基于GPRS和Flexi Force傳感器的足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高敏， 張一帆*， 洪成雨， 李毓陵， 高衛(wèi)東

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201600；2.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200444；3.江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

足底壓力測(cè)定是康復(fù)醫(yī)學(xué)中步態(tài)分析的一個(gè)重要組成部分，是分析和衡量足底壓力異常的基礎(chǔ)[1-3]。隨著年齡的增長(zhǎng)，足底壓力分布會(huì)發(fā)生明顯改變，因此了解足底壓力分布變化以及生物力學(xué)分析有重要作用[4-5]。 目前，足底壓力分布的研究已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、競(jìng)技體育科研、步態(tài)識(shí)別、臨床足疾診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)、個(gè)性化工業(yè)設(shè)計(jì)等[6]。

美國Tekscan公司開發(fā)的F-Scan測(cè)力鞋墊系統(tǒng)，可對(duì)任何接觸面的壓力分布進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，并以直觀形象的二維、三維彩色圖像實(shí)時(shí)顯示壓力分布的輪廓和數(shù)據(jù)，還能存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)以便用戶隨時(shí)查看與分析[7]。德國Novel公司足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量并記錄其表面所承受的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力，多元化的分析軟件可對(duì)測(cè)量的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[8]。比利時(shí)RSscan公司研發(fā)的平板測(cè)力系統(tǒng)，可用于赤足或著鞋時(shí)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析，可應(yīng)用于多種運(yùn)動(dòng)形式(如走路、跑步、滑雪、滑冰等)的步態(tài)分析[9-10]。這些測(cè)量系統(tǒng)主要是利用不同類型的壓力傳感器通過藍(lán)牙或ZigBee對(duì)足底壓力進(jìn)行短距離監(jiān)測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程意義上的足底壓力監(jiān)測(cè)。

1993年英國 BT Cellnet 公司提出了通用無線分組業(yè)務(wù)(general packet radio service，GPRS)，它是GSM Phase2+(1997年)規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一。GPRS是第2.5代無線移動(dòng)通信技術(shù)(即2.5G網(wǎng)絡(luò))，它介于2G網(wǎng)絡(luò)(2-generation wireless telephone technology)、第二代無線移動(dòng)通信技術(shù)和3G 網(wǎng)絡(luò)(3-generation wireless telephone technology)、第三代無線移動(dòng)通信技術(shù)之間，是2G向3G 過渡的橋梁。通過這個(gè)技術(shù)，GPRS 用戶可以接入到Internet，與全世界的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)[11]。GPRS具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、 接入時(shí)間短、按流量計(jì)費(fèi)、實(shí)時(shí)在線等特點(diǎn)[11-12]。

文中利用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù)和智能傳感器技術(shù)，通過GPRS和Flexi Force薄膜壓力傳感器對(duì)足底壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。GPRS是以手機(jī)系統(tǒng)(GSM)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在現(xiàn)有的GSM基站系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過改造實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組交換。

1 GPRS工作原理

首先，通過GPRS的數(shù)據(jù)終端(如手機(jī))與移動(dòng)通信服務(wù)商的基站 (base station subsystem，BSS)建立通信；然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) (serving GPRS suport node，SGSN)， SGSN負(fù)責(zé)記錄并跟蹤SGSN服務(wù)區(qū)內(nèi)移動(dòng)終端的當(dāng)前位置，并提供安全功能和接入控制，是無線接入網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的分界線；通過SGCN傳輸?shù)紾PRS骨干網(wǎng)中的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(gateway GPRS suport node，GGSN)與其他Internet 連接，GGSN負(fù)責(zé)控制用戶的路由信息，用于實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的互通，可視為GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)或者路由，是GPRS核心網(wǎng)和外網(wǎng)的分界線。GGSN與SGSN組合在一起，共同實(shí)現(xiàn)GPRS的路由功能，數(shù)據(jù)從Internet 到達(dá)GPRS模塊的傳輸過程和這個(gè)過程正好相反[13-15]。GPRS工作原理如圖1所示。

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

2 Flexi Force薄膜壓力傳感器工作原理

Flexi Force薄膜壓力傳感器是一種超薄和撓性印刷電路，具有可彎曲性和測(cè)力特性，可用于測(cè)量?jī)杀砻嬷g的壓力(牙齒咬合力，握力等)。Flexi Force薄膜壓力傳感器線性度<±3%、重復(fù)性<±2.5%(滿量程)、滯后性<±4.5%(滿量程)、漂移<5%lgt、響應(yīng)時(shí)間<5 μs、厚度為0.15 mm，對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電阻大小為1 kΩ～1 MΩ。傳感器的采集頻率為30 Hz的 Flexi Force傳感器薄如紙張且柔韌性強(qiáng)，在線性、滯后性、漂移和靈敏度方面具有優(yōu)良特性，測(cè)量精度高[16]。Flexi Force傳感器的制造基于兩層基板，基材由聚酯薄膜(或聚酰亞胺)構(gòu)成，導(dǎo)電材料(銀)被施加在基層上，然后是一層壓敏墨水。為了形成完整的傳感器，利用黏合劑將兩個(gè)基底層粘合在一起，傳感器的感應(yīng)區(qū)域由傳感器頂部的壓敏墨水(銀色圓圈)的大小確定。當(dāng)有力施加在傳感器的感應(yīng)區(qū)域，薄膜壓力傳感器在電路中相當(dāng)于可變電阻。傳感器感應(yīng)區(qū)域沒有壓力時(shí)，阻值非常高(>1 MΩ)；當(dāng)有力作用在傳感器區(qū)域時(shí)，導(dǎo)電材料接觸導(dǎo)電電極，從而改變傳感器的電阻[17-19]。

3 足底壓力的GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

圖2為GPRS和Flexi Force傳感器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)流程。足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集合了電子、信息、傳感器、通信等多學(xué)科的綜合系統(tǒng)，主要由足底壓力監(jiān)測(cè)終端、通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心以及手持終端設(shè)備組成。足底壓力監(jiān)測(cè)終端作為本系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于采集足底壓力數(shù)據(jù)，再通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)信息，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示以及存儲(chǔ)。遠(yuǎn)程操作者通過控制遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)全面監(jiān)控足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)特定環(huán)境下的測(cè)試者進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過Internet接收來自Flexi Force薄膜壓力傳感器監(jiān)測(cè)的足底壓力信息，操作者只要對(duì)返回的傳感器信息進(jìn)行監(jiān)控，即可實(shí)現(xiàn)足底壓力的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

圖2 GPRS和Flexi Force傳感器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)Fig.2 Remote monitoring with GPRS and Flexl Force sensors

4 實(shí)驗(yàn)部分

將Flexi Force薄膜壓力傳感器放置在鞋墊足跟處，測(cè)試者在跑步機(jī)上以不同速度運(yùn)動(dòng)，利用GPRS模塊將GPR連接到基站BBS，在基站系統(tǒng)GPRS協(xié)議(base station system GPRS protocol，BSSGP)層實(shí)現(xiàn)BSS和SGSN之間路由和其他信息的傳輸。GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端(手機(jī)等設(shè)備上)，實(shí)現(xiàn)足跟壓力數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)測(cè)。圖3為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電腦和手機(jī)端界面。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電腦端和手機(jī)端界面Fig.3 Computer and mobile interface of the monitoring system

利用GPRS模塊和Flexi Force薄膜壓力傳感器將遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端(手機(jī)等設(shè)備上)上，通過Origin或Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，文中對(duì)不同身高和體質(zhì)量的30位成年女性的足底壓力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)具有足底應(yīng)力相對(duì)集中的特點(diǎn)，分別為第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨和足跟4個(gè)點(diǎn)，足底測(cè)量部位如圖4所示。足底壓力測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖4 足底測(cè)量點(diǎn)Fig.4 Plantar measuring point

圖5 足底不同測(cè)量點(diǎn)壓力值比較Fig.5 Comparison of pressure values at different measure-ment points of the sole of the foot

由圖5(a)可以看出，所有受試者的足跟壓力始終保持最大；前足3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力比較：P(第5跖骨)>P(第4跖骨)>P(第3跖骨)。由于身高和體質(zhì)量的不同，受試者在同一點(diǎn)的足底壓力值各不相同。將前足3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力值分別與足跟相比(見圖9(b)，30名受試者的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)變化趨勢(shì)不明顯。究其原因，主要是每個(gè)受試者步態(tài)不同，其重心偏移情況不同，表明其步態(tài)存在個(gè)體差異。

5 結(jié)語

GPRS獨(dú)特的“分組”模式，用戶只有在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，多個(gè)用戶可以高效享有同一無線信道，從而提高資源利用率；GPRS模塊接入Internet網(wǎng)絡(luò)，不受地點(diǎn)與空間的限制，克服了傳統(tǒng)足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受距離的限制，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有手機(jī)端和電腦端的數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)采集的方便性，為遠(yuǎn)程足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)App的研發(fā)與應(yīng)用提供依據(jù)。

文中只對(duì)正常足各點(diǎn)壓力進(jìn)行了初步研究分析，而高弓足和扁平足足底壓力有待研究，未來可以增加測(cè)量點(diǎn)，擴(kuò)大受試者的年齡分布，建立足底壓力數(shù)據(jù)庫，方便足底壓力自診斷技術(shù)的應(yīng)用。