一种基于压电薄膜传感器技术的智能服装及监测系统的制作方法

本发明属于可穿戴监测产品技术领域，具体说是一种基于压电薄膜传感器技术的智能服装及监测系统。

背景技术：

目前，随着健康检测技术的发展，可穿戴健康监控服装已经问世，可实时对生理体征如心电、心率、呼吸数据实时监测便能够准确反映人体信息，有利于健康监测和科学的训练及防止意外情况发生。

中国专利（公开号cn205493821u）公开了名为“一种基于智能手机的心电监护设备”，该技术包括可穿戴服装、心电监测单元、智能手机终端。通过五个圆形电极片来采集人的生命体征信号。该技术的缺点是心电监测需要设置五个圆形电极片，佩戴起来比较麻烦。不利于用户平常运动的时候穿戴，并且舒适度比较低。

中国专利（公开号cn204839503u）公开了名为“一种无线心电监测衣服”，该技术利用缝在衣物本体上的无线心电检测模块来收集人的生命体征参数，包括人体体温、心跳声音、运动状态、血压和血氧情况，从而判断人的生命体征。该技术的缺点是所使用的传感器过多，制作起来比较复杂，工艺流程繁琐。

中国专利（公开号cn208114591u）公开了名为“一种可穿戴式心电、呼吸信号实时监测的智能运动内衣”，该技术由内衣本体，织物性电极、金属按扣、智能模块组成。通过位于左胸、右胸、胸部中间或左胸、右胸、左胸下方的三个织物电极来采集人体表面的皮肤电进而测量用户的生命体征。该技术的缺点是穿戴起来过于麻烦，并且不舒适，采集人体表面的皮肤电需要紧贴皮肤，还需要把皮肤打湿，很容易丢失信号。

因此，如何设计开发一种基于压电薄膜传感器技术的智能服装及监测系统，制作工艺简单，穿着舒适，使用方便，传感器检测数据准确、可靠。这是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于压电薄膜传感器技术的智能服装及监测系统，制作工艺简单，穿着舒适，使用方便，传感器检测数据准确、可靠；监测系统使用方便。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：一种基于压电薄膜传感器技术的智能服装，包括服装本体和设置在服装上检测人体生命体征信号的采集模块及控制器，其特征在于，所述的采集模块包括压电薄膜传感器、噪声屏蔽单元及弹性导线，将所述压电薄膜传感器封装在所述噪声屏蔽单元内，并与弹性导线连接形成一体结构的采集模块；将所述采集模块缝合或者粘贴内置在所述智能服装上，用于采集人的生命体征。

对上述技术方案的改进：所述控制器包括电源模块、ad采集模块，信号放大模块、信号过滤模块、mcu及蓝牙发送模块，所述压电薄膜传感器的输出端与所述ad采集模块的输入端连接在一起，所述ad采集模块的输出端连接所述信号放大模块的输入端，所述信号放大模块的输出端连接信号过滤模块的输入端，所述mcu与所述蓝牙发送模块作为芯片焊接在含有信号放大模块与信号过滤模块的电路板上，所述mcu处理用于来自信号过滤模块的生命体征信号，所述蓝牙发送模块用于将生命体征信号通过蓝牙通讯发送至智能设备端。

对上述技术方案的进一步改进：所述压电薄膜传感器位于所述服装本体上的后肩部位，所述控制器设置在所述服装本体对应人体腰部的位置上。

对上述技术方案的进一步改进：所述mcu为具有低功耗模式的微型处理器，可在没有检测到生命体征时自动开启低功耗模式。

对上述技术方案的进一步改进：所述压电薄膜传感器为pvdf材质压电薄膜传感器；所述电源模块为可充电电池。

对上述技术方案的进一步改进：所述的服装本体为内衣上衣、贴身外衣上衣或背心。

本发明一种基于压电薄膜传感器技术的智能服装监测系统，其特征在于，包括上述基于压电薄膜传感器技术的智能服装、智能设备端及后台服务器，所述蓝牙发送模块将生命体征信号通过蓝牙通讯发送至所述智能设备端，所述智能设备端上显示生命体征信号，并且通过网络将生命体征信号发送至所述后台服务器记录储存。

对上述技术方案的改进：所述后台服务器包括存储模块、通信模块及处理单元，后台服务器通过网络与所述智能设备端进行通讯连接,所述后台服务器为云端服务器。

对上述技术方案的进一步改进：所述智能设备端包括存储模块、通信模块、蓝牙发送模块，所述智能设备端为智能手机或平板电脑，所述智能手机或平板电脑存有app。

与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

1、本发明采用的压电薄膜传感器与人体的声阻抗接近，能够良好的监测人体生命体征信号，并且反应快，精度高，而且压电薄膜传感器轻薄，放置于衣服里大大减小了异物感，提高了用户舒适度；

2、本发明可以在用户运动的时候仍然准确的测量用户的生命体征，在检测心跳信号和呼吸信号的时候将用户的动作信号滤除掉，将动态测量变为静态测量，从而使测量结果更加精确。可以帮助用户在健身锻炼的时候合理的控制运动量，使用户保持在一个健康适度的锻炼状态；

3、本发明可以在检测生命体征的同时将数据发送至后台服务器，在后台服务器设有健康标准，可以自动判断用户的生命体征数据是否出现了异常，也可以由健康团队判断用户是否处于健康状态。

附图说明

图1为本发明智能服装上采集模块及控制器的设置位置示意图；

图2为本发明智能服装上的采集模块的结构示意图；

图3为本发明智能服装上的控制器的结构示意图；

图4为本发明基于压电薄膜传感器技术的智能服装监测系统的示意图；

图5本发明智能服装的工作流程图；

图6为本发明中的压电薄膜传感器采集到的生命信号经过放大处理后的波形图；

图7为本发明中的压电薄膜传感器采集的一段原始信号波形图；

图8为本发明从原始信号中提取出来的心跳信号图形；

图9为本发明从原始信号中提取出来的呼吸信号图形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1-图2，本发明一种基于压电薄膜传感器技术的智能服装的实施例，包括服装本体10和设置在服装上检测人体生命体征信号的采集模块20及控制器30，采集模块20包括压电薄膜传感器23、噪声屏蔽单元22及弹性导线21，将压电薄膜传感器23封装在噪声屏蔽单元22内，并与弹性导线21连接形成一体结构的采集模块20；将采集模块20缝合或者粘贴内置在服装本体1上，用于采集人的生命体征。

具体而言：如图3所示，上述控制器30包括电源模块、ad采集模块，信号放大模块、信号过滤模块、mcu及蓝牙发送模块，压电薄膜传感器23的输出端与所述ad采集模块的输入端连接在一起，所述ad采集模块的输出端连接所述信号放大模块的输入端，所述信号放大模块的输出端连接信号过滤模块的输入端，所述mcu与所述蓝牙发送模块作为芯片焊接在含有信号放大模块与信号过滤模块的电路板上，所述mcu处理用于来自信号过滤模块的生命体征信号，蓝牙发送模块用于将生命体征信号通过蓝牙通讯发送至智能设备端。

进一步地，如图1所示，上述压电薄膜传感器23位于服装本体10上的后肩部位，控制器30设置在服装本体10对应人体腰部的位置上。压电薄膜传感器23的输出端通过弹性导线21与控制器30连接。

再进一步地，上述mcu为具有低功耗模式的微型处理器，可在没有检测到生命体征时自动开启低功耗模式。

优选地，上述压电薄膜传感器23为pvdf材质压电薄膜传感器23；所述电源模块为可充电电池。上述的服装本体10为内衣上衣、贴身外衣上衣或背心，也可以是其他上身穿戴的服饰。

参见图4，本发明一种基于压电薄膜传感器技术的智能服装监测系统的实施例，包括上述基于压电薄膜传感器技术的智能服装、智能设备端及后台服务器，蓝牙发送模块将生命体征信号通过蓝牙通讯发送至所述智能设备端，所述智能设备端上显示生命体征信号，并且通过网络将生命体征信号发送至所述后台服务器记录储存。

进一步地，上述后台服务器包括存储模块、通信模块及处理单元，后台服务器通过网络与所述智能设备端进行通讯连接,所述后台服务器为云端服务器。

上述智能设备端包括存储模块、通信模块、蓝牙发送模块，所述智能设备端为智能手机或平板电脑，所述智能手机或平板电脑存有app。

本发明区别于传统心电仪以及智能服饰的不同点在于：用户只要正确的穿上佩戴压电薄膜传感器23的智能服装之后，不管是处在久坐状态，运动状态还是睡眠状态，都可以监测到用户的生命体征。传统的心电检测仪以及智能服饰只能检测用户在相对静止状态下的生命体征，在用户坐立或者睡眠时，信号比较微弱，所以信号放大模块的增益比较高，放大倍数大。而运动时由于动作幅度大，传感器采集到的信号比较强，往往造成测量结果不准确甚至超出测量范围。本发明可以在用户运动的动态过程中寻找一个相对的静态，当压电薄膜传感器23采集到的信号很强，超出测量范围时，压电薄膜传感器23可以自动的调节放大级的增益，把信号控制在一个可以测量的范围内，信号过滤模块也可以将用户的动态信号滤除掉，得到一个相对静态的心跳和呼吸信号，从而减小用户运动对测量结果造成的影响，使结果更加的准确。

本发明采用的压电薄膜传感器23的穿戴十分方便，压电薄膜传感器23内置在专门设计的衣服中，具体位置位于人的肩膀部位（压电薄膜传感器23的安放位置如图1所示），用户只需要穿上此衣服，打开位于腰间的控制器30，智能手机端打开蓝牙开关搜索连接到控制器30，就可以开始监测了。需要提出的是，位于肩膀部位的压电薄膜传感器23需要紧贴用户的肩部，这样才能保证压电薄膜传感器23能够良好的采集人体的信号，否则会造成信号缺损甚至丢失，所以，将压电薄膜传感器23放置在合适的位置尤为重要。

用户穿戴上本发明的智能服装之后便可以自由的去做日常生活中的事情，压电薄膜传感器23会在用户进行日常活动的过程中采集用户的生命体征，比如用户当天心率、呼吸率、步数以及久坐时间的实时数值，也可以用曲线图的形式查看当天心率或者呼吸率的变化，用户在运动时也可以查看实时心率以及呼吸变化，便于将运动量以及运动强度控制在一个合理的范围之内。控制器30内的电池可以供用户使用24小时以上，全天候的记录用户的生命体征，并且在检测到用户没有佩戴压电薄膜传感器23时，开启低功耗模式，节省耗能。

本发明的工作原理：人体的心跳、呼吸、行走等生命体征，本质上是一种振动信号，当人体在进行这些生理活动时，会产生相应的振动信号，人的骨骼、肌肉以及血液作为振动的传导介质，可以将这些振动传递到皮肤表面。但是人的心跳、呼吸以及行走信号是不同频率的信号，当这些不同频率的振动同时传导至人的皮肤表面时，通常反映为多种频率叠加的一个原始信号，人的心跳、呼吸以及行走信号都包含在这个原始信号里边。本发明中使用的压电薄膜传感器23作为一个动态响应十分灵敏的传感器，可以灵敏的捕捉到这个原始信号（见图6）。图7所示为本发明压电薄膜传感器23采集的一段原始信号波形图；图8所示为本发明从原始信号中提取出来的心跳信号图形；图9所示为本发明从原始信号中提取出来的呼吸信号图形。

将采集模块20黏贴在衣服本体10的后肩部位（采集模块20和控制器30部分安放位置如图1所示），这个位置人的生命体征信号相对身体的其余位置比较明显，而且还不会影响人穿上衣服后的正常活动，与放在胸口部位相比，大大降低了异物感，增加了穿衣服的舒适度。原始信号被压电薄膜传感器23采集到后并不能直接输入到mcu进行分析处理，因为，此信号太过于微弱，需要经过信号放大模块将此信号放大到mcu以及算法能够分析处理的程度，信号经过放大模块之后，还需要经过信号过滤模块，此模块的功能是将信号分成四路，即心跳、呼吸、行走、久坐信号。然后对这四路信号分别进行过滤，将过滤后的四路信号输入mcu，mcu内有精心设计的算法，可以对信号经行分析，计算出人的心率、呼吸率，行走步数还有久坐时间等参数，将处理过后的数据通过蓝牙发送至智能设备端，可以将让人们直观的看到自己的生命体征参数，及时的发现身体存在的健康问题。并且在运动时可以通过观察自己的心率以及呼吸参数控制自己的运动量，使身体得到适度的锻炼。智能设备端还会将蓝牙发送的原始数据发送至后台服务器，后台服务器具有大数据与学习算法，可以分析出用户潜在的健康问题，并可以提供给医院以及专业健康团队。

本发明的工作流程：如图5所示，将压电薄膜传感器23置于衣服本体10的后肩部位，待用户穿上智能服装之后，压电薄膜传感器23开始采集用户的生命体征信号，将信号通过弹性导线21传递至置于腰间的控制器30，对信号进行处理、分析。控制器30内有信号放大模块、信号过滤模块、mcu、蓝牙发送模块，信号放大模块接收来自压电薄膜传感器23的信号，并将来自压电薄膜传感器23信号进行放大，将高阻抗输入变为低阻抗输出，此时的信号经过了放大具有了良好的带负载能力。信号过滤模块将来自信号放大模块的信号分成四路，分别是呼吸、心跳、行走以及久坐信号，然后将各路信号中的噪声滤除掉，只保留各路中需要的信号，输入到mcu，通过算法识别输入进来的信号是否为有效信号，然后，对信号进行计数统计，计算出人的呼吸率、心率、行走步数，并识别出用户是否处于久坐状态，累积久坐时间。然后，将计算处理得到的信息通过蓝牙发送至智能设备端，智能设备端用曲线图、数字等形式直观的显示给用户，让用户方便快捷的看到自己的身体参数。最后，智能手机端将用户的原始数据传送给后台服务器，根据后台服务器预先设定的标准判断用户的生命参数是否有异常，并将数据发送给专业的健康团队，判断用户的生命体征是否存在异常，并对用户做出提醒。

（1）所述的压电薄膜传感器23采用pvdf材质压电薄膜传感器，用于采集待测对象的实时生理信号，见图1。pvdf材质压电薄膜传感器23具有轻薄、非常柔软、可以无源工作、耐用、灵敏度高及带宽范围宽等特点，拥有与水接近的声阻抗，特别适合人体生理信号的测量，由于压电薄膜传感器23高灵敏度，可以用一个压电薄膜传感器23测出待测用户的生命体征，经过信号分析就可以采集到实时的用户的各项生命参数。由于压电薄膜传感器23具有轻薄的特点，将其放于衣服上基本不会产生异物感，可以大大提高使用的舒适度。以带状或者面状封装在亲肤材料中，可以使采集模块20更柔软，测量效果更灵敏，并能对压电薄膜传感器23进行保护，同时也能提高使用的舒适性，更适合长期测量。

（2）所述噪声屏蔽单元23主要是针对压电薄膜传感器23信号采集，为防止信号干扰而作的屏蔽处理，让压电薄膜传感器23采集的信号更清晰，更精准。

（3）所述电源为可充电电池，经过电源调理电路为电路提供稳定的电源支持，并且可以进行多次的充电放电，方便用户循环使用。

（4）所述信号放大模块是将压电薄膜传感器23传出的微弱信号进行放大，使得经压电薄膜传感器23传出来之后的信号能够更加清晰，方便下一级对信号进行过滤处理。

（5）所述信号过滤模块将所需要的信号中包含的噪声滤除，心跳信号中滤除掉呼吸、行走信号，呼吸信号中滤除心跳、行走信号，行走信号滤除掉呼吸、心跳信号，久坐信号中滤除掉呼吸、心跳、久坐信号。

（6）所述mcu为具有低功耗模式的微型处理器，体积小、方便佩戴，可以在没有检测到生命体征时开启低功耗模式，使电池的使用更加的持久。

（7）所述智能设备端主要是智能手机app显示，也可以是平板电脑等，还可是其他具有显示装置的智能设备端，智能设备端根据实时采集的信号数据显示用户的生命体征。并将数据上传至后台服务器（云端服务器）。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。