基于FSR的可穿戴式足底压力检测系统

邓 翔，佃松宜，翁 桃

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

0 引言

足底压力的大小与分布反映了人体腿、足部结构及功能等信息［1］。当人体腿部或足部发生病变时，足底的压力分布会相应地发生变化，通过检测和分析足底压力与相关参数，可以获取人体的某些生理或病理信息，这对临床医学诊断、疾患程度测定、术后疗效评价、康复研究等均有重要意义［2］。

足底压力分布测量已进行了20多年的研究，其发展历经了足印技术、足底压力扫描技术、力板与测力台技术、压力鞋与鞋垫技术，其中，压力鞋与鞋垫能够实时测量连续的步态压力分布，便于进一步数字化分析处理，应用前景越来越被看好［3］。最新研究的压力鞋和鞋垫是将传感器布置在鞋或鞋垫内，而信号处理与控制部分仍然由人体携带，如美国的 F-Scan 系统［4］、德国的 Novel Pedar-X 系统［5］和比利时的RSscan系统［6］，有系统过于庞大、不便于动态分析和携带等局限。本文提出了一种便携式人体足底压力检测系统的设计方法，将所有器件集成于鞋垫之中，具有体积小、易于携带等特点，实现了多路足底压力的可穿戴式检测、无线数据传输、显示及存储的功能。

1 系统结构设计

系统由足底压力检测模块、信号调理模块、中央控制模块、无线传输模块、低功耗管理模块和LabVIEW图形化显示模块六部分组成，总体结构如图1所示。

前5个模块构成系统的硬件部分，集成于鞋垫内部。足底压力检测模块中的6路力敏电阻器(force sensing resistor，FSR)采集足底6个部位的压力信号，且经过信号调理模块的转换和放大后送到中央控制模块。无线传输模块通过Zig Bee网络把打包后的压力信号发送到计算机上，再由LabVIEW软件实时显示和存储足底压力的波形。此外，低功耗管理模块根据足底压力的有/无可让系统在正常运行模式与低功耗运行模式间切换。

图1 系统框图Fig 1 Block diagram of system

2 硬件设计

2.1 足底压力检测的设计

压力传感器选择薄片式的FSR402，该传感器由高分子聚合物薄膜构成，长度为53 mm，敏感部位的直径为7.6 mm，厚度为0.3 mm，具有纤薄、轻柔、小巧等特点，适合足底压力的检测。随着表面压力的增加，FSR的电阻值减小，并具有较好的灵敏度［7］。

压力信号测量电路将足底压力引起的FSR电阻的变化转换为电压信号，输出到中央控制模块完成数据采集。由于FSR是压阻型传感器，且电导率与压力值是线性关系［7］，因此，压力信号测量电路采用运放同相放大的结构，如图2所示。

图2 压力信号测量电路图Fig 2 Measurement circuit of pressure signal

压力信号测量电路的输出表达式

式中 Vout1为第一路压力信号的电压值，Rs1为第一路压力传感器的电阻值。经计算，电路输出为0.55 V时，电压纹波的幅值约为6mV，噪声最大占1.1%，满足了足底压力测量的基本要求。

2.2 低功耗的设计

本设计考虑了穿戴式检测工具的携带方便和低功耗要求，选用了功耗低和尺寸小的芯片。中央控制模块采用MSP430F249单片机，其突出的低功耗和小尺寸特性，特别适合便携式设备的应用;无线传输模块采用低电流消耗的CC2500模块;压力测量电路亦采用低功耗的MCP6004运放，其供电电压可低至1.8 V。

系统有2种工作模式，即正常工作模式和低功耗工作模式。如图3所示，在正常模式下，中央控制模块通过切换开关控制电源VCC-2导通，电源VCC-1断开，让低功耗唤醒电路停止工作来节省电能;在低功耗模式下，中央控制模块使电源VCC-1导通，电源VCC-2断开，使压力检测模块、信号调理模块和无线传输模块停止供电以降低功耗。2种工作模式可以根据足底压力的有/无进行切换。

图3 系统供电部分框图Fig 3 Block diagram of system power supply

低功耗唤醒电路的设计如图4所示，采用FSR与精密电阻器分压，再将此电压输入到三极管的基极。当传感器无压力输入时，INT-FSR处电压VCC-1为(3.3 V)，此时三极管处于关断的状态，INT-CPU处的电压约为0 V。随着输入传感器的压力增大，传感器的阻值减小，INT-FSR处的电压降低，INT-CPU处电压变为高电平，产生一个上升沿中断触发信号，实现系统由低功耗模式向正常工作模式的转换。

图4 低功耗唤醒电路Fig 4 Low power consumption wake-up circuit

2.3 鞋垫的设计

鞋垫采用PU(polyurethane)型材料，PU是一种高分子聚氨脂合成材料，具有重量轻、缓冲能力强、不易被压扁等特点。鞋垫由2层构成，下面一层是主电路层，放置传感器、电路板和电池等;上面一层是保护层，覆盖在主电路层上，起保护器件的作用。其中，电路板和电池放置在硬质塑料盒内，不仅可以防止元器件被损坏，而且具有防潮、防静电的作用。电路板长43 mm，宽24 mm，厚6 mm，能非常方便地置入鞋垫内。

2.4 传感器的分布

研究表明:腿部或足部发生病变患者足底压力较高的5个区域依次为足底中部、足后跟外侧、足后跟内侧、第二跖骨和第一趾骨［8］。此外，第三跖骨的峰值压力在某些病变条件下也显著增高［9］，因此，传感器的分布位置为如图5所示的6个检测点。

图5 压力传感器分布位置图Fig 5 Distribution location of pressure sensors

3 软件设计

3.1 数据采集和滤波

系统利用单片机的A/D转换模块实现数据采集，具有12位的精度，采样速度可达1 kHz。A/D转换采用多路复用转换模式，通过查询方式依次读取每一通道的数据。

由于人体98%的足底压力信号频率低于10 Hz，99%的足底压力信号频率低于15 Hz［10］，故系统的数字滤波设计为截止频率约为25 Hz的FIR低通滤波器。

3.2 无线通信程序的设计

无线通信程序包括足底压力检测鞋垫通信部分和计算机通信部分。两者的通信是双向的，鞋垫向计算机发送压力和状态信息，计算机向鞋垫发送命令和状态信息。无线传输的不稳定性经常导致数据传输出现丢包，故在通信程序中加入了错误重传机制。压力信号经CC2500无线模块发送后，不会立即被刷新，而是保存在256字节的数据缓存区内。若鞋垫收到计算机丢包的状态反馈时，前一次的压力信号可重新传送。设置的无线传输速率为50 kbps，可保证数据传输的实时性。

3.3 模式转换程序的设计

系统采集足底6个部位的压力信号，并判断是否全为0。如果2次判断全为0，系统进入低功耗状态，并且一旦再次有压力输入时，电路会产生一个脉冲信号，将系统从低功耗工作模式切换到正常工作模式;如果6个部位的压力信号不全为0，系统将压力信号滤波、打包等处理后发送到计算机上，并用LabVIEW软件显示和存储压力信号，系统软件的流程图如图6所示。

图6 系统流程图Fig 6 Flow chart of system

4 实验结果与分析

4.1 实验平台

实验平台由足底压力检测鞋垫和计算机构成，如图7所示。压力检测鞋垫置于普通的鞋内，当人体踩在鞋垫上时，系统进入工作模式，采集足底的压力信号并发送到计算机上;当不踩鞋垫时，系统自动进入低功耗模式，并定时巡检压力是否变化。

图7 实验平台Fig 7 Experimental platform

4.2 实验数据分析

对足底压力波形进行分析，其中，波形 a，b，c，d，e，f分别表示足底中部、第三跖骨、第一趾骨、足后跟内侧、足后跟外侧和第二跖骨6个足底部位的压力信息。当人体静止踩在鞋垫上时，6个位置的压力变化不一致，足跟两侧的压力显著增大，足弓处的压力也明显增大，其他部位压力变化不大，如图8所示。

图8 静止时足底压力的波形Fig 8 Waveform of the plantar pressure in static state

人体穿戴鞋垫正常行走时，足底压力输出波形如图9所示。压力检测鞋垫可实时测量出足底压力的变化，其中，足后跟内外两侧、足底中部和第一趾骨处承受的压力较大，而第二、第三跖骨处所受压力较小，与静止时相比无明显变化。

图9 行走时足底压力的波形Fig 9 Waveform of plantar pressure in walking

5 结论

本文提出了一种基于FSR的新型可穿戴式足底压力检测的方法。在硬件上实现了包括足底压力检测与信号调理、低功耗运行、无线传输等可置入普通鞋垫内的检测控制电路。实验结果表明:实现的系统能够完成6路足底压力信号的采集与实时显示，能够进行穿戴式足底压力检测和人体步态分析，有较好的实用性和应用前景。

［1］张勤良，周 旭，倪朝民.正常人足底压力分布影响因素及研究现状［J］.中国康复，2011，26(6):443-445.

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