[發(fā)明專利]基于人體運動混合微能量收集的心率監(jiān)測系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112472058A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張加宏;李玲;王超;邢俊
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號: A61B5/024
• 分類號: A61B5/024;A61B5/00;H02J7/00;H02J7/32;H02J7/34;H02N1/04;H02N2/18
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

基于人體運動混合微能量收集的心率監(jiān)測系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括混合微能量收集單元，能量管理與輸出單元，柔性壓阻傳感器單元，數(shù)據(jù)處理及無線傳輸單元。該心率監(jiān)測系統(tǒng)能夠收集人體運動時衣物摩擦產(chǎn)生的能量以及腳后跟產(chǎn)生的壓電能量，通過能量管理與輸出單元，將電能存儲在超級電容中，并經(jīng)能量管理與輸出單元中的穩(wěn)壓輸出模塊，給柔性壓阻傳感器單元和數(shù)據(jù)處理及無線傳輸單元供電，柔性壓阻傳感器單元測到的心率數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理及無線傳輸單元處理后通過lora模塊傳輸給網(wǎng)關(guān)再發(fā)送給數(shù)據(jù)處理分析中心，從而檢測出是否有心率異常同時反饋警告或?qū)嵤┚戎１?a href="http://www.szxzyx.cn" title="鉆瓜專利網(wǎng)">發(fā)明能夠以較高效率收集人體運動時產(chǎn)生的能量，在能源利用以及環(huán)保方面意義重大。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微能量收集技術(shù)與儲能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于人體運動混合微能量收集的心率監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

隨著個人移動醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展，人體健康監(jiān)測設(shè)備對電源的便攜性和續(xù)航能力的要求越來越高。電池作為現(xiàn)代移動電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)單元中的最大最重部件，需要對其便攜性和尺寸大小進行設(shè)計取舍。為了解決這一難題，現(xiàn)已開發(fā)出將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為電能來給微小型設(shè)備供電的技術(shù)。然而傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置如基于電磁感應(yīng)的發(fā)電機，對機械轉(zhuǎn)動頻率有很高的要求，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難適用于收集人體的運動能量，現(xiàn)基于接觸帶電和靜電感應(yīng)相結(jié)合發(fā)明的摩擦電納米發(fā)電機(TENG)已被證明是一種很有前途的技術(shù)，其具有制造材料選擇多樣、成本低、重量輕等優(yōu)點，在普通運動場景中都能發(fā)揮重大作用。壓電轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)小型化與集成化，具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對個人移動醫(yī)療中設(shè)備電池便攜性及尺寸大小取舍的問題，提供一種基于人體運動混合微能量收集的心率監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于人體運動混合微能量收集的心率監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述心率監(jiān)測系統(tǒng)包括混合微能量收集單元、能量管理與輸出單元、柔性壓阻傳感器單元、數(shù)據(jù)處理及無線傳輸單元；所述混合微能量收集單元由1個可編織單電極TENG和2個分別放在左右腳后跟的壓電采集器構(gòu)成；所述能量管理與輸出單元和數(shù)據(jù)處理及無線傳輸單元都被封裝在腕帶里；人體運動擺臂時，所述TENG和壓電采集器產(chǎn)生交流電并發(fā)送至能量管理與輸出單元，能量管理與輸出單元將交流電經(jīng)過轉(zhuǎn)化存儲在超級電容中，并通過TPS63020穩(wěn)壓輸出模塊給柔性壓阻傳感器單元和數(shù)據(jù)處理及無線傳輸單元供電；所述柔性壓阻傳感器單元采集電信號數(shù)據(jù)并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理及無線傳輸單元，所述數(shù)據(jù)處理及無線傳輸單元對接收的電信號數(shù)據(jù)進行處理，獲取人體的脈搏數(shù)據(jù)。

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

進一步地，所述TENG由正極材料和負極材料組成，所述正極材料縫在上衣左袖底縫靠近腋窩部位，所述負極材料縫在上衣左擺縫靠近腋窩部分；正極材料由錦綸紗線編織而成，正極材料的長寬均為5cm，負極材料由包裹了銅箔膠帶的納米纖維聚四氟乙烯膜細條編織而成，所述納米纖維聚四氟乙烯膜細條的長寬分別為10cm、0.5cm，整個負極材料的長寬均為10cm，兩種編織方法均為平織法。

進一步地，所述負極材料由經(jīng)線和緯線組成，所述經(jīng)線和緯線里的銅箔膠帶都連接并引出導(dǎo)線，作為導(dǎo)電電極；一片長寬均為5cm的鋁箔膠帶被貼在負極材料附近作為參考電極。

進一步地，所述正極材料和負極材料因為人體的擺臂運動相互摩擦，使得正極材料的錦綸帶正電，負極材料的聚四氟乙烯帶負電，當正負極材料分離時，由于局部電場被改變，銅箔膠帶的銅箔和鋁箔膠帶的鋁箔之間發(fā)生電子交換，電子從銅箔移動到鋁箔；當正負極材料接觸時，電子又從鋁箔移動到銅箔，由此產(chǎn)生交流電。

進一步地，所述壓電采集器采用堆疊式壓電采集器，由多層粘合工藝制備的層疊式PZT組成。

進一步地，所述堆疊式壓電采集器由5層成品PZT和層間電極銅片粘合固定，其中，所述層間電極銅片通過導(dǎo)電銀膠與PZT的上下銀電極粘合，用導(dǎo)線連接第一、三層的層間電極銅片作為負極，連接第二、四層的層間電極銅片作為正極。