基于GPRS和Flexi Force传感器的足底压力监测系统设计

高敏， 张一帆*， 洪成雨， 李毓陵， 高卫东

(1.东华大学 纺织学院，上海 201600；2.上海大学 土木工程系，上海 200444；3.江南大学 纺织科学与工程学院，江苏 无锡 214122)

足底压力测定是康复医学中步态分析的一个重要组成部分，是分析和衡量足底压力异常的基础[1-3]。随着年龄的增长，足底压力分布会发生明显改变，因此了解足底压力分布变化以及生物力学分析有重要作用[4-5]。 目前，足底压力分布的研究已广泛应用于很多领域，如运动生物力学、竞技体育科研、步态识别、临床足疾诊断、康复医学、个性化工业设计等[6]。

美国Tekscan公司开发的F-Scan测力鞋垫系统，可对任何接触面的压力分布进行静态和动态测量，并以直观形象的二维、三维彩色图像实时显示压力分布的轮廓和数据，还能存储测量数据以便用户随时查看与分析[7]。德国Novel公司足底压力分布测量系统能准确测量并记录其表面所承受的静态和动态压力，多元化的分析软件可对测量的压力数据进行分析[8]。比利时RSscan公司研发的平板测力系统，可用于赤足或着鞋时不同运动状态的分析，可应用于多种运动形式(如走路、跑步、滑雪、滑冰等)的步态分析[9-10]。这些测量系统主要是利用不同类型的压力传感器通过蓝牙或ZigBee对足底压力进行短距离监测，不能实现远程意义上的足底压力监测。

1993年英国 BT Cellnet 公司提出了通用无线分组业务(general packet radio service，GPRS)，它是GSM Phase2+(1997年)规范实现的内容之一。GPRS是第2.5代无线移动通信技术(即2.5G网络)，它介于2G网络(2-generation wireless telephone technology)、第二代无线移动通信技术和3G 网络(3-generation wireless telephone technology)、第三代无线移动通信技术之间，是2G向3G 过渡的桥梁。通过这个技术，GPRS 用户可以接入到Internet，与全世界的计算机实现互联[11]。GPRS具有数据传输速率高、 接入时间短、按流量计费、实时在线等特点[11-12]。

文中利用嵌入式系统技术、无线通信技术和智能传感器技术，通过GPRS和Flexi Force薄膜压力传感器对足底压力进行远程监测。GPRS是以手机系统(GSM)为基础的数据传输技术，在现有的GSM基站系统基础上通过改造实现了数据的分组交换。

1 GPRS工作原理

首先，通过GPRS的数据终端(如手机)与移动通信服务商的基站 (base station subsystem，BSS)建立通信；然后将数据发送到GPRS 服务支持节点 (serving GPRS suport node，SGSN)， SGSN负责记录并跟踪SGSN服务区内移动终端的当前位置，并提供安全功能和接入控制，是无线接入网和数据网的分界线；通过SGCN传输到GPRS骨干网中的数据经GPRS 网关支持节点(gateway GPRS suport node，GGSN)与其他Internet 连接，GGSN负责控制用户的路由信息，用于实现GPRS网络与其他网络的互通，可视为GPRS网络对外部数据网络的网关或者路由，是GPRS核心网和外网的分界线。GGSN与SGSN组合在一起，共同实现GPRS的路由功能，数据从Internet 到达GPRS模块的传输过程和这个过程正好相反[13-15]。GPRS工作原理如图1所示。

图1 GPRS工作原理Fig.1 GPRS working principle

2 Flexi Force薄膜压力传感器工作原理

Flexi Force薄膜压力传感器是一种超薄和挠性印刷电路，具有可弯曲性和测力特性，可用于测量两表面之间的压力(牙齿咬合力，握力等)。Flexi Force薄膜压力传感器线性度<±3%、重复性<±2.5%(满量程)、滞后性<±4.5%(满量程)、漂移<5%lgt、响应时间<5 μs、厚度为0.15 mm，对应的传感器输出电阻大小为1 kΩ～1 MΩ。传感器的采集频率为30 Hz的 Flexi Force传感器薄如纸张且柔韧性强，在线性、滞后性、漂移和灵敏度方面具有优良特性，测量精度高[16]。Flexi Force传感器的制造基于两层基板，基材由聚酯薄膜(或聚酰亚胺)构成，导电材料(银)被施加在基层上，然后是一层压敏墨水。为了形成完整的传感器，利用黏合剂将两个基底层粘合在一起，传感器的感应区域由传感器顶部的压敏墨水(银色圆圈)的大小确定。当有力施加在传感器的感应区域，薄膜压力传感器在电路中相当于可变电阻。传感器感应区域没有压力时，阻值非常高(>1 MΩ)；当有力作用在传感器区域时，导电材料接触导电电极，从而改变传感器的电阻[17-19]。

3 足底压力的GPRS远程监测

图2为GPRS和Flexi Force传感器远程监测流程。足底压力监测系统是一个集合了电子、信息、传感器、通信等多学科的综合系统，主要由足底压力监测终端、通信网络、远程监测中心以及手持终端设备组成。足底压力监测终端作为本系统的重要组成部分，主要用于采集足底压力数据，再通过GPRS 网络向远程监测中心发送相关数据信息，远程监测中心对接收到的数据进行处理、显示以及存储。远程操作者通过控制远程控制系统全面监控足底压力监测系统，同时对特定环境下的测试者进行远程操作；远程控制系统通过Internet接收来自Flexi Force薄膜压力传感器监测的足底压力信息，操作者只要对返回的传感器信息进行监控，即可实现足底压力的远程监测。

图2 GPRS和Flexi Force传感器远程监测Fig.2 Remote monitoring with GPRS and Flexl Force sensors

4 实验部分

将Flexi Force薄膜压力传感器放置在鞋垫足跟处，测试者在跑步机上以不同速度运动，利用GPRS模块将GPR连接到基站BBS，在基站系统GPRS协议(base station system GPRS protocol，BSSGP)层实现BSS和SGSN之间路由和其他信息的传输。GPRS模块将数据传输到数据终端(手机等设备上)，实现足跟压力数据的远程传输与监测。图3为监测系统的电脑和手机端界面。

图3 监测系统的电脑端和手机端界面Fig.3 Computer and mobile interface of the monitoring system

利用GPRS模块和Flexi Force薄膜压力传感器将远程采集数据传输到数据终端(手机等设备上)上，通过Origin或Excel对数据进行分析，文中对不同身高和体质量的30位成年女性的足底压力进行测试，测试点具有足底应力相对集中的特点，分别为第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨和足跟4个点，足底测量部位如图4所示。足底压力测试结果如图5所示。

图4 足底测量点Fig.4 Plantar measuring point

图5 足底不同测量点压力值比较Fig.5 Comparison of pressure values at different measure-ment points of the sole of the foot

由图5(a)可以看出，所有受试者的足跟压力始终保持最大；前足3个测量点的压力比较：P(第5跖骨)>P(第4跖骨)>P(第3跖骨)。由于身高和体质量的不同，受试者在同一点的足底压力值各不相同。将前足3个测量点的压力值分别与足跟相比(见图9(b)，30名受试者的P(第5跖骨)/P(足跟)、P(第4跖骨)/P(足跟)和P(第3跖骨)/P(足跟)变化趋势不明显。究其原因，主要是每个受试者步态不同，其重心偏移情况不同，表明其步态存在个体差异。

5 结语

GPRS独特的“分组”模式，用户只有在发送或者接收数据期间才占用资源，多个用户可以高效享有同一无线信道，从而提高资源利用率；GPRS模块接入Internet网络，不受地点与空间的限制，克服了传统足底压力监测系统受距离的限制，在远程数据实时传输中有不可比拟的优势。该监测系统设计有手机端和电脑端的数据采集，保证数据采集的方便性，为远程足底压力监测系统App的研发与应用提供依据。

文中只对正常足各点压力进行了初步研究分析，而高弓足和扁平足足底压力有待研究，未来可以增加测量点，扩大受试者的年龄分布，建立足底压力数据库，方便足底压力自诊断技术的应用。