一种热电自供能的柔性脉搏测量装置

1.本发明涉及可穿戴技术领域，特别是涉及一种热电自供能的柔性脉搏测量装置。


背景技术：

2.可穿戴设备是一种直接穿在身上或是整合到用户的衣服或配件上的一种便携式设备。随着人们生产生活的需要，可穿戴设备日渐普及。其中，脉搏测量装置便是一种常见的可穿戴设备。
3.目前，脉搏测量装置的供能方式大多采用电子或电池供电，或者通过usb导线对可穿戴设备进行有线充电。前者虽然能够实时随身携带脉搏测量装置，但是在电池失去电能之后，如果处理不当会对环境产生严重危害；后者则是需要将可穿戴设备卸下进行充电。
4.而热电转换技术是将生产生活中的废热能转换为电能的有效方法，通过热电转换技术可以实现更高效率的能源利用，同时热电转换材料具有使用寿命长、绿色无污染、无噪声等优点。
5.但是，目前尚不存在将热电转换技术应用到脉搏测量装置上的热电自供能的柔性脉搏测试装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种热电自供能的柔性脉搏测量装置，实现了利用人体热能进行自供电的脉搏测量。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种热电自供能的柔性脉搏测量装置，所述柔性脉搏测量装置包括第一柔性热电薄膜、能量收集部件、脉搏测量部件；
9.所述第一柔性热电薄膜用于采集人体皮肤表面的热能，并将所述热能转换为电能；
10.所述能量收集部件分别与所述第一柔性热电薄膜、所述脉搏测量部件连接，所述能量收集部件用于存储所述电能，并在所述电能达到设定值后，利用达到设定值后的电能为所述脉搏测量部件供电；
11.所述脉搏测量部件设置在所述第一柔性热电薄膜上，所述脉搏测量部件用于测量人体的脉搏数据。
12.可选地，所述脉搏测量部件包括：
13.脉搏传感器，设置在所述第一柔性热电薄膜上，用于采集脉搏压力信号，并将所述脉搏压力信号转换为电信号；
14.数据采集模块，分别与所述能量收集部件和所述脉搏传感器连接，用于在所述能量收集部件所提供的电能的驱动下，采集所述脉搏传感器输出的电信号；
15.数据处理模块，分别与所述能量收集部件和所述数据采集模块连接，用于在所述能量收集部件所提供的电能的驱动下，根据所述电信号计算血压值和心率值。
16.可选地，所述能量收集部件和所述数据采集模块并排设置在所述脉搏传感器上；所述数据处理模块设置在所述能量收集部件和所述数据采集模块上。
17.可选地，所述热电自供能的柔性脉搏测量装置还包括：
18.第二柔性热电薄膜，设置在所述数据处理模块上，与所述能量收集部件连接，用于采集所述数据处理模块产生的热能，并将所述热能转换为电能；
19.所述能量收集部件用于对所述第二柔性热电薄膜传输的电能进行升压转换和存储。
20.可选地，所述数据采集模块还用于对所述电信号进行降噪、滤波和模数信号转换。
21.可选地，所述第一柔性热电薄膜包括衬底和设置在所述衬底上的一个或多个pn结；
22.所述衬底的材料为柔性材料。
23.可选地，所述pn结中n型半导体区的材料为ag2se，所述pn结中p型半导体区的材料为bi2te3。
24.可选地，所述第一柔性热电薄膜的面积为2cm2至5cm2。
25.可选地，所述脉搏传感器为柔性压力式传感器。
26.可选地，所述柔性脉搏测量装置还包括无线传输部件；
27.所述数据处理模块通过所述无线传输部件与远程终端连接，所述无线传输部件用于将所述血压值和心率值传输至所述远程终端。
28.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
29.通过第一柔性热电薄膜采集人体皮肤表面的热能，并将热能转换为电能；能量收集部件存储电能，并在电能达到设定值后利用达到设定值后的电能为脉搏测量部件供电；最后通过脉搏测量部件测量得到人体的脉搏数据。本发明提供的热电自供能的柔性脉搏测量装置不依赖于外部供电和机械供电，能够直接利用人体热能实现自供电，且装置简单，成本低、不会对环境造成污染。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明热电自供能的柔性脉搏测量装置的结构示意图；
32.图2为本发明热电自供能的柔性脉搏测量装置中柔性热电薄膜的工作原理示意图；
33.图3为本发明热电自供能的柔性脉搏测量装置的原理框图。
34.符号说明：
35.1—第一柔性热电薄膜，2—脉搏传感器，3—能量收集部件，4—数据采集模块，5—数据处理模块，6—第二柔性热电薄膜，7—人体皮肤。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明的目的是提供一种热电自供能的柔性脉搏测量装置，与传统可穿戴测量系统相比，具有自供能、舒适度高、无噪声等优点。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.人体是一个时时刻刻都向外界散发热量的生物体，虽然人体不同部位散发的热量略有差异，但人体的温度基本保持为37摄氏度左右，以25摄氏度的室温为例，利用人体体温与室温的温差在单位面积(1平方米)内可以稳定产生2.5伏、0.5毫安左右的电流。如果在可穿戴设备上贴上热电薄膜，收集由于温差产生的电能，则能够实现对于设备的自供能。
40.如图1所示，本发明提供一种热电自供能的柔性脉搏测量装置，包括第一柔性热电薄膜1、能量收集部件3、脉搏测量部件。所述第一柔性热电薄膜1用于采集人体皮肤7表面的热能，并将所述热能转换为电能；所述能量收集部件3分别与所述第一柔性热电薄膜1、所述脉搏测量部件连接，所述能量收集部件3用于存储所述电能，并在所述电能达到设定值后，利用达到设定值后的电能为所述脉搏测量部件供电；所述脉搏测量部件设置在所述第一柔性热电薄膜1上，所述脉搏测量部件用于测量人体的脉搏数据。
41.具体地，能量收集部件3选用ltc3107芯片，ltc3107是一款高度集成的dc/dc转换器，专为收集热电发生器和小型太阳能电池产生的极低电能而设计，其可以将20mv的电压储存并放大至2.2v或4.3v，而2.2v电压已可以驱动大部分数据处理芯片。
42.进一步地，所述脉搏测量部件包括脉搏传感器2、数据采集模块4和数据处理模块5。
43.脉搏传感器2设置在所述第一柔性热电薄膜1上，脉搏传感器2用于采集脉搏压力信号，并将所述脉搏压力信号转换为电信号。所述脉搏传感器为柔性压力式传感器，所述柔性压力式传感器用于将人体脉搏跳动的力学信号转换为电学信号。优选地，所述脉搏传感器为一种石墨烯材料的压力传感器，石墨烯材料质量轻、与皮肤共形且生物兼容，因此作为可穿戴传感器舒适度较高，同时石墨烯材料的灵敏度和鲁棒性都很高，非常适合作为压力传感器。当人体动脉搏动时人体体表压力会发生变化，该压力会使石墨烯压力传感器产生形变，从而使电阻发生变化，进而通过电阻的变化量即可推导出脉搏的波形信号。
44.数据采集模块4分别与所述能量收集部件3和所述脉搏传感器2连接，数据采集模块4用于在所述能量收集部件3所提供的电能的驱动下，采集所述脉搏传感器2输出的电信号。具体地，所述数据采集模块4包括滤波降噪电路和模数转换器，所述数据采集模块4用于对所述电信号进行降噪、滤波和模数信号转换，以将脉搏传感器采集到的脉搏的波形信号转换为数字电信号。
45.据统计，一位健康的成年人每分钟脉搏跳动在60到100次之间，青少年脉搏跳动稍快，大约每分钟120次，老年人则更慢，大约每分钟50次。因此可以使用带通滤波器滤除低于0.5赫兹和高于10赫兹的信号，以到达滤波降噪的目的，减少后续模数转换器的工作量。
46.而由于后续脉搏波处理算法模型对原始脉搏波信号精度要求较高，因此需要采用较高分辨率的模数转换器，同时受限于单位时间内能量采集部件3的输出功率，模数转换器的功耗需控制在毫瓦量级。在一个具体实施例中，模数转换器选用ads7867低功耗模数转换器芯片，其供电电压为1.2v，可以由ltc3107的2.2v输出电压经过分压电路后得到，ads7867具有8位的高分辨率，输出噪声低，同时功耗仅为0.22mw。
47.数据处理模块5分别与所述能量收集部件3和所述数据采集模块4连接，数据处理模块5用于在所述能量收集部件3所提供的电能的驱动下，根据所述电信号计算血压值和心率值。所述数据处理模块包括数据处理芯片，数据处理芯片通过成熟的数学模型对脉搏波信号进行转换，得到准确度高的血压值和心率值等心血管基础指标。在一个具体实施例中，数据处理芯片选用apollo3 blue wireless soc芯片，apollo3 blue wireless soc芯片是一款具有蓝牙传输功能的超低功耗处理芯片。并且，apollo3 blue需要的供电电压为2.2v，可以直接由ltc3107供给，其内部集成了一个32位arm cortex-m4f微处理器，并拥有384kb的sram，足以部署脉搏波处理算法(成熟的数学模型)，同时通过亚阈值功率优化技术，apollo3 blue在96mhz的工作频率下消耗的功率仅为6μa/mhz。
48.进一步地，所述能量收集部件3和所述数据采集模块4并排设置在所述脉搏传感器2上；所述数据处理模块5设置在所述能量收集部件3和所述数据采集模块4上。
49.优选地，所述热电自供能的柔性脉搏测量装置还包括第二柔性热电薄膜6。第二柔性热电薄膜6设置在所述数据处理模块5上，第二柔性热电薄膜6与所述能量收集部件3连接，第二柔性热电薄膜6用于采集所述数据处理模块5产生的热能，并将所述热能转换为电能；所述能量收集部3件还用于对所述第二柔性热电薄膜6传输的电能进行升压转换和存储。
50.所述柔性脉搏测量装置还包括无线传输部件；所述数据处理模块通过所述无线传输部件与远程终端连接，所述无线传输部件用于将所述血压值和心率值传输至所述远程终端。具体地，无线传输部件为蓝牙模块，由apollo3 blue处理得出的血压值和心率值通过蓝牙模块传输至移动设备端(远程终端)供用户查看。
51.本发明的具体实施例中，脉搏传感器2设置在第一柔性热电薄膜1上，能量收集部件3和数据采集模块4并排设置在脉搏传感器2上，数据处理模块5设置在能量收集部件3和数据采集模块4上，第二柔性热电薄膜6设置在数据处理模块5上，且在数据处理模块5中还集成了一个蓝牙模块，通过上述堆叠集成得到一个高度集成化的热电自供能的柔性脉搏测量装置。
52.如图3，所述柔性脉搏测量装置的原理如下：
53.通过第一柔性热电薄膜1将热电自供能的柔性脉搏测量装置设置在人体皮肤上，第一柔性热电薄膜1通过人体和外界的温差持续向能量收集部件3供电；当能量收集部件3对收集到的电能进行升压转换和存储，当储存足够电能后，能量收集部件3同时为数据采集模块4和数据处理模块5供电，使数据采集模块4和数据处理模块5开始工作，且在能量收集部件未采集到足够能量时皆为关闭状态；数据采集模块4首先读取柔性脉搏传感器传输的脉搏信号，数据处理模块5再对数据采集模块4得到的脉搏数据进行处理，得到血压和心率信息；最后通过蓝牙模块将血压和心率信息发送至远程终端供用户查看，同时数据处理模块5在工作时的散热也可以被第二柔性热电薄膜转换为电能输送至能量收集部件，进而为
数据采集模块4和数据处理模块5供电。
54.具体地，所述第一柔性热电薄膜1包括衬底和设置在所述衬底上的一个或多个pn结；所述衬底的材料为柔性材料。在所述第一柔性热电薄膜1中包括多个pn结时，多个pn结串联连接。
55.所述第一柔性热电薄膜1可以完美贴合皮肤，不会对日常生活行动带来影响，同时也利于与柔性脉搏传感器结合。如图2为柔性热电薄膜的工作原理，当柔性热电薄膜一端的温度高于另一端时，由于热激发作用，高温端热电薄膜中p型材料的空穴和n型材料的电子浓度上升，从而空穴和电子会向低温端扩散，形成电势。当热电材料两端温差为δt时，产生的电势ε为：
56.ε＝α
·
δt。
57.其中，α为热电转换材料的塞贝克系数，单位为v/k，本发明中使用的单个pn结柔性热电薄膜的塞贝克系数α约为200μv/k。其中所述pn结中n型半导体区的材料是ag2se，所述pn结中p型半导体区的材料为bi2te3，与传统热电薄膜相比，使用这两种材料得到的pn结，可以在保持热电薄膜塞贝克系数的同时，使薄膜的内阻降低3至4个数量级。此外，单个pn结柔性热电薄膜的面积越大，薄膜内阻大，输出电流减小；面积越小薄膜塞贝克系数小，输出电压小。在本发明实施例中，柔性热电薄膜的面积优选2cm2至5cm2，进一步地，当柔性热电薄膜的面积为3cm
×
1cm时，能够达到更好的热电转换效果。
58.以人体温度37摄氏度，室温25摄氏度为例，单个pn结热电薄膜可以产生2.4mv的电压，通过在热电薄膜内串联多个pn结，便可以产生超过20mv的电压。在本发明具体实施例中，所述能量收集部件3将第一柔性热电薄膜产生的毫伏级别微小电压通过储能电路和dc/dc转换器升压至数伏，为后续的脉搏测量部件供电。室温下，本发明中柔性热电薄膜产生的电压一般不超过30mv，因此要求能量收集部件3最小输入电压低于30mv，同时输出电压驱动后续的数据采集模块4和数据处理模块5。
59.所述第二柔性热电薄膜的功效与所述第一柔性热电薄膜的功效完全相同。
60.为了从脉搏中获得更精确且多样的人体生理状态，一种常见的方法是将多个柔性脉搏传感器分布在人体不同部位的动脉位置，例如可以将柔性脉搏传感器贴在脖颈、手腕、胳膊和腿部，分别检测身体各个部位动脉的脉搏波形，通过分析获得的多个脉搏波形可以得到非常准确的血压和心率数值。
61.相对于现有技术，本发明还具有以下优点：
62.(1)本发明热电自供能的柔性脉搏测量装置主要利用人体和室温的温差实现脉搏测量系统的自供电，既不依赖于外部供电，也不依赖于机械输入，节能环保，且具有无噪音、无污染、使用寿命长、性能稳定等优点。
63.(2)本发明热电自供能的柔性脉搏测量装置中热电薄膜和脉搏传感器均为柔性材料，与人体贴合度高，相较于硬质可穿戴设备，对日常生活行动影响小，且舒适度高。
64.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
65.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。