張加宏李 玲高 翔李 敏劉清惓孟 輝

(1.南京信息工程大學，江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學，電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

步態(tài)作為人體固有的生理特征，是指人體運動過程中身體的姿態(tài)變化信息[1-2]。 從人體運動行為中獲取步態(tài)特征從而實現(xiàn)自適應(yīng)檢測是步態(tài)識別的關(guān)鍵。 步態(tài)識別技術(shù)相對于其他生物特征識別技術(shù)具有非侵害檢查、難以隱瞞、不易混淆等特征，目前步態(tài)檢測主要依賴于帶有復雜圖像處理軟件的成像技術(shù)[3-4]和足底壓力分布檢測技術(shù)[5-6]。 前者使用攝像機采集人體步態(tài)圖像信息生成步態(tài)數(shù)據(jù)庫，利用深度學習交叉識別方法對所有視圖進行訓練構(gòu)建對比網(wǎng)絡(luò)，再將后續(xù)采集的圖像信息輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，比對出當前人體步態(tài)信息[7-8]。 后者則利用位于足底的多路壓阻傳感器(部分含有加速度計)或壓電傳感器采集不同頻率下人體的步態(tài)波形，從波形中提取相關(guān)特征參數(shù)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再對輸入數(shù)據(jù)進行預測，可精準判斷人體姿態(tài)[9-10]。 從低成本與可穿戴的角度出發(fā)，后者具有重要的研究價值[11]。 可穿戴便攜式電子設(shè)備通常依賴于電化學電池供電，但電化學電池具有成本較高、壽命較短及處理廢舊電池帶來的環(huán)境污染等問題[12]，因此，尋找新的能量供給方式顯得十分必要且迫切。

采集機械振動能量轉(zhuǎn)換成電能為可穿戴電子設(shè)備自供電已成為當前研究熱點。 在機械能收集的研究中，已報道的能量收集器采用了壓電[12-13]、電磁[14]、摩擦[15]等多種換能原理。 例如，樊康旗等人[12]設(shè)計了安裝在鞋上的壓電俘能器，可收集人體行走時產(chǎn)生的能量。 溫濤等人[14]設(shè)計了磁懸浮式電磁-摩擦復合生物機械能量采集器，對可穿戴設(shè)備實現(xiàn)自供電。 Meier 等人[16]研發(fā)了一種為足病感測裝置供電的壓電能量收集鞋，當人體步行或跑步時，可通過能量收集鞋獲取能量。 上述研究無疑為可穿戴自供能技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)之上，圍繞能量收支平衡，本文系統(tǒng)研究了低成本、可穿戴的基于壓電俘能器自供電的步態(tài)檢測系統(tǒng)。 在壓電俘能器設(shè)計方面，采用了陶瓷壓電片陣列與塔簧，并設(shè)計了相應(yīng)的壓電俘能電路與低功耗程序運行流程。 在步態(tài)檢測研究中，根據(jù)人體動靜狀態(tài)標記和優(yōu)化薄膜壓電傳感器放置點位，并利用獲得的壓力波形對站立、步行、跑步和跌倒等步態(tài)活動進行識別。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

如圖1 所示，基于壓電俘能器自供電的步態(tài)檢測系統(tǒng)以鞋體為主要支撐，鞋體內(nèi)部被劃分為雙層結(jié)構(gòu)，分別是由壓電薄膜陣列構(gòu)成的足底壓力檢測裝置和由壓電片陣列構(gòu)成的壓電俘能器。

圖1 整體系統(tǒng)設(shè)計框圖

基于PZT 陶瓷壓電片陣列的壓電俘能器將人體運動機械能轉(zhuǎn)化成電能并通過設(shè)計的壓電俘能電路存儲到超級電容，再通過DC-DC 穩(wěn)壓給步態(tài)檢測系統(tǒng)供電；足底壓力檢測裝置通過柔性PVDF 壓電薄膜陣列檢測人體運動時足底的壓力變化情況；當人體處于運動狀態(tài)時，足部可以緩沖并吸收來自地面的沖擊力，產(chǎn)生向前的推力。 當人體姿態(tài)發(fā)生變化時，足底壓力分布也會發(fā)生相應(yīng)改變，壓力波形上呈現(xiàn)出明顯變化，因此可通過分析輸出波形得到人體的活動狀態(tài)信息。 足底壓力檢測裝置還包括信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)透傳模塊，信號調(diào)理模塊由電荷放大器、電壓抬升器與電壓放大器組成，電荷放大器與電壓抬升器對壓電元件輸出的微弱電荷信號進行差分放大與電壓轉(zhuǎn)換，電壓放大器進一步調(diào)整輸出電壓幅值區(qū)間，保證數(shù)值滿足AD 轉(zhuǎn)化要求。 微處理器MCU 負責提取用于人體步態(tài)活動判別的壓力波形，最終通過藍牙模塊將結(jié)果透傳至上位機顯示，用戶可通過上位機發(fā)出命令喚醒MCU 工作。

2 壓電俘能器設(shè)計

2.1 壓電俘能結(jié)構(gòu)

利用3D 制圖軟件Rhino 對壓電俘能器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2(a)所示，鞋墊長260 mm 且最寬處9 mm，可滿足正常的實驗要求。 結(jié)構(gòu)中主體部分為6片方形雙晶陶瓷壓電片，在趾骨、足中、足跟位置各放置兩片。 鑒于壓電陶瓷易碎韌性低的特點，引入擁有較強彈性形變能力的塔簧支撐壓電片，保證其不受損，同時對壓電片的能量輸出起到彈性放大作用。 圖2(b)和圖2(c)分別是壓電俘能器實物俯視圖和側(cè)視圖。 該結(jié)構(gòu)采用亞克力作為3D 打印材料，上下兩層定制成鞋墊形狀并通過輕質(zhì)螺栓與螺母進行固定，再利用凹槽將雙晶陶瓷壓電片嵌入于鞋墊之中，同時采用導線分別從它的鍍銀層和銅片引出兩極，最終6 路壓電輸出分別經(jīng)全波整流電路整流后以并聯(lián)的方式輸入到壓電俘能電路。

圖2 壓電俘能器3D 結(jié)構(gòu)示意圖與實物圖

2.2 壓電俘能電路

壓電俘能電路是微能量收集系統(tǒng)的核心部分，本文采用有源能量收集模式，因而電路采集的能量既要主體上存入超級電容給后續(xù)步態(tài)檢測系統(tǒng)供電，又要維持有源器件的正常工作。 由于雙晶陶瓷壓電片產(chǎn)生的是不穩(wěn)定的交流電，因此需要整流電路將交流輸出轉(zhuǎn)化為直流，設(shè)計中選用低功耗二極管1N4148 搭建6 路全波整流電路，如圖3 所示，6片壓電片分別接入各路整流電路并將輸出以并聯(lián)方式連接作為能量輸入端，接口J1 為俘能電路能量輸出端。 整個電路采用了逐級充電的思想，詳細的工作流程為:(1)首先整流后的電流流入小電容C1中，當C1兩端電壓逐漸升高但未達到NMOS 管Q1的開啟閾值電壓時，Q1處于截止狀態(tài)，由于電阻R1的阻值很大，導致PMOS 管Q2柵極與源極電位相同，因此Q2也處于截止狀態(tài)；(2)當C1兩端電壓上升到Q1的開啟閾值電壓后，Q2的柵極處于低電位從而也被導通，因此部分電流會流入大電容C2為其充電，同時流入C1的電流變小，C1兩端的電壓逐漸降低并小于閾值電壓，Q1、Q2慢慢進入截止狀態(tài)，然后電流再次全部流入C1中。 在此過程中，C1為施密特觸發(fā)器U1 提供工作電壓；(3)當C2電壓上升到施密特觸發(fā)器的開啟閾值，即2/3VCC 時，施密特觸發(fā)器使能電壓轉(zhuǎn)換器TPS61220，大電容C2中的電荷經(jīng)轉(zhuǎn)換器輸出穩(wěn)定的電壓給超級電容充電[17]，當C2電壓低于1/3VCC 時，轉(zhuǎn)化器關(guān)閉，C2繼續(xù)積蓄電能。 值得注意的是，轉(zhuǎn)換器的輸出端接二極管1N4148 防止超級電容中的電流倒流。

圖3 壓電俘能電路原理圖

3 步態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 足底壓力檢測點位選擇

足底PVDF 壓電傳感器陣列主要檢測人體靜息和運動狀態(tài)下的壓力變化情況，足底點位包括足跟、足中、第一跖骨至第五跖骨、第一趾骨至第五趾骨等。 在選擇點位之前，需進行壓力標定，選擇最合適的壓電元件放置點位，足底壓力測量結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，靜態(tài)下足底壓力分布為:足跟＞第2 跖骨＞第3 跖骨＞第4 跖骨＞第5 跖骨＞足中＞第1 趾骨＞第2 趾骨＞第3 ～5 趾骨。 動態(tài)下足底壓力分布為:第3 跖骨＞足跟＞第2 跖骨＞第1 趾骨＞第4 跖骨＞第1 跖骨＞第2 趾骨＞足中＞第3 ～5 趾骨，且當人體處于動態(tài)時，足底壓力分布較靜態(tài)時明顯增大。 根據(jù)足底壓力標定的結(jié)果，最終挑選足跟、第2 跖骨、第3 跖骨這三個點位作為壓電元件放置點位。

表1 靜態(tài)與動態(tài)時足底壓力測量數(shù)據(jù)

3.2 信號調(diào)理電路

由于足底PVDF 壓電薄膜傳感器輸出的電荷信號比較微弱，必須設(shè)計匹配的調(diào)理電路將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大[18]，本文設(shè)計的信號調(diào)理電路如圖4 所示，它由TCL2254 四路軌到軌微功耗運放芯片及其外圍電路組成，TCL2254 具有較高的輸入阻抗，適合于高阻抗源的小信號調(diào)節(jié)。 從圖4 不難看出，本電路利用TLC2254 的第一級運放及電容、電阻構(gòu)成高輸入阻抗、高增益的電荷放大器。PVDF 壓電薄膜受力產(chǎn)生的電荷由P13 口輸入，經(jīng)電荷放大器差分放大與轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生毫伏級的電壓，仍需要電壓放大器實現(xiàn)信號進一步放大，因此將第二級運放設(shè)計成電壓放大器。 考慮到不同體重人群產(chǎn)生的步態(tài)信號強度不同，采用滑動變阻器R22 可以動態(tài)調(diào)整電壓增益。 第三級運放設(shè)計成電壓跟隨器，其輸出電壓接入電荷放大器的同相輸入端，主要起到電壓抬升器的作用，可消除負電壓，同時實現(xiàn)放大器之間的阻抗匹配。 未使用的第四級運放的輸入輸出管腳不能夠懸空，懸空的管腳電平不穩(wěn)定，容易受到外界電磁干擾，因此本設(shè)計中將它也連成電壓跟隨器形式，即:正相輸入端接BT-VCC 的分壓，反相輸入端與輸出端相連。 經(jīng)過該信號調(diào)理電路之后輸出的電壓范圍為0 V～3 V，滿足ADC 的電壓檢測范圍，最終電壓信號輸入至MCU 內(nèi)置的ADC2通道。

圖4 信號調(diào)理電路原理圖

3.3 自供電步態(tài)檢測裝置

圖5(a)、5(b)、5(c)分別表示足底壓力檢測鞋墊實物圖、整體裝置圖和穿戴測量示意圖，其中足底壓力檢測裝置由帶有柔性壓電元件的鞋墊、壓電俘能器、壓電俘能電路、信號調(diào)理電路、單片機最小系統(tǒng)、超低功耗藍牙和上位機組成。 帶有柔性PVDF壓電薄膜陣列的鞋墊與壓電俘能器均安置于鞋體之中，壓電俘能器通過壓電俘能電路給信號調(diào)理電路與單片機最小系統(tǒng)供電，微處理器MCU 接收并軟件濾波處理柔性壓電元件輸出的波形數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果通過藍牙發(fā)送至上位機顯示。

圖5 足底壓力檢測裝置及穿戴示意圖

4 實驗測試與分析

4.1 壓電俘能器測試

對壓電俘能器進行發(fā)電能力測試時，在能量俘獲電路的DC-DC 轉(zhuǎn)化芯片電壓輸出端外接1 F，5.5 V 的超級電容，人體保持大約1 Hz 行走頻率，充電時長為1 h 且每隔5 min 記錄一次超級電容電壓增量情況，測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 超級電容電壓增量過程圖

壓電俘能電路的電能增量E和功率P的計算公式如下:

式中:C為超級電容容量，V1和V2分別表示初始狀態(tài)下和充電后超級電容上的電壓值，Δt表示充電時間間隔，計算得到壓電俘能電路在單位小時內(nèi)的電能增量0.731 J，功率0.203 mW。 實驗中還發(fā)現(xiàn)，如果人體行走頻率加快，超級電容中電壓上升速度加快，若人體保持行走頻率降低，充電速度便有所減緩，說明運動頻率快慢能夠影響實際的充電性能。

4.2 步態(tài)檢測模塊能耗測試

選擇STM32L1 為主控芯片，選擇待機模式作為低功耗模式，其待機模式下電流值為11.1 μA，藍牙以JDY-19 為核心，對其三種狀態(tài)下的電流值進行測量分別為846 μA、8.9 μA 和682 μA；信號調(diào)理模塊以TLC2254 為核心，其通道輸出電流為235 μA。表2 給出了各單元實際測量值與理論值的比較結(jié)果。

表2 各單元實際測量值與理論值比較

4.3 低功耗方式設(shè)計

為盡可能減小步態(tài)檢測系統(tǒng)的能量損耗，使其工作電流可以保持在較低水平并保證裝置有效工作，需設(shè)計合理的低功耗工作流程，如圖7 所示，共分為四個階段:系統(tǒng)待機與充電過程Standby and charge、系統(tǒng)啟動連接Standup、系統(tǒng)運行Run 和系統(tǒng)關(guān)閉Shut down，圖7 中展現(xiàn)出各個階段的工作時間和所消耗的電流大小。

圖7 程序運行流程

①系統(tǒng)待機與充電階段:單片機MCU 和藍牙JDY-19 保持待機，超級電容持續(xù)充電，系統(tǒng)電流約為19.9 μA。 JDY-19 等待用戶喚醒指令，MCU 等待上升沿喚醒指令；②系統(tǒng)啟動連接階段:JDY-19 喚醒和連接過程即用戶手動打開并連接藍牙過程大約持續(xù)2 s。 在喚醒未連接階段，微處理器MCU 保持待機且JDY-19 保持未連接狀態(tài)，動作約持續(xù)1 s，系統(tǒng)電流約693.1 μA。 喚醒連接階段表示JDY-19正常工作但微處理器MCU 還處于待機狀態(tài)，動作約持續(xù)1 s，系統(tǒng)電流約857.1 μA；③系統(tǒng)運行階段:MCU 初始化后正常運行，以IO 控制方式切斷JDY-19 電源，時間共持續(xù)約12 s。 系統(tǒng)初始化時間持續(xù)約2 s。 系統(tǒng)正常工作階段主要包括打開外設(shè)、壓電傳感器采樣，MCU 接收并處理數(shù)據(jù)的過程，傳感器采樣周期設(shè)為10 s，此階段MCU 與步態(tài)檢測信號調(diào)理電路正常工作電流約為1.015 mA；④系統(tǒng)關(guān)閉階段:MCU 將處理結(jié)果發(fā)送至JDY-19 后再次進入待機，此階段約持續(xù)1.014 s。 首先以IO 控制工作電源的方式關(guān)閉信號調(diào)理模塊并開啟JDY-19 模塊電源，喚醒連接過程持續(xù)約1 s。 接著，MCU 向JDY-19 發(fā)送一幀數(shù)據(jù)結(jié)果，數(shù)據(jù)發(fā)送過程大約持續(xù)7 ms，最后MCU 切換至待機模式并再次等待喚醒指令到來，同時JDY-19 自動進入睡眠。 該階段MCU正常工作、JDY-19 喚醒連接與正常工作的電流，電流分別為1.462 mA、1.67 mA 和788.9 μA。

單個程序運行周期完成，微處理器MCU 再次進入待機狀態(tài)，利用下式對系統(tǒng)運行周期內(nèi)的功耗W和平均功率進行計算。

式中:U表示工作電壓3.3 V，In表示n階段的工作電流大小，tn表示各個階段的運行時間，最終運算結(jié)果為單周期功耗58.1 mJ，平均功率為3.87 mW。 已知壓電自供能裝置輸出功率P為203 μW，而單個運行周期的平均功率為3.87 mW，收集的電能并不能滿足程序在單運行周期內(nèi)電能的損耗。 若要實現(xiàn)能量的收支撐平衡，可采取“間斷性”數(shù)據(jù)采集的方式來工作，即一段時間集能，一段時間系統(tǒng)工作，間斷時間也即壓電自供能裝置的充電時間。

式中:t表示間斷時間，W1表示單個程序運行周期的功耗，P表示待機狀態(tài)下，壓電式自供能裝置的輸出功率，I表示待機狀態(tài)下電流19.9 μA，U表示待機狀態(tài)下的電壓。 最終計算結(jié)果表明，當間隔時間為423 s，步態(tài)檢測系統(tǒng)可完成一次完整的數(shù)據(jù)采集與處理。

4.4 不同步態(tài)下足底壓力波形特征分析

步態(tài)測試實驗要求規(guī)范如下:①告知測試者實驗流程及實驗須知；②記錄測試者性別、身高與體重三要素；③按照要求穿上鞋并保持腳掌與傳感器點位完全接觸；④通過示波器觀測壓電元件輸出波形，待輸出波形穩(wěn)定開始測驗；⑤測試者按照指令執(zhí)行對應(yīng)的動作完成站立、步行、跑步和跌倒這四種動作；⑥實驗數(shù)據(jù)保存在微處理器緩沖區(qū)中，實驗結(jié)束后利用緩沖區(qū)的波形特征數(shù)據(jù)對人體活動進行判別。 圖8 給出了一次完整的經(jīng)過軟件濾波處理后的足底壓力輸出波形，當人體靜止站立時壓電傳感元件的電壓輸出為站姿基準線，在站姿基準線以上的部分，波形從第一次顯著上升沿開始到第二次顯著上升沿開始記為一個運動周期T。 整個周期劃分為t1，t2，t3和t4四個階段。t1表示人體開始對足部柔性壓電傳感元件施加壓力時，該時刻存在一個峰值點且對應(yīng)壓力的極大值。t2對應(yīng)人體足部逐漸松開壓電元件的過程，該時刻壓力值慢慢減小。t3對應(yīng)人體完全松開壓電元件的過程，該時間由于傳感器存在向上的形變，壓力值對應(yīng)輸出一個最低點。t4時刻表示人體擺動的過程，該時刻壓力曲線相對平穩(wěn)，無其他異動。

圖8 足底壓力輸出波形

圖9 則展示了測試者穿上鞋完成站立、步行、跑步與跌倒四種步態(tài)活動對應(yīng)壓電元件的輸出壓力波形。 每路波形中縱坐標代表ADC 數(shù)值經(jīng)歸一化后的結(jié)果，橫坐標表示窗口期即10 s 的采樣時間。 圖9(a)給出了測試者穿上鞋到站立不動的過程，當人體靜止時，壓力波形便趨向于平穩(wěn)，此刻波形均值保持在“站姿基準線”位置，且由于人體足部受力的原因，每路傳感器的站姿基準線輸出幅值上存在細微差異。 圖9(b)表示人體由站立到步行的過程，此時可以看到每路傳感器輸出波形均存在明顯的周期。圖9(c)對應(yīng)人體由步行開始跑步的過程，當人體跑步頻率加快時，峰與峰之間的間距逐漸減小，緩沖波形t3和t4時間段縮短甚至只存在t1和t2波段的過程。 圖9(d)是人體步行時不小心跌倒的過程，當人體跌倒時，波形變得平滑且數(shù)值低于站姿基準線。由實驗檢測結(jié)果可見，根據(jù)足底壓力波形特征可以有效判斷出此刻人體的步態(tài)信息。

圖9 人體站立、步行、跑步和跌倒過程壓力輸出波形

5 結(jié)論

本文設(shè)計完成了基于壓電俘能器的自供電步態(tài)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以壓電元件為核心，將人體運動機械能轉(zhuǎn)換成電能并存儲于超級電容中，用于足底壓力測量裝置的供電。 通過分析多路壓電元件輸出壓力波形的特征可以對人體站立、步行、跑步、跌倒四種步態(tài)活動進行檢測。 通過實驗測試驗證了人體在正常步行情況下，壓電俘能器轉(zhuǎn)化的電能可滿足步態(tài)檢測系統(tǒng)“間斷性”工作，并且系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)人體步態(tài)檢測，本文結(jié)果為基于壓電自供電的步態(tài)檢測系統(tǒng)的研究提供了一定的參考。