基于智能手机的足底压力监测系统设计

史文飞，孙 珅，赵 冬，刘永凯，王晓静，张宝玉，吴水才*

（1.北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京 100124；2.首都医科大学附属北京潞河医院，北京 101100）

0 引言

足被称作人体的“第二心脏”，它除了支撑人体的体质量以及维持人体的平衡之外，还与人体的各个器官相关联，是人体健康的晴雨表。关于足底压力的研究已应用于很多领域，如糖尿病病足的检测、压力分散鞋垫的制造、体育训练、鞋类制造等，因此对足底压力的研究具有重要的实用价值[1-5]。

目前，国内外对于足底压力的检测方法主要分为使用平板足底压力检测系统和可穿戴设备两大类。如Xu等[6]使用RS-Scan平板足底压力检测系统对32名正常人的足底压力进行检测，实验结果表明该系统可作为评价足底压力分布的一种有效工具。在利用可穿戴设备进行足底压力检测研究领域，主要使用的方法是将压力传感器集成在袜子、鞋垫以及运动鞋子中[7-10]。

上述系统在检测足底压力方面具有一定的优势，但也存在需要改进的地方。如平板足底压力检测系统体积庞大，不能满足日常实时检测足底压力的需要。在利用可穿戴设备检测足底压力的系统中，有些信号是基于有线方式传输的[11]。虽然也有些系统是利用无线方式传输信号，但其中央电子单元尺寸太大，造成使用者穿戴的舒适性太差。

基于上述问题，本文设计了一种基于智能手机的足底压力监测系统。本系统具备如下特点：（1）最多能够采集压力鞋垫传感器获取的人体足部16个位置的压力信息；（2）中央电子单元尺寸较小，使用者穿戴较为舒适；（3）基于无线方式传输信号，待机时间不低于8 h。

1 系统设计

本文所研制的足底压力监测系统主要需求有如下几点：体积小、质量轻，能同时采集足底8个点的压力信号。压力获取的方式采用压力鞋垫传感器（常州柔希科技有限公司），其结构如图1所示。本设计共采集压力鞋垫传感器8个位置的压力信号，正常人的压力都集中在该区域[2]。图2为足底压力监测系统结构框图，整个系统由穿戴式设备和智能手机App组成，其中穿戴式设备由压力鞋垫传感器、运算放大器、模拟选择器、电源管理模块以及NRF52832蓝牙低功耗SoC组成。

图1 压力鞋垫传感器示意图

图2 足底压力监测系统结构框图

1.1 系统硬件设计

1.1.1 主控芯片

本设计采用北欧半导体公司生产的NRF52832蓝牙低功耗SoC作为主控芯片。NRF52832蓝牙低功耗SoC采用Comex-M4架构，在运算能力以及浮点运算技术方面有了很大的提升，非常适合用于可穿戴设备的开发。由于采集人体足底压力时用户需要佩戴该穿戴式设备，这就对穿戴式设备的集成方式、待机时长提出了严格的要求。NRF52832蓝牙低功耗SoC内部集成了低功耗蓝牙，有效地降低了硬件系统的体积，同时其待机工作电压为3.3 V，供电电流小于20 mA，满足本设计的需要。

1.1.2 模拟选择器与运算放大器

压力鞋垫传感器输出的集成方式为6行4列，因此采集压力鞋垫传感器获取的足底压力信息需要采用行列扫描的方式。采用TI公司生产的模拟选择器CD74HC4051，其具备3个控制端、8个输入通道、1个输出端，通过2片模拟选择器分别与压力鞋垫传感器的3行3列相连，可以选择输出图1所示位置的压力信号并传输至运算放大器放大。

压力鞋垫传感器的基本原理是压阻效应，即在没有压力的情况下鞋垫的电阻一般为无穷大，当有压力施加在传感器上时鞋垫的电阻会迅速衰减。由此可知，鞋垫上的压力传感器可以被视作一个个可变电阻。模拟选择器选通某个传感器时，需要将电阻的变化转换成对应电压的变化。本设计采用TI公司生产的OPA365作为运算放大器，该放大器输入电压范围宽（2.2~5.5 V），输入噪声低，满摆幅输出电压3.3 V。运算放大器输入信号与输出信号的对应关系如公式（1）所示：

其中，Vout为输出信号，Vref为运算放大器负端输入信号（固定电压0.33 V），Rref为反馈电阻，Rf为传感器电阻。系统输出信号被NRF52832蓝牙低功耗SoC内置的8位ADC采样，有效采样频率120 Hz。

1.1.3 压力传感器校准

根据公式（1）可知，Rf为 1个可变电阻，Rref为1个固定电阻。因此在测试之前需要确定Rf的阻值。采用的方法是通过对压力传感器施加不同质量的物体并记录ADC获取的电信号与对应物体质量，从而获得压力电信号与物体质量的关系。表1是在Rref阻值为2 MΩ时分别放置不同重物在压力鞋垫中心位置10次，图1所示6个位置（位置 1、3、4、5、6、7，其中位置 1 和 2、7 和 8 面积、形状相同）ADC采集电信号的平均值，重物与压力鞋垫各位置传感器的接触面积为2 cm2。图3是利用MATLAB软件根据表1绘制的不同位置压力电信号与重物质量的关系曲线，将表1不同位置压力电信号的值减去所在位置压力为0时压力电信号的值可将曲线的起点移至原点。

表1 在Rref为2 MΩ时压力鞋垫6个位置放置不同重物10次ADC采集电信号的平均值

通过该曲线可发现物体质量与ADC获取的压力电信号呈线性关系，通过计算得出，位置7的斜率最大（物体底部与位置7中心位置接触面积约为2 cm2），在Rref为2 MΩ、ADC为8位时根据表1拟合出物体质量与压力电信号的函数关系，如公式（2）所示：

其中，VoutDN7为位置7输出信号，m为物体质量。则位置7能够承受的上限重物质量为1.05 kg。研究表明男性、女性动态最大峰值足底压强分别为（2.87±0.58）和（3.07±0.77）kg/cm2，静态最大峰值足底压强分别为（1.27±0.34）和（1.28±0.32）kg/cm2[12]。基于此取静态、动态压强大小分别为1.28、3.07 kg/cm2，则压力鞋垫传感器位置7静态、动态中心位置需承受足底压力分别为2.56和6.14 kg。

图3 不同位置压力电信号与重物质量的关系曲线

1.1.4 Rref的计算与验证

当在压力鞋垫传感器位置7中心位置分别施加2.56、6.14 kg的重物时（实际施加重物质量2.50、6.10 kg），利用数字万用表测量位置7的电阻10次，电阻的平均值分别为91.149、37.987 kΩ。根据公式（1），Vout和Vref为已知量（Vout的满摆幅电压值为 3.3V，Vref为0.33 V），经计算，可知静态、动态下反馈电阻的大小分别为820.34和341.88 kΩ。

Rref的验证在跑步机上进行。志愿者为年龄24~27周岁、体质量为55~80 kg的成年男性。志愿者分别佩戴本系统在跑步机上匀速行驶（跑步机设定的速度为2.7 km/h），经验证，当Rref为350 kΩ时，体质量为80 kg的成年男性佩戴本系统在跑步机上匀速行走时，压力鞋垫传感器位置7获得的峰值压力电信号接近饱和。因此，最终确定Rref的大小为350 kΩ。

1.1.5 电源管理模块

电源管理模块分为2个部分。第一部分为充电模块，该模块采用了线性管理控制器MCP73831。MCP73831采用恒流或恒压充电算法，恒压充电调节有 4 个选择：4.2、4.35、4.40 和 4.50 V，恒流充电电流由一个外部电阻设定。在高功率或高温的条件下，MCP73831将根据管芯温度对充电电流大小进行限制。其热调节功能对充电周期进行优化，并维持器件的可靠性。本设计采用的是恒压充电算法，充电完成时电池电压为4.2V。第二部分为稳压模块，采用的是TI公司的TLV70033D稳压芯片，该模块将MCP73831输出的4.2 V电压经过线性稳压处理后输出3.3 V的电压给整个系统供电。

1.2 嵌入式程序设计

本设计采用的开发平台是Keil公司推出的Keil MDK v5，该版本使用μVision5 IDE集成开发环境，是目前针对ARM微控制器尤其是ARM Cortex-M内核微控制器最佳的一款集成开发工具。整个系统嵌入式程序流程如图4所示。

图4 嵌入式程序流程图

首先在开机上电后，蓝牙开始广播并保持180 s的等待时间，若没有与其他蓝牙设备建立通信，则在180 s的等待时间后自动关闭。这种设计的优点在于可以防止蓝牙一直处于广播状态，从而降低系统功耗。若蓝牙与其他设备建立连接，则系统开始初始化，待初始化完成后开始进行压力数据采集，采样完成后进行数据的压缩封包等处理。数据包由10个8位2进制数组成，其中首末数据分别为帧头与帧尾，中间8个数据为图1中压力鞋垫传感器8个位置的压力信息（图1中位置1~8分别采集的压力数据与数据包中2~9位的数据一一对应）。通过对数据添加帧头与帧尾可以有效地防止蓝牙在数据传输过程中由于丢包造成智能手机接收时无法匹配压力数据与足底压力位置的现象。完成数据的封包后，数据通过低功耗蓝牙传输至智能手机App。智能手机App接收到足部压力信号后则完成一次足部压力信号的采集与传输，并通知系统是否进行下一次数据的采集或停止数据采集。

1.3 智能手机App设计

智能手机App基于Android 平台进行开发，采用Android Studio集成开发环境。智能手机App主要有登录与注册、蓝牙连接、历史记录、系统设置、压力显示、云服务、波形显示等功能。智能手机App的2个主要模块为压力分布模块和压力实时波形显示模块。其中压力分布模块主要是实时显示用户足底压力的分布情况，通过不同的颜色代表人体足部在不同状态下的压力情况。压力实时波形显示模块主要用于实时绘制人体足部不同位置的实时压力波形，使用者可以通过选择对应位置查看不同位置实时的压力波形。App登录界面与功能布局如图5所示。

图5 智能手机App登录界面与功能布局

2 系统测试

图6为穿戴式足底压力监测设备实物图，其中电子单元长约2.76 cm，宽约1.65 cm，整个系统质量约40 g。在进行足底压力测试前，测试者需将压力鞋垫传感器放置于自己的鞋内并将电子单元固定于自己右脚脚踝处。系统固定完成后，打开智能手机App完成用户登录、蓝牙连接则整个系统开始运行。

图6 穿戴式足底压力监测设备实物图

系统运行后，测试者在平坦的地面上按照正常的步态行走。测试者点击智能手机App中“压力显示”按钮则可实时查看当前状态下足底压力的分布情况（其中红色、黄色、绿色分别代表当前足底压力为高压、低压以及无压力）。测试者点击智能手机App中“波形显示”按钮则可实时查看当前状态下足底压力的实时变化情况，其中蓝色按钮1~8分别代表足底不同位置的压力数据，与图1中所示位置一一对应，使用者通过点击按钮1~8可以选择查看不同位置的足底压力波形。系统测试结果如图7所示。

图7 系统测试结果展示图

3 结语

本文基于智能手机开发了一款用于监测人体足底压力的系统，能够实时获取人体的足底压力信号，并将数据传输至智能手机实时显示。智能手机端可以通过压力分布图实时查看当前使用者的足底压力分布情况，使用者可以通过手机端控件按钮选择查看当前状态下不同位置的足底压力波形。同时本系统具备数据实时存储功能，使用者通过查看历史记录可以访问历史数据，基于历史数据可对使用者的足底压力分布做出分析，对需要进行压力矫正的使用者该数据具有一定的参考价值。实验结果表明，本系统运行稳定，适用于日常足底压力的监测。

由于足是人体日常行为活动中使用较为频繁的肢体之一，足部可穿戴设备应充分考虑使用者佩戴、使用的便捷性和舒适性。这就对足底压力传感器和电子单元的连接方式，传感器的集成形态、尺寸、形状提出了较高的要求。本系统的电子单元与压力鞋垫传感器的连接方式以及使用者的佩戴方式有待进一步改进。