一種穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)，包括傳感節(jié)點以及用于傳感節(jié)點傳輸信號的總線和接口，傳感節(jié)點包括一個主節(jié)點和多個從節(jié)點，各從節(jié)點將各自的傳感信號通過各自的接口傳遞到總線上，主節(jié)點的自身傳感信號以及通過接口由總線獲取的各從節(jié)點的傳感信號以無線藍牙方式發(fā)送至外部接收終端進行分析處理；總線包括位于同一中心點、由內向外逐步增大并之間絕緣的五圈環(huán)形導電織物線，分別定義為電源線VCC、地線GND、信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY，多圈環(huán)形導電織物線固定連接在上衣的前胸部位并覆蓋絕緣布，絕緣布與上衣固定連接。
【專利說明】一種穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)，屬于傳感器【技術領域】。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)可穿戴式人體生理信號與運動信號傳輸，適用于康復醫(yī)療、運動監(jiān)測等多個領域。
【背景技術】
[0002]隨著人口老齡化程度加深，老年人的生理健康監(jiān)護越來越受到人們的關注，應用可穿戴技術，可實現(xiàn)人體的多種生理參數(shù)的健康監(jiān)護，多種生理參數(shù)一般為人體的心電信號、脈搏信號及血氧信號等，通過穿戴這些傳感器，實現(xiàn)穿戴化生理信號監(jiān)測。由于需要對人體的多種信號進行監(jiān)護，穿戴的傳感器之間需要進行通信，一般采用無線連接方式，此時傳感器節(jié)點為一個具有無線通信功能的傳感節(jié)點，應用無線藍牙通信協(xié)議或ZigBee無線通信協(xié)議等一些短程無線通信協(xié)議，實現(xiàn)傳感節(jié)點間的無線傳輸。這種傳感節(jié)點通過節(jié)點本身的電池進行供電，用于提供節(jié)點采樣所需的能耗以及無線通信的能耗，一般無線通信的能耗為節(jié)點采樣能耗的10倍以上，故節(jié)點大量能耗用于節(jié)點間無線通信，節(jié)點壽命較短，當節(jié)點電池耗盡后則需要更換新的電池方可以進行傳感，更換電池麻煩，不利于長時間的生理參數(shù)監(jiān)護。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明目的是設計一種穿戴式的導電織物傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用導電織物總線將傳感器的傳感數(shù)據(jù)進行傳輸，并可通過總線對傳感器進行有效控制。利用導電織物柔性、可導電特點，并對該柔性導電織物進行絕緣密封處理，優(yōu)化導電織物與傳感節(jié)點的接口，達到支持即插即用的可穿戴式傳感。
[0004]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:一種穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)，包括傳感節(jié)點以及用于傳感節(jié)點傳輸信號的總線和接口，各傳感節(jié)點與人體監(jiān)測部位相對應，其特征在于，傳感節(jié)點包括一個主節(jié)點和多個從節(jié)點，各從節(jié)點將各自的傳感信號通過各自的接口傳遞到總線上，主節(jié)點的自`身傳感信號以及通過接口由總線獲取的各從節(jié)點的傳感信號以無線藍牙方式發(fā)送至外部接收終端進行分析處理；其中:
[0005]總線包括位于同一中心點、由內向外逐步增大并之間絕緣的五圈環(huán)形導電織物線，分別定義為電源線VCC、地線GND、信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY，VCC的電壓范圍為3.3V至36V，GND為0V，剩余的3根信號線TXD、RXD及BUSY作為邏輯電平，OV代表邏輯O輸出，3.3V代表邏輯I輸出；多圈環(huán)形導電織物線固定連接在上衣的前胸部位并覆蓋絕緣布，絕緣布與上衣固定連接；
[0006]每個傳感節(jié)點設有一個接口，該接口為一對互相對應連接的金屬暗扣，暗扣上設有五個連接點，其中一半上的五個連接點分別通過與衣服固定的導電織物線連接總線的電源線VCC、地線GND、信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY，另一半上的五個連接點對應連接各傳感節(jié)點；
[0007]主節(jié)點包括鋰電池、藍牙模塊、傳感器模塊和微控制器，鋰電池除向主節(jié)點內的各模塊供電外，其正極還通過接口連接總線的電源線VCC，負極連接總線的地線GND，傳感器模塊及藍牙模塊分別通過SPI總線及串口與微控制器雙向連接，微控制器通過接口分別連接總線的信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY ；
[0008]從節(jié)點不設電源，包括傳感器模塊和微控制器，由總線的電源線VCC和地線GND通過接口連接從節(jié)點的對應連接點，向從節(jié)點提供電源，傳感器模塊通過SPI總線與微控制器雙向連接，微控制器通過接口分別連接總線的信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY ；
[0009]所說環(huán)形導電織物線為橢圓形，橢圓中心為衣服的中心，橢圓的長軸為衣服的垂直中心線，最外圈橢圓的長軸半徑IOOmm~400mm,短軸半徑50mm~200mm,每圈導電織物線的寬度2mm~15mm,導電織物線依次從最外側橢圓形向中心依次排列布置,各圈導電織物線的間距4mm~30_。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點及其效果:
[0011]1)導電織物傳感系統(tǒng)的信號傳輸總線采用柔性導電織物，可以隨人體的運動進行活動，不會對其傳輸信號造成影響；
[0012]2)柔性導電織物總線通過絕緣布料進行絕緣，總線內部的織物導線之間為封閉絕緣，與普通導線相比，可與衣服縫合相連，更好的與穿戴的衣物融合，布線等方式簡單；
[0013]3)柔性導電織物總線由主節(jié)點進行供電，其余從節(jié)點可通過該總線獲取電源，彌補了一般總線不能提供電源缺點；導電織物總線固定方式簡單，可通過縫紉、針織的方式與衣服連接；
[0014]4)導電織物總線上的金屬暗扣與傳感節(jié)點的金屬暗扣采用陰陽扣對應插接，支持“即插即用”的總線信號傳感，不需要時可直接取走該傳感裝置，使用方便，并可通過合理的排列方式，實現(xiàn)插接的唯一性，防止插錯；
[0015]5)導電織物總線質量輕，與織物相結合后，直接制成可穿戴衣服，從而實現(xiàn)隱形感知目的；
[0016]6)導電織物總線支持多傳感節(jié)點接入，通過總線上增加金屬暗扣，即可通過插入新的傳感節(jié)點，從而實現(xiàn)多傳感量的傳感；
[0017]7)傳感節(jié)點可通過總線進行實時控制，當需要時設置為工作狀態(tài)，不需要時可設置為低功耗狀態(tài)，實現(xiàn)可測可控功能；
[0018]8)采用多圈環(huán)形導電織物總線通信方式，當某圈線路出現(xiàn)斷路時，依然可通過環(huán)形導線進行傳感，因此系統(tǒng)的可靠性增強。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)的總體結構；
[0020]圖2是主節(jié)點的結構方框圖；
[0021]圖3是從節(jié)點的結構方框圖；
[0022]圖4是導電織物線與衣服的固定連接圖；
[0023]圖5是導電織物線與接口的連接圖；
[0024]圖6是金屬暗扣的結構圖；
[0025]圖7是從節(jié)點與總線之間的關系圖；[0026]圖8是總線工作時序圖；
[0027]圖9是環(huán)形導電織物總線防斷路原理；
[0028]圖10是本發(fā)明系統(tǒng)的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0029]參看圖1、4、5，本發(fā)明穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)包括一個主節(jié)點、多個從節(jié)點(圖中上方2個)、導電織物總線和總線接口，傳感節(jié)點將傳感信息發(fā)送至總線，由總線上的主節(jié)點發(fā)送給藍牙接收端。傳感節(jié)點由總線接口與總線連接。其中，主節(jié)點向系統(tǒng)提供電源，并以無線藍牙方式傳輸來自總線上的信息；從節(jié)點通過系統(tǒng)獲取電源，并將傳感得到的信息發(fā)送到總線上。導電織物總線為五圈封閉的橢圓線D1、D2、D3、D4，D5 (也可以是圓形、矩形等)，由外向內分別定義為電源線VCC、地線GND、狀態(tài)信號線BUSY、信號輸入線RXD、信號輸出線TXD。其中VCC的電壓范圍為3.3V到5V，GND為0V，剩余的3根信號線作為邏輯電平，即OV代表邏輯O輸出，3.3V代表邏輯I輸出?？赏ㄟ^織物線H1、H2、H3、H4、H5分別縫制固定于衣服上。在五圈封閉的橢圓線的外表面覆蓋絕緣布料，其形狀面積應覆蓋導電織物線形成的橢圓區(qū)域，通過織物線Jl、J2、J3、J4和J5縫制固定在衣服上，橢圓中心ο即是衣服的中心。選用橢圓狀結構是參考衣服的結構一般是長方形，由于穿戴式的傳感一般需要檢測的部位不在衣服的邊緣，如檢測心電是在人體心臟部位，故結合所需的傳感量，設計選用了橢圓狀作為導電織物形狀，同時橢圓形相比長方形節(jié)省布料，同時覆蓋面積較廣，使得導電織物結構最優(yōu)化處理。五圈封閉的橢圓形導電織物總線D1、D2、D3、D4，D5分別通過5條外表絕緣、與衣服固定的導電織物線L1、L2、L3、L4、L5分別與接口上的5個連接點連接。
[0030]主節(jié)點如圖2，包括鋰電池、藍牙模塊、傳感器模塊和微控制器。主節(jié)點連入總線后，通過將鋰電池直接連入總線的VCC和GND線，實現(xiàn)對總線的電源供給，同時鋰電池對主節(jié)點進行供電，使得節(jié)點能夠正常工作。微控制器的串口 I讀取總線的數(shù)據(jù)后，又通過微控制器的串口 2連接藍牙模塊的`串口，從而將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。主節(jié)點本身具有傳感功能，微控制器通過SPI總線讀取傳感器的數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)直接通過串口 2發(fā)送給藍牙模塊的串口。
[0031]從節(jié)點如圖3，包括傳感器模塊和微控制器，接入總線的從節(jié)點通過VCC和GND獲取電源實現(xiàn)正常的工作電壓，微控制器通過內部總線SPI總線讀取傳感器的數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集，此時從節(jié)點的微控制器將數(shù)據(jù)存放至發(fā)送緩沖中，并進入發(fā)送數(shù)據(jù)準備階段；其后，微控制器實時讀取總線BUSY信號線的電平信號，若電平信號為高電平時，則表示總線處于空閑時，微控制器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線的TXD線，若為低電平，則表示總線處于忙碌狀態(tài)，微控制器等待直到總線為空閑狀態(tài)；由于總線為雙向總線，故接入總線上的設備可通過總線RXD信號線實時讀取總線上的數(shù)據(jù)，通過總線指令從而控制從節(jié)點的工作狀態(tài)。
[0032]如圖6，總線接口采用一對陽、陰結構扣的金屬暗扣，固定在橢圓的外側。一半為陽扣，另一半為陰扣，每一半上都設有5個連接點，其中一半上的五個連接點分別通過與衣服固定的導電織物線連接總線的電源線VCC、地線GND、信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY，另一半上的五個連接點對應連接各傳感節(jié)點。與總線連接的一半通過針線固定在衣服上，與傳感節(jié)點連接的一半則是通過焊錫技術固定在傳感節(jié)點的焊盤上?？梢栽O計一種五個連接點的排列方式，使得陽、陰扣之間具有唯一的插接，防止插錯連接。
[0033]本發(fā)明系統(tǒng)的工作原理如圖7、8、9，系統(tǒng)由主節(jié)點向總線提供電源；同時主節(jié)點實時讀取BUSY線從而判斷總線工作狀態(tài)，若檢測到BUSY線為高電平，則表示總線處于空閑狀態(tài)，此時可以通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)，反之則否；并且主節(jié)點串口 I于總線進行連接，由主節(jié)點的RXDl接收總線上TXD線的信息，并且通過主節(jié)點的TXDl發(fā)送信息至總線上RXD線；對于通信部分，主節(jié)點通過串口 2與藍牙模塊連接，實時將數(shù)據(jù)通過串口 2的TXD2發(fā)送數(shù)據(jù)至藍牙模塊的RXD，并由主節(jié)點RXD2接收來自藍牙模塊上的信；最后通過將總線接收的信息通過藍牙模塊以無線藍牙方式發(fā)送給藍牙接收終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。
[0034]系統(tǒng)信號傳輸總體分為兩種，第一種傳輸方向為從節(jié)點傳感至藍牙模塊，另一種為從藍牙模塊至傳感節(jié)點。對于第一種傳輸方向，如圖7、8所示，系統(tǒng)包括兩個從節(jié)點1、2和主節(jié)點，系統(tǒng)上電后，BUSY信號線為高電平，從節(jié)點I完成信號傳感后，開始讀取BUSY信號，當判斷總線為高電平后，從而判斷總線為空閑狀態(tài)，將BUSY拉低電平通過總線TXD線發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完后，將BUSY信號線拉高電平并進入休眠狀態(tài)，等待下一定時中斷進行傳感信號；此時從節(jié)點2也在進行傳感信號，完成后讀取BUSY信號線，當發(fā)現(xiàn)BUSY位低電平后，等待BUSY為高電平，當BUSY線為高電平后，從節(jié)點2開始發(fā)送，將BUSY線拉低電平，發(fā)送完成后將BUSY線拉高電平，其后進入休眠狀態(tài)，等待下一定時中斷進行傳感信號；對于主節(jié)點則通過判斷BUSY信號線，當發(fā)現(xiàn)為低電平時，則從總線TXD讀取信號，主節(jié)點讀取后的信息通過端口 TXD2發(fā)送數(shù)據(jù)至藍牙串口，再由藍牙模塊將數(shù)據(jù)直接發(fā)送出去。主節(jié)點本身具有傳感功能，進行傳感后直接通過主節(jié)點端口 TXD2發(fā)送數(shù)據(jù)至藍牙串口，再由藍牙模塊將數(shù)據(jù)直接發(fā)送出去。[0035]對于第二種系統(tǒng)傳輸方向即從藍牙模塊至傳感節(jié)點，當藍牙模塊接收數(shù)據(jù)后，藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至主節(jié)點RXD2上，主節(jié)點通過判斷總線BUSY信號線，當BUSY信號線為低電平時，則進入等待BUSY線狀態(tài)，當判斷BUSY線為高電平時，則進行向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，此時主節(jié)點通過TXDl向總線RXD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時將BUSY線拉低電平，發(fā)送完數(shù)據(jù)后，拉高BUSY信號線；此時的從節(jié)點I實時讀取總線RXD信號線，當讀取完數(shù)據(jù)后自動根據(jù)控制命令進行工作狀態(tài)變化，實現(xiàn)對從節(jié)點的控制；同樣，從節(jié)點2實時接收總線RXD信號線，并更具控制命令進行工作狀態(tài)的相應變化。
[0036]如圖9所示，當某一段橢圓線出現(xiàn)斷路現(xiàn)象時，若該導電織物總線為線性結構，那么節(jié)點間斷路時將發(fā)送節(jié)點不能正常工作現(xiàn)象，影響系統(tǒng)正常工作，而采用了環(huán)狀的導電織物總線結構，那么當總線某處發(fā)生斷路時，節(jié)點間將通過環(huán)狀結構的織物總線的另一側未斷路處進行傳感，此時，即使總線發(fā)送斷路現(xiàn)象，仍然可以正常工作。
[0037]實施例:具有3個傳感節(jié)點接口的導電織物傳感系統(tǒng)，該導電織物傳感系統(tǒng)總體結構為橢圓狀，長軸為400mm,短軸為300mm,該橢圓中心位于衣服的中心位置,3個傳感節(jié)點接口位置分別為橢圓的左上角、右上角以及左下角位置，其中左下角傳感節(jié)點為主節(jié)點，左上角及右上角傳感節(jié)點為從節(jié)點，總線之間絕緣，總線附著底面為絕緣布料，其表面也為絕緣布料。如表1所示，導電織物總線包括了 VCC、GND、TXD、RXD以及BUSY線，分別為總線電源正極、電源地線、信號輸出、信號輸入以及狀態(tài)信號線，其中VCC的電壓范圍為3.3V到36V, GND為0V，剩余的3根信號線作為邏輯電平，即OV代表邏輯O輸出，3.3V代表邏輯I輸出。主節(jié)點向總線提供電源，從節(jié)點通過總線獲取電源。表1:[0038]
【權利要求】
1.一種穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)，包括傳感節(jié)點以及用于傳感節(jié)點傳輸信號的總線和接口，各傳感節(jié)點與人體監(jiān)測部位相對應，其特征在于，傳感節(jié)點包括一個主節(jié)點和多個從節(jié)點，各從節(jié)點將各自的傳感信號通過各自的接口傳遞到總線上，主節(jié)點的自身傳感信號以及通過接口由總線獲取的各從節(jié)點的傳感信號以無線藍牙方式發(fā)送至外部接收終端進行分析處理；其中: 總線包括位于同一中心點、由內向外逐步增大并之間絕緣的五圈環(huán)形導電織物線，分別定義為電源線VCC、地線GND、信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY，VCC的電壓范圍為3.3V至36V，GND為0V，剩余的3根信號線TXD、RXD及BUSY作為邏輯電平，OV代表邏輯O輸出，3.3V代表邏輯I輸出；多圈環(huán)形導電織物線固定連接在上衣的前胸部位并覆蓋絕緣布，絕緣布與上衣固定連接； 每個傳感節(jié)點設有一個接口，該接口為一對互相對應連接的金屬暗扣，暗扣上設有五個連接點，其中一半上的五個連接點分別通過與衣服固定的導電織物線連接總線的電源線VCC、地線GND、信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY，另一半上的五個連接點對應連接各傳感節(jié)點； 主節(jié)點包括鋰電池、藍牙模塊、傳感器模塊和微控制器，鋰電池除向主節(jié)點內的各模塊供電外，其正極還通過接口連接總線的電源線VCC，負極連接總線的地線GND，傳感器模塊及藍牙模塊分別通過SPI總線及串口與微控制器雙向連接，微控制器通過接口分別連接總線的信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY ； 從節(jié)點不設電源，包括傳感器模塊和微控制器，由總線的電源線VCC和地線GND通過接口連接從節(jié)點的對應連接點，向從節(jié)點提供電源，傳感器模塊通過SPI總線與微控制器雙向連接，微控制器通過接口分別連接總線的信號輸出線TXD、信號輸入線RXD及狀態(tài)信號線BUSY。
2.根據(jù)權利要求1所述`的穿戴式導電織物傳感系統(tǒng)，其特征在于，環(huán)形導電織物線為橢圓形，橢圓中心為衣服的中心，橢圓的長軸為衣服的垂直中心線，最外圈橢圓的長軸半徑100mnT400mm，短軸半徑50mnT200mm，每圈導電織物線的寬度2mnTl5mm，導電織物線依次從最外側橢圓形向中心依次排列布置，各圈導電織物線的間距4mnT3Omm。
【文檔編號】A61B5/00GK103815876SQ201410089161
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權日:2014年3月12日
【發(fā)明者】李建清, 吳劍鋒, 楊華, 羅堪, 蔡志鵬 申請人:東南大學