高、且成本低的智能监测鞋垫；本发明的另一个目的在于提供一种应用该智能监测鞋垫的智能监测系统，可以为穿戴本发明智能监测鞋垫的用户提供正确的矫正建议。

为了实现上述目的，本发明提供了一种智能监测鞋垫，包括上覆增敏层、压力传感器层、底部导电层以及电路模块，其中：上覆增敏层、压力传感器层、底部导电层依次层叠设置；压力传感器层包括多个压力传感器组，压力传感器组由主传感器及围绕主传感器设置的至少两个辅传感器组成；多个压力传感器组分别与电路模块连接。

进一步的，多个压力传感器组分布设置在智能监测鞋垫对应于人体足部前掌、足中以及足跟的位置。

进一步的，压力传感器层包括12个压力传感器组，其中：10个压力传感器组设置在前掌位置，分别对应于人体足部第一趾骨至第五趾骨以及第一跖骨至第五跖骨；1个压力传感器组设置在足中位置，且避开足弓设置；1个压力传感器组设置在足跟位置。

进一步的，压力传感器组包括5个辅传感器，5个辅传感器以主传感器为圆心均匀分布，其中：主传感器与辅传感器的输出端分别与电路模块连接。

进一步的，电路模块包括压力信号采集电路、微处理器、无线发射电路以及电源电路，其中：压力信号采集电路一端与压力传感器组连接，另一端连接至微处理器；无线发射电路与微处理器连接；电源电路与微处理器连接并为电路模块供电。

进一步的，还包括六轴传感器以及六轴传感器电路，六轴传感器通过六轴传感器电路与微处理器连接，其中：微处理器根据六轴传感器输出数据计算人体足部运动速度，进而调整对压力传感器组的数据采样频率。

进一步的，还包括定位电路，定位电路由gps定位电路、bds定位电路、以及wifi定位电路中的至少一种组成，其中：gps定位电路和/或bds定位电路还设置有agps辅助定位电路；wifi定位电路采用低功耗芯片实现定位，或通过sim卡lbs基站定位电路实现定位。

进一步的，还包括红外测温传感器以及测温电路，其中：红外测温传感器透过上覆增敏层设置在人体足部足弓位置；红外测温传感器通过测温电路与微处理器连接。

进一步的，还包括压力发电层以及充电电路，其中：压力发电层设置在压力传感器层与底部导电层之间；压力发电层通过充电电路与电源电路连接，为电源电路充电。

本发明提供的一种智能监测鞋垫，具有以下有益效果：

1、本发明的智能监测鞋垫的压力传感器层布置有多个压力传感器组，实现足部不同位置的压力的精准采集；并且每个压力传感器组包括一个主传感器与至少两个辅传感器，辅传感器协同主传感器工作，确定足部应力点相对主传感器的偏移量，从而为主传感器提供偏移补偿，减小相对误差，进而提高了智能监测鞋垫数据采集的精度。

2、本发明的智能监测鞋垫的压力传感器组采用梅花分布式辅助压力检测的设计，每个足部应力点都采用一个主传感器与5个辅传感器，在控制成本的前提下，使用有限个辅传感器尽可能的减小了主传感器的相对测量误差。

3、本发明的智能监测鞋垫采用柔性电路板，提高舒适度和耐用性；上覆增敏层采用柔性硅，底部导电层采用导电橡胶，提高智能监测鞋垫的灵敏度与导电性。

4、本发明的智能监测鞋垫采用六轴传感器，实现对人体足部的速度姿态的测量解算，并结合压力传感器组，实现运动步数的精准测量。

5、本发明的智能监测鞋垫的定位电路同时采用gps定位电路、bds定位电路、agps辅助定位电路、wifi定位电路以及lbs基站定位电路，从而实现了智能监测鞋垫的精准定位。

6、本发明的智能监测鞋垫还设置有红外测温传感器以及测温电路，实时采集人体足部的温度变化，用于监测糖尿病患者足部温度变化，通过安装在智能手机上的配套应用提醒用户潜在问题，防止损伤出现。

7、本发明的智能监测鞋垫还设置有压力发电层以及充电电路，将足部压力转换为电量存储至电源电路，从而提高了智能监测鞋垫的续航能力。

8、本发明的智能监测鞋垫采用实验室定标，使压力传感器组始终工作在线性范围内，来保证数据采集的准确性，并提高响应度。

9、本发明的智能监测鞋垫结构简单，穿戴方便、舒适，并且成本低，适于广泛推广。

为实现上述目的，本发明还提供了一种该智能监测鞋垫的智能监测系统，包括移动终端、后台服务器以及上述任一种智能监测鞋垫，其中：智能监测鞋垫与移动终端建立无线通信连接，将采集的数据传输给移动终端；移动终端与后台服务器建立无线通信连接，传输数据至后台服务器；后台服务器接收存储数据，并对数据进行大数据分析，并将分析结果发送给移动终端。

本发明的一种智能监测鞋垫及其智能监测系统，具有以下有益效果：

1、本发明的智能监测鞋垫的智能监测系统，可以实时为穿戴本发明智能监测鞋垫的用户提供正确的矫正建议，有助于使用者了解自身足部健康状况、保持良好的运动姿态。

2、本发明的智能监测鞋垫的智能监测系统，智能监测鞋垫与移动终端之间的无线通信连接以及移动终端与后台服务器之间的无线通信连接可以通过wifi、4g无线网络、或者蓝牙等实现。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的智能监测鞋垫的一种实施例的模块结构示意图；

图2为本发明的智能监测鞋垫的结构示意图；

图3为本发明的智能监测鞋垫的另一种实施例的模块结构示意图；

图4为本发明的智能监测鞋垫的又一种实施例的模块结构示意图；

图5为本发明的智能监测鞋垫的定位电路的模块结构示意图；

图6为本发明的智能监测鞋垫的俯视结构示意图；

图7为本发明的智能监测鞋垫的主传感器与辅传感器布置结构示意图；

图8为本发明的智能监测鞋垫的智能监测系统的模块结构示意图；

图9为本发明的移动终端app操作流程示意图；

图10为本发明的web服务端操作流程图；

图11为本发明的智能监测鞋垫的压力信号采集电路的模块结构示意图；

图中：1-上覆增敏层、2-压力传感器层、211-主传感器、212-辅传感器、3-底部导电层、4-电路模块、5-压力发电层、6-红外测温传感器、7-第一压力传感器组、8-第二压力传感器组、9-第三压力传感器组、10-第四压力传感器组、11-第五压力传感器组、12-第六压力传感器组、13-第七压力传感器组、14-第八压力传感器组、15-第九压力传感器组、16-第十压力传感器组、17-第十一压力传感器组、18-第十二压力传感器组

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、以及图7所示，为本发明的智能监测鞋垫的一种实施例，包括上覆增敏层1、压力传感器层2、底部导电层3以及电路模块4，其中：上覆增敏层1、压力传感器层2、底部导电层3依次由上到下层叠设置；压力传感器层2包括多个压力传感器组，压力传感器组由主传感器211及围绕主传感器211设置的至少两个辅传感器212组成；多个压力传感器组分别与电路模块4连接。

具体的，上覆增敏层1以及底部导电层3均采用防水材料，优选的，上覆增敏层1采用柔性硅，底部导电层3采用导电橡胶，从而提高了智能监测鞋垫的灵敏度与导电性；智能监测鞋垫外部还涂有防水涂料，起到防水、防渗的作用，提高了智能监测鞋垫的使用寿命。压力传感器层2内对应人体足部的不同部位设置有用于测试脚部部位压力的压力传感器组，保证采集数据范围的完整，压力传感器组的主传感器211与辅传感器212的型号与规格以及辅传感器212的数目及环绕方式本发明不做具体限定，本领域技术人员可根据实际情况选用与确定。

优选的，压力传感器组的主传感器211与辅传感器212均采用多路薄膜压力传感器，主传感器211与辅传感器212的量程大小与外型规格不一致，辅传感器212的量程小于主传感器211的量程，主传感器211与辅传感器212共同实现对人体足底压力数据的精准采集并分别与电路模块4连接，实时将用户足底压力数据发送给电路模块4；辅传感器212的设置数目优选的如图3、图7所示，压力传感器组包括5个辅传感器212，5个辅传感器212以主传感器211为圆心均匀分布，主传感器211与辅传感器212的输出端分别与电路模块4连接，采用梅花分布式辅助压力检测的设计，每个足部应力点都采用一个主传感器211与5个辅传感器212，通过检测5个辅传感器212，确定足部应力点相对主传感器211的偏移量，从而为主传感器211提供偏移补偿，减小相对误差，进而提高了智能监测鞋垫数据采集的精度。以上只是一个优选实施方式，而不应该理解为对本发明实质内容的限制，另外本发明的辅传感器212可以根据其数目采用三角形、正多边形、或不规则的环绕方式，均属于本发明保护范围。本发明的智能监测鞋垫通过多个压力传感器组的设置从而实现整个足部不同部位压力的采集；电路模块4采用柔性电路板，提高智能监测鞋垫舒适度和耐用性。

在本发明的智能监测鞋垫的一些实施例中，如图6所示，多个压力传感器组分布设置在智能监测鞋垫对应于人体足部前掌、足中以及足跟的位置，从而实现可以对整个足部的不同部位压力的测试。优选的，压力传感器层2包括12个压力传感器组，其中：10个压力传感器组设置在前掌位置，分别对应于人体足部第一趾骨至第五趾骨以及第一跖骨至第五跖骨；1个压力传感器组设置在足中位置，且避开足弓设置；1个压力传感器组设置在足跟位置。具体的，多个压力传感器组按人体足部的关节位置布置，人体足部前掌包括第一趾骨到第五趾骨以及第一跖骨到第五跖骨，每个趾骨与跖骨的相应位置均布置有压力传感器组，足中与足跟位置也布置有压力传感器组，此种布置方式，能够采集到足部各个位置的压力数据，保证了数据的完整性，使得对足部的压力状态以及人体运动状态的分析结果更加准确与权威。为了描述方便，将上述12个压力传感器组进行标号，分别为第一压力传感器组7、第二压力传感器组8、第三压力传感器组9、第四压力传感器组10、第五压力传感器组11、第六压力传感器组12、第七压力传感器组13、第八压力传感器组14、第九压力传感器组15、第十压力传感器组16、第十一压力传感器组17、第十二压力传感器组18，第一压力传感器组7、第二压力传感器组8、第三压力传感器组9、第四压力传感器组10、第五压力传感器组11分别对应足部的第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨设置，第六压力传感器组12、第七压力传感器组13、第八压力传感器组14、第九压力传感器组15、第十压力传感器组16分别对应足部的第一跖骨、第二跖骨、第三跖骨、第四跖骨、第五跖骨设置，第十一压力传感器组17设置在足中，第十二压力传感器组18设置在足跟。

在本发明的智能监测鞋垫的一些实施例中，如图4所示，电路模块4包括压力信号采集电路、微处理器、无线发射电路以及电源电路，其中：压力信号采集电路一端与压力传感器组连接，另一端连接至微处理器；无线发射电路与微处理器连接；电源电路与微处理器连接并为电路模块供电。具体的，如图11所示，压力信号采集电路主要包括多路转换开关、信号调理电路、adc转换电路等，主传感器211与辅传感器212(薄膜压力传感器)分别通过多路转换开关、信号调理电路、adc转换电路后与电路模块4的微处理器连接，将用户足底的压力数据传输至微处理器；无线发射电路可以将微处理器接收的压力数据再次发送至智能手机、平板电脑或pda等移动终端，直观的显示给用户，无线发射电路可以采用蓝牙、wifi、gprs、sim卡等传输方式实现，本发明不做具体限定，均属于本发明保护范围，优选的，无线发射电路采用低功耗的无线蓝牙芯片进行传输；电源电路主要为微处理器供电，可以为聚合物锂电池，通过电源管理芯片，来控制锂聚合物电池的充放电，提高电源电路供电的稳定性与安全性。

进一步的，本发明的微处理器为arm主控制器，采用armcortex-m432位mcu+fpu，210dmips，高达1mbflash/192+4kbram，在flash存储器中实现零等待状态运行性能的自适应实时加速器(art加速器)、主频高达168mhz，mpu能够实现高达210dmips/1.25dmips/mhz(dhrystone2.1)的性能，具有dsp指令集；256kb/128kb闪存，以及32kb/16kbram。这款功能强大的高度灵活多协议器件确保智能监测鞋垫对各压力点的高频扫描，实现与移动终端的互可操作性。

进一步的，本发明的电源电路采用3.7v1000mah聚合物锂电池进行供电，通过b0305s-1wr2dc-dc升压电路将3.7v电源变换为+5v电源输出给高速5v稳压器rt9193-50的输入端，从而提供5v电压，采用asm1117dc-dc降压芯片为从而提供稳定的3.3v电压。

在本发明的智能监测鞋垫的一些实施例中，如图4所示，还包括六轴传感器以及六轴传感器电路，六轴传感器通过六轴传感器电路与微处理器连接，其中：微处理器根据六轴传感器输出数据计算人体足部运动速度，进而调整对压力传感器组的数据采样频率。具体的，为了精确跟踪人体快速与慢速运动，本发明的六轴传感器采用3轴加速度+3轴陀螺仪mpu6050传感器作为人体足部的姿态解算芯片，其中加速度计测量范围为±2g，陀螺仪可测量范围为±250；该六轴传感器集成一个片上1024字节的fifo，有助于降低系统功耗；采用400khz的i2c总线与微处理器通信，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1％变动的振荡器，具有可编程的低通滤波器；同时采用3.3v供电。采用六轴传感器实现对人体足部的速度姿态的测量解算，结合压力传感器，还可以实现运动步数的精准测量，具体的，微处理器中断检测3轴加速度传感器的数据，通过算法计算出人体足部的运动速度，从而调节微处理器对压力传感器组的采集频率，使数据采集更稳定精准。

在本发明的智能监测鞋垫的一些实施例中，如图4、图5所示，还包括定位电路，定位电路由gps定位电路、bds定位电路、以及wifi定位电路中的至少一种组成，其中：gps定位电路和/或bds定位电路还设置有agps辅助定位电路；wifi定位电路采用低功耗芯片实现定位，或通过sim卡lbs基站定位电路实现定位。优选的，本发明的定位电路同时采用gps定位电路、bds定位电路、agps辅助定位电路、wifi定位电路以及lbs基站定位电路，从而实现了智能监测鞋垫的精准定位。

进一步的，gps定位电路跟踪芯片采用高灵敏度bds/gps双模接收以及支持gps和bds的单系统定位和双系统联合定位功能的atgm332d，该芯片包含32个跟踪通道，可以同时接收所有的gps和bds可见卫星；wifi定位电路采用esp8226低功耗芯片实现，或者sim卡lbs基站定位电路实现。定位电路通过atgm332d采集的定位数据与时间信息，通过相关算法解算后，经微处理器通过无线发射电路发送至移动终端，实现对用户运动轨迹及位置的记录与查看。

在本发明的智能监测鞋垫的一些实施例中，如图4、图6所示，还包括红外测温传感器6以及测温电路，其中：红外测温传感器6以及测温电路透过上覆增敏层1设置在人体足部足弓位置；红外测温传感器6通过测温电路与微处理器连接。优选的，红外测温传感器6采用非接触式温度传感器mix90614芯片，实现人体足部温度的采集，用于检测糖尿病患者足部的温度变化。

在本发明的智能监测鞋垫的一些实施例中，如图2、图4所示，还包括压力发电层5以及充电电路，其中：压力发电层5设置在压力传感器层3与底部导电层3之间；压力发电层5通过充电电路与电源电路连接，为电源电路充电。具体的，压力发电层内设置有发电机，可以为压电陶瓷片、pvdf压电薄膜、纳米氧化锌发电机、摩擦发电机等，优选的采用pvdf压电薄膜。pvdf压电薄膜将足部压力转换成电量并通过充电电路存储至电源电路的聚合物锂电池，提高智能监测鞋垫的续航能力。

进一步的，充电电路为整流电路+滤波电路+稳压电路。稳压器的输出端能够给聚合物锂电池一个稳定的电压输出，以适合聚合物锂电池的充电特性，即ac-dc变换电路。当稳压芯片的充电电流为100ma时，单压电薄膜传感器(持续振动情况下)能够在8.2小时将1000mmh的聚合物锂电池完全充电。而采用多压电薄膜传感器时，相应的充电时间将缩短。

本发明的上述实施例智能监测鞋垫的智能监测系统，如图8所示，包括移动终端、后台服务器以及上述实施例的任一种智能监测鞋垫，其中：智能监测鞋垫与移动终端建立无线通信连接，将采集的数据传输给移动终端；移动终端与后台服务器建立无线通信连接，传输数据至后台服务器；后台服务器接收存储数据，并对数据进行大数据分析，并将分析结果发送给移动终端。

具体的，本发明的移动终端为支持android、ios、windows系统的移动平台，可以为智能手机、平板电脑或pda等，本发明不做具体限定；智能监测鞋垫与移动终端之间的无线通信连接以及移动终端与后台服务器之间的无线通信连接可以通过wifi、4g无线网络、或者蓝牙等实现；移动终端通过安装app实现接受智能监测鞋垫发送的运动数据，进行简单计算和显示，在离线状态下可对接收到的所有数据进行记录，并在联网状态下通过手动确认向后台服务器传送本地记录数据。本发明的app具有用户登录、导航界面、运动统计、健康分析、运动监测和数据上传六大功能显示界面，app的操作实现流程如图9所示。

1)登陆界面。用户在使用前须先在后台服务器注册，然后用注册过的帐号在本app登录，测试阶段使用的用户名为test，密码为123456，登陆完成后跳转至导航界面。

2)导航界面。进入导航界面，点击不同的图片即可进入不同的功能界面，例如健康分析、上传数据等。

3)运动监测界面。运动监测界面完成智能监测鞋垫的无线连接，运动数据监控，运动状态判断等等。界面最上方为站立、走路、坐、跑步四种运动状态的指示，分别有四个标识与状态相对应，标识后面的时间显示为每种状态持续的时间。下面接着是走路的步数统计、步频以及跑步的步数、步频。再往下是运动卡路里消耗和运动里程显示。最下方是连接按钮，在未连接状态下，点击按钮呼出查找蓝牙设备弹窗，点击查找并选中相应设备，连接完成后弹窗自动关闭；连接状态下点击按钮即可断开蓝牙连接。连接按钮上方为触底姿态检测，分别为外翻、正常和内翻指示。

4)数据上传界面。运动结束后，在连接wifi或者无线网络的情况下，通过数据上传功能可将移动终端app记录的运动数据从本地文件中读取出来，并根据移动终端的ip地址，将数据上传至后台服务器，由后台服务器对数据进行深度分析。

进一步的，后台服务器以b/s架构为基础开发的web服务终端，接收移动终端发送的运动数据，进行后台数据库的存储，并通过神经网络、机器学习算法进行大数据分析，提取系统模型，将结果显示在功能界面，同时在联网状态下通过人工智能算法为用户提供正确的矫正建议，实现精准用户推送。web服务端共有两大界面为用户登录注册界面和主界面，主界面包括个人信息显示，运动健身，步态分析，健康诊断等功能界面的实现。web服务端操作流程如图10所示，配套的手机或pc机等移动终端应安装浏览器，以chrome浏览器最佳。

界面操作介绍：

1)登陆界面。用户在使用前须先在后台服务器注册，然后用注册过的帐号在页面登录，测试阶段使用的用户名为2，密码为2，登陆完成后跳转至主页面。；

2)个人信息界面。进入主界面通过导航栏的个人信息，可以显示个人信息数据。

3)运动健身界面。运动健身页面可以以三种方式显示统计数据，用户可以自行选择要显示的时间来查看每个时间段的运动数据，其中折线图可以采用数据表单、折线图、柱状图三种方式显示。

4)步态分析界面。运动结束后，可回放运动时的足底压力状态，通过动态的压力云图更加直观的展现用户运动情况，压力云图右侧显示步态分析结果。

5)健康诊断界面。健康诊断页面通过对用户运动过程所有数据的分析、挖掘，准确实现对用户的步态分析、疾病诊断，输出诊断结果并提出正确的矫正建议，实现用户推送。

本发明的智能监测鞋垫,可以测试人体动态足底压力分布；具有良好的穿戴性,在日常活动中有助于用户了解自身足部健康状况、保持良好运动姿态。智能监测鞋垫的智能监测系统将大数据、云计算等人工智能算法应用于其中，使人们可以实时了解自身情况(如卡路里消耗、步数运动量、运动轨迹、糖尿病足等足部疾病)并得到及时的正确的矫正；另外，利用物联网大平台可以让后台管理、医疗等机构便捷正确的获取国民的身体健康指标。在确保传感器使用性能稳定后,搭建完整的测试系统,构成智能监测鞋垫。

本智能监测鞋垫及其智能监测系统通过对不同年龄、性别、运动习惯及与足部有关疾病的人群进行设备测试、数据采集与记录等工作，随着用户的增多，样本数据的积累，可以了解不同年龄、性别等人群的运动习惯，一方面能给用户本人提供适合的运动计划建议，另一方面将大大提高对与足部有关疾病的准确诊断，有助于某些疾病早期诊断和治疗效果的跟踪。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。