本实用新型属于数据采集领域，具体涉及一种足底压力传感检测系统、压力检测鞋垫及压力检测鞋。
背景技术：
现有的足底压力测量装置具有以下的不足：一是有线的居多，佩戴起来不方便；二是只是针对一对一的采集，即一套装置只能采集配套的足底压力鞋(或鞋垫)；三是压力传感器的信号不精准，数据校准较为繁琐。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种足底压力传感检测系统、压力检测鞋垫及压力检测鞋，传感检测部分能够嵌入鞋中，能够同时并行采集多人的实时足底压力信息。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种足底压力传感检测系统，包括：n组压力传感群、信号转换及数据准备装置、无线发射装置、无线接收装置和数据处理装置；
每组压力传感群均包括多个压力传感器，用于采集足底的压力数据；
n组压力传感群与n个所述信号转换及数据准备装置一一对应连接；
n个所述信号转换及数据准备装置与n个所述无线发射装置一一对应连接；
所述无线发射装置与所述无线接收装置进行无线通讯；
所述无线接收装置与所述数据处理装置连接。
每个所述信号转换及数据准备装置包括：多路选择器、电阻电压转换器、单片机；
所述多路选择器的各个输入端与一组压力传感群中的各个压力传感器一一对应连接；
所述单片机的2号引脚与所述多路选择器的输入控制端a连接，3号引脚与多路选择器的输入控制端b连接，4号引脚与多路选择器的输入控制端c连接，5号引脚与多路选择器的输入禁止端inh端口连接；
所述多路选择器的输出端com与所述电阻电压转换器的输入端连接；
所述电阻电压转换器的ao引脚与单片机的a0引脚连接；
所述单片机的tx引脚与无线发射装置的rxd引脚连接，所述单片机的rx引脚与无线发射装置的txd引脚连接。
优选地，所述压力传感器采用rfp薄膜压力传感器。
优选地，所述电阻电压转换器采用rfp薄膜压力传感器专用电阻电压转换模块rfp-zh11。
优选地，所述多路选择器采用cd4051。
优选地，所述无线发射装置、无线接收装置均采用无线透传模块nrf24l01。
优选地，所述单片机采用arduinounor3单片机；
所述数据处理装置将无线接收装置接收到的数据包解开，并将数据包中的压力数据进行可视化显示。
本实用新型还提供一种压力检测鞋垫，其包括鞋垫本体和安装在所述鞋垫本体上的所述的足底压力传感检测系统中的压力传感群；
所述压力传感群包括：分别安装在所述鞋垫本体上对应足跟外侧处、对应足跟内测处、对应大拇趾处、对应第五跖骨外侧处、对应第一趾骨和跖骨连接的关节处、对应第二趾骨和跖骨连接的关节处、对应第三趾骨和跖骨连接的关节处、对应第四趾骨和跖骨连接的关节处的rfp薄膜压力传感器。
本实用新型还提供一种压力检测鞋，其包括所述压力检测鞋垫、鞋面和鞋底；
所述鞋面的下端外缘与鞋底的外缘连接，所述压力检测鞋垫放置在鞋底上；
所述足底压力传感检测系统中的信号转换及数据准备装置、无线发射装置设置在所述鞋底内；
所述压力检测鞋垫上的各个rfp薄膜压力传感器通过电线与设置在鞋底内的所述信号转换及数据准备装置连接。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：利用本实用新型，不需要借助特殊的实验室环境就能同时并行采集多人的实时足底压力信息，准确而高效。在鞋品设计、医疗保健等许多领域有着重要的意义，是功能性纺织品的重要组成部分。
附图说明
图1本发明系统的结构组成图；
图2压力数据包；
图3鞋垫压力分布图；
图4-1电路图；
图4-2图4-1中的u1的局部放大图；
图4-3图4-1中的u2的局部放大图；
图4-4图4-1中的u3的局部放大图；
图4-5图4-1中的u4的局部放大图；
图4-6图4-1中的u5的局部放大图；
图4-7图4-1中的三极管的局部放大图；
图4-8图4-1中的s1的局部放大图；
图5实际的压力数据包；
图6样品结构图；
图7无数据的界面；
图8接收到压力数据时的界面。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：
本实用新型以薄膜压力传感器为基础，利用无线传输将不限数量的足底压力数据实时传送到上位机终端，以此技术为基础，本实用新型设计了可供人体穿着使用的动态足底压力监测鞋垫，并针对其使用环境和测试目的要求，对电路的设计进行调整，增加了电阻电压转换器，有效提高了薄膜材料的输出信号。利用无线传输模块解决了佩戴不方便的难题，同时为实时并行采集多个足底压力提供了便利条件。
一、系统的总体设计
如图1所述，本实用新型包括多个压力传感群、信号转换及数据准备装置、无线发射与接收装置、数据处理及展示装置等几个部分。
1、压力传感群
因为需要采集每只脚不同区域的压力值，所以每只脚的足底需要配置多个压力传感器，每一个足底的多个压力传感器被称为压力传感群。在本实施例中，一个压力传感群包含8个压力传感器，分布在不同的区域。
本实施例采用的压力传感器是市售的rfp薄膜压力传感器，该传感器的厚度仅为0.1mm-0.2mm,且柔性很好，因而为测量各种接触面之间的压力创造了更好的条件。rfp薄膜压力传感器由两片很薄的聚酯薄膜组成，两片薄膜内表铺设导体及半导体。当外力作用到传感点上时，其阻值会随着外力成规律变化，压力为零时，阻值最大，压力越大，阻值越小。与以往传统的测量方法相比，这是一种经济，高效，精确，快速，直观，方便的压力分布测量工具。
2.信号转换及数据准备装置：包括多路选择器、电阻电压转换器、单片机，通过多路选择器选择多个压力传感器中的一个传感器，将其电阻值通过电阻电压转换器转为电压值发送给单片机，单片机通过无线设备发送给pc，pc端接收数据并显示。具体如下：
每个足底都有8个压力采集点，采集的时候采用轮询的方式，即通过多路选择器，逐个读取8个传感器的电阻信号。由于采集到的电阻信号较弱，所以利用电阻电压转换器将电阻信号放大为更加稳定的电压信号。
轮询一次采集到8个采集点的数据，将每个数据转化为一个从0-254之间的1个字节的数据，将获取到8个字节的压力值。将轮询采集到的数据组成一个数据包。数据包的数据包括：4个字节的传感集群编号，8个字节的时间戳(timestamp)、8个字节的压力数据集，一共20个字节。
确定传输序列后，单片机通过无线发射及接收装置传输数据到pc端。
3.无线发射及接收装置
从单片机将数据包发送到pc端使用无线数据透传技术。无线数据透传技术是低功耗物联网通信技术中的一种，在数据传输过程中，发送方和接收方数据的长度和内容完全一致，不需对数据做任何处理，相当于一条数据线或者串口线，将有线变为无线。无线模块工作在433m免费频段，标准发射功率最大为100mw(20dbm)，发射电流瞬间<80ma，接收电流为18ma，工作电压范围3.3v-5v。
本实施例中使用的无线发射及接收装置是在单片机采集端和上位机(pc端)分别安装的一个无线透传模块，本实施例中使用的无线透传模块是nrf24l01模块。在数据通讯之前，先将2个模块的参数配置好，包括串口波特率，本机地址，目标地址等。配对成功之后，即可开始通信。
4.数据处理装置
采用pc端即可，其主要是根据前端采集设备发来的20字节数据包根据集群编号和时间将接收到的数据包解开，对压力数据进行可视化展示。
图1所示的实施例中有n个压力传感群、n个信号转换及数据准备装置、n个无线发射装置、1个无线接收装置、1个数据处理装置，压力传感群1到压力传感群n分别与信号转换及数据准备装置1到信号转换及数据准备装置n一一对应连接，信号转换及数据准备装置1到信号转换及数据准备装置n分别与无线发射装置1到无线发射装置n一一对应连接，无线发射装置1到无线发射装置n分别与一个无线接收装置连接，无线接收装置与数据处理装置连接。
二.压力检测鞋垫的设计
通过在不同的地方放置不同密度的传感器点，可以实现不同的空间分辨率。本实施例中在所述压力鞋垫上设置有8个压力接受点，鞋垫的压力分布示意图如图3所示，其中，压力传感器大小为半径5mm的圆，厚度仅为0.1mm-0.2mm。因为平时行走过程中，接触地面的部分主要集中在足跟、跖骨与趾骨关节处和大拇趾等部位，所以这几个部位可以代表足底压力的分布。另外，考虑到脚左右歪斜的情况，本实施例中一共部署了8个压力采集点，具体位置如下：对应足跟外侧处1个、对应足跟内侧处1个、对应大拇趾处1个、对应第一趾骨和跖骨的关节处到对应第四趾骨和跖骨的关节处共4个、对应第5跖骨外侧处1个。实际使用时，也可以根据测试需求将传感器设置在其它位置处。
三.前端采集电路的设计
如图4-1到图4-8所示，包括：
1.多路复用采集模块
多路复用采集模块采用多路选择器cd4051(图4-1中标记为u4和u5)。每个足底传感器集群设有8个压力采集点，为了采集压力值，电路中设有1个多路选择器cd4051,根据程序控制分时接通各个传感器。
cd4051由8选1输入端(ch0-ch7)、输入控制端(a、b、c)、输入禁止端(inh)和输出端(com)组成，8选1输入端连接对应的压力传感器接口，输入控制端包括a、b、c，3位二进制的8种组合可用于选择8路通道，用于ch0-ch7的选址操作，并把相应的输入端接通。如000代表ch0，111代表ch7。输入禁止端inh是控制本模块是否启用，其为高电平时，地址输入端无效，即无通道被选通。输出端com根据输入控制端和输入禁止端的结合输出相应的输入端信号，例如：当a＝0、b＝0、c＝0、inh＝0时，com接通ch0端口的信号；当a＝0、b＝0、c＝1、inh＝0时，com接通ch1端口的信号。
2.电阻电压转换模块
多路选择器cd4051输出的是电阻值，信号较弱，为了增加信号数据的稳定性，需要进行电阻电压的转换。通过电阻电压转换模块，可以将不同压力时较弱的电阻信号转换为高低电平输出。原理为欧姆定律u＝i*r。将电阻信号放大为电压信号，即增强了信号强度。
本实施例中的电阻电压转换模块采用rfp薄膜压力传感器专用电阻电压转换模块rfp-zh11模块(图4-1中标记为u3)。输入端口与多路选择器cd4051的输出端com连接，输入的是电阻值，ao是转换后的电压输出值。
3.单片机
本实施例中的单片机采用arduinounor3单片机(图-4-1中标记为u1)进行信号接收与处理，控制压力信号的采集、接收和处理过程。
arduinounor3单片机的2、3、4、5号引脚负责压力采集的多路选择，4个引脚形成的四位的二进制数从0000-1111，最多可以控制16个通道，目前只用8个，另外8个用于以后的扩展(图4-1中的鞋垫s1上设置了16个传感器，本实施例中使用了其中的8个，另外8个传感器用于以后的扩展功能，图4-1中也画出了所有的16个通道，并采用了两个多路选择器cd4051，两个多路选择器cd4051分别与单片机连接。实际使用时，可以根据需要设计传感器的数量以及多路选择器的数量)。16个二进制数分别对应16个压力传感器通道，其中2号引脚分别与各个多路选择器的输入控制端a连接，3号引脚分别与各个多路选择器的输入控制端b连接，4号引脚分别与各个多路选择器的输入控制端c连接，5号引脚分出两路，一路直接连接到第一个多路选择器的inh端口，另一路通过三极管与第二个多路选择器的inh端口连接。通过内置的digitalwrite()函数可以设置引脚的高低电平，如digitalwrite(2,low)是设置引脚2为低电平。
所述三极管采用2n3904三极管电路，arduinounor3的5号引脚中的一路与三极管的基极连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极与第二个多路选择器的inh端口连接。当arduinounor3的5号引脚为低电平0时，三极管不导通，第一个多路选择器cd4051(图4-1中标记为u4)的inh端口为低电平0，属于激活状态，第二个多路选择器cd4051(图4-1中标记为u5)的inh端口为高电平1，属于禁止状态。当5号引脚为高电平1时，三极管导通，u4的inh端口为高电平1，属于禁止状态，u5的inh端口为低电平0，属于激活状态。通过三极管即可实现对两个多路选择器的选择。
所述电阻电压转换模块的ao引脚与单片机的a0引脚连接，这样经过电阻电压转换模块转换后的模拟量压力值即可连接至单片机的a0引脚，函数analogread(ao)用于返回引脚的模拟量电压值。返回的电压值范围是0-1023之间。在无压力的状态下，电压值最大，为1023，压力越大，电压值越小，实际使用时可以直接显示该返回的电压值，也可以在单片机中利用1023-analogread(ao)的方式，将电压值取反，得到符合采集期望的压力值，这样能够使显示的压力值更直观(即按下的压力越大，显示的电压值越大)。
当设定好2、3、4、5号引脚的值，就可以得到相应压力传感器的数值，为了得到全部的压力值，需要采用轮询的方法。每隔100ms，按照次序顺序改变2、3、4、5号引脚的值，从0000-1111，依次获得全部的压力传感器的值。每轮询一次将得到的16个压力值(本实施例中利用的有效压力值是8个)做成数据包。轮询的一个周期是1600ms。
4.无线传输模块
最后得到的压力数据包通过nrf24l01无线透传串口模块(图4-1中标记为u2)以ascii码的字符串形式，传输到参数配置完全相同的无线接收端。串口波特率使用115200bps。nrf24l01无线串口模块单次传输有效字节数为1-128字节。实际发送字节数为32个，用户可用的字节为1-31个，第0个字节系统保留，用于每次传输的数据包长度统计。具体如下：单片机的tx引脚与nrf24l01的rxd引脚连接，单片机的rx引脚与nrf24l01的txd引脚连接。
为了批量获取多个压力传感群的数据，采用一台电脑对多个单片机通信的形式。即每个前端采集使用一个无线传输发送模块，上位机(pc端)使用一个无线传输接收模块(nrf24l01模块是双向传输模块，能接收也能发送，使用一个nrf24l01模块接收多个nrf24l01模块传输的数据。)集中处理多个前端采集发来的数据。每个nrf24l01模块都有可以设置的本地地址，用于区分是哪个压力传感群发出来的信号。
另外还可以设计一个标识用于区分左脚还是右脚的数据，所以根据图2的初步划分，最后实际的数据包格式可以如图5所示。
从左到右分别是4个字节的前端编号，1个字节的左右脚标识，8个字节的时间戳，16个字节的压力数据集(本实施例中只用了8个)，上位机可以根据采集器编号区分采集的是哪个压力传感器，根据标识区分是左脚还是右脚的压力值。
四.样品设计
根据系统总体设计和电路图设计，整体的足底压力采集鞋采用如图6所示的结构。压力传感群安装在鞋垫中，电路板安装在鞋底中，例如可以安装在鞋跟内，压力传感群通过电线与电路板连接，电路板上设置有多路选择器、电阻电压转换器、单片机和无线发射装置。
五.数据处理装置
从无线串口传感器接收到的数据，会以1600ms采集一次的周期循环采集，首先会在内存中开辟一段缓冲区，采集到的是ascii形式的数据，一共28个字节。数据处理装置将接收到的数据包解包后，再分解为编号(4字节)、时间(8字节)和压力数据(16字节)三个部分(这16个字节都是一只脚的数据，其中8个是预留的，没有用到。)，再将压力数据按字节分成16个压力值，去掉待扩展的8个无效字节，就得到了具体某个足底压力鞋垫在某一个时刻的8个压力值。
数据处理装置进行可视化展示采用现有的多种方法即可实现，例如可视化界面可以由双脚图像和一共16个传感器点位组成。当没有压力数据传输的时候，可视化界面如图7所示。当有压力数据发生改变的情况下，就动态改变对应点位中的颜色属性。无压力时为白色(rgb(255,255,255))，压力值最大时为红色(rgb(255,0,0))。填充的颜色与数值大小的算法为：rgb(255,255-p,255-p)，其中p代表采集点的数据。图8为展示数据采集中的效果图。
上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。
1.一种足底压力传感检测系统，其特征在于：所述足底压力传感检测系统包括：n组压力传感群、信号转换及数据准备装置、无线发射装置、无线接收装置和数据处理装置；
每组压力传感群均包括多个压力传感器，用于采集足底的压力数据；
n组压力传感群与n个所述信号转换及数据准备装置一一对应连接；
n个所述信号转换及数据准备装置与n个所述无线发射装置一一对应连接；
所述无线发射装置与所述无线接收装置进行无线通讯；
所述无线接收装置与所述数据处理装置连接；
每个所述信号转换及数据准备装置包括：多路选择器、电阻电压转换器、单片机；
所述多路选择器的各个输入端与一组压力传感群中的各个压力传感器一一对应连接；
所述多路选择器的输出端com与所述电阻电压转换器的输入端连接；
所述电阻电压转换器的ao引脚与单片机的a0引脚连接。
2.根据权利要求1所述的足底压力传感检测系统，其特征在于：
所述单片机的2号引脚与所述多路选择器的输入控制端a连接，3号引脚与多路选择器的输入控制端b连接，4号引脚与多路选择器的输入控制端c连接，5号引脚与多路选择器的输入禁止端inh端口连接；
所述单片机的tx引脚与无线发射装置的rxd引脚连接，所述单片机的rx引脚与无线发射装置的txd引脚连接。
3.根据权利要求2所述的足底压力传感检测系统，其特征在于：所述压力传感器采用rfp薄膜压力传感器。
4.根据权利要求3所述的足底压力传感检测系统，其特征在于：所述电阻电压转换器采用rfp薄膜压力传感器专用电阻电压转换模块rfp-zh11。
5.根据权利要求4所述的足底压力传感检测系统，其特征在于：所述多路选择器采用cd4051。
6.根据权利要求5所述的足底压力传感检测系统，其特征在于：所述无线发射装置、无线接收装置均采用无线透传模块nrf24l01。
7.根据权利要求6所述的足底压力传感检测系统，其特征在于：所述单片机采用arduinounor3单片机。
8.根据权利要求1至7任一项所述的足底压力传感检测系统，其特征在于：所述数据处理装置将无线接收装置接收到的数据包解开，并将数据包中的压力数据进行可视化显示。
9.一种压力检测鞋垫，其特征在于：所述压力检测鞋底包括：鞋垫本体和安装在所述鞋垫本体上的如权利要求1至8任一项所述的足底压力传感检测系统中的压力传感群；
所述压力传感群包括：分别安装在所述鞋垫本体上对应足跟外侧处、对应足跟内测处、对应大拇趾处、对应第五跖骨外侧处、对应第一趾骨和跖骨连接的关节处、对应第二趾骨和跖骨连接的关节处、对应第三趾骨和跖骨连接的关节处、对应第四趾骨和跖骨连接的关节处的rfp薄膜压力传感器。
10.一种压力检测鞋，其特征在于：所述压力检测鞋包括：鞋面、鞋底和如权利要求9所述的压力检测鞋垫；
所述鞋面的下端外缘与鞋底的外缘连接，所述压力检测鞋垫放置在鞋底上；
如权利要求1至8任一项所述的足底压力传感检测系统中的信号转换及数据准备装置、无线发射装置设置在所述鞋底内；
所述压力检测鞋垫上的各个rfp薄膜压力传感器通过电线与设置在鞋底内的所述信号转换及数据准备装置连接。
技术总结