本发明属于微能量收集技术与储能电池技术领域，具体涉及基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统及方法。
背景技术：
随着个人移动医疗设备的发展，人体健康监测设备对电源的便携性和续航能力的要求越来越高。电池作为现代移动电子产品和物联网单元中的最大最重部件，需要对其便携性和尺寸大小进行设计取舍。为了解决这一难题，现已开发出将环境能量转化为电能来给微小型设备供电的技术。然而传统的能量转换装置如基于电磁感应的发电机，对机械转动频率有很高的要求，设计结构复杂，难适用于收集人体的运动能量，现基于接触带电和静电感应相结合发明的摩擦电纳米发电机(teng)已被证明是一种很有前途的技术，其具有制造材料选择多样、成本低、重量轻等优点，在普通运动场景中都能发挥重大作用。压电转换装置结构简单，可实现小型化与集成化，具有广阔的应用发展前景。
技术实现要素：
本发明针对个人移动医疗中设备电池便携性及尺寸大小取舍的问题，提供一种基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于，所述心率监测系统包括混合微能量收集单元、能量管理与输出单元、柔性压阻传感器单元、数据处理及无线传输单元；所述混合微能量收集单元由1个可编织单电极teng和2个分别放在左右脚后跟的压电采集器构成；所述能量管理与输出单元和数据处理及无线传输单元都被封装在腕带里；人体运动摆臂时，所述teng和压电采集器产生交流电并发送至能量管理与输出单元，能量管理与输出单元将交流电经过转化存储在超级电容中，并通过tps63020稳压输出模块给柔性压阻传感器单元和数据处理及无线传输单元供电；所述柔性压阻传感器单元采集电信号数据并发送至数据处理及无线传输单元，所述数据处理及无线传输单元对接收的电信号数据进行处理，获取人体的脉搏数据。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述teng由正极材料和负极材料组成，所述正极材料缝在上衣左袖底缝靠近腋窝部位，所述负极材料缝在上衣左摆缝靠近腋窝部分；正极材料由锦纶纱线编织而成，正极材料的长宽均为5cm，负极材料由包裹了铜箔胶带的纳米纤维聚四氟乙烯膜细条编织而成，所述纳米纤维聚四氟乙烯膜细条的长宽分别为10cm、0.5cm，整个负极材料的长宽均为10cm，两种编织方法均为平织法。
进一步地，所述负极材料由经线和纬线组成，所述经线和纬线里的铜箔胶带都连接并引出导线，作为导电电极；一片长宽均为5cm的铝箔胶带被贴在负极材料附近作为参考电极。
进一步地，所述正极材料和负极材料因为人体的摆臂运动相互摩擦，使得正极材料的锦纶带正电，负极材料的聚四氟乙烯带负电，当正负极材料分离时，由于局部电场被改变，铜箔胶带的铜箔和铝箔胶带的铝箔之间发生电子交换，电子从铜箔移动到铝箔；当正负极材料接触时，电子又从铝箔移动到铜箔，由此产生交流电。
进一步地，所述压电采集器采用堆叠式压电采集器，由多层粘合工艺制备的层叠式pzt组成。
进一步地，所述堆叠式压电采集器由5层成品pzt和层间电极铜片粘合固定，其中，所述层间电极铜片通过导电银胶与pzt的上下银电极粘合，用导线连接第一、三层的层间电极铜片作为负极，连接第二、四层的层间电极铜片作为正极。
进一步地，所述柔性压阻传感器单元置于橡胶腕带上，柔性压阻传感器单元的衬底中心设有凹槽，凹槽壁贴有铜箔胶带并延伸至衬底表面作为电极，所述衬底材料是ecoflex橡胶，所述凹槽在贴完铜箔胶带后注入ecoflex橡胶，并在其未干之前均匀铺上碳纳米管粉末作为敏感材料。
进一步地，所述能量管理与输出单元包括teng管理电路模块、ltc3588能量收集转换模块、超级电容、tps63020稳压输出模块；所述teng管理电路模块由阻抗匹配电路、全波整流电路以及能量存储电路组成；所述tps63020稳压输出模块由超级电容供电，并持续输出稳定的5v电压。
进一步地，所述数据处理及无线传输单元包含信号滤波模块、信号放大模块、a/d转换模块和lora模块。
此外，本发明还提出了采用如权利要求1所述心率监测系统的心率监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：使用者在运动时手臂摆动，teng和脚后跟的压电采集器产生交流电；
步骤二：teng产生的交流电经阻抗匹配后，又经桥式整流电路被转化为直流电，直流电经能量存储电路最终给超级电容充电；同时压电采集器经过ltc3588能量收集转换模块给超级电容充电；
步骤三：超级电容给tps63020稳压输出模块供电并持续输出5v的电压给柔性压阻传感器单元和数据处理及无线传输单元供电；
步骤四：数据处理及无线传输单元的信号滤波模块、信号放大模块、a/d转换模块接收到柔性压阻传感器单元发送的电信号数据进行一系列处理，然后将获得的脉搏数据通过lora模块发送给网关，继而终端分析中心收到脉搏数据并反馈健康分析结果。
本发明的有益效果是：本发明制作的teng在人体发生摆臂运动时，就能产生高电压脉冲交流电，脚部一旦运动也能产生高电压交流电。在混合微能量收集的情况下，能量收集效果显著增强，一定程度上改善了供电不足的情况。
附图说明
图1为本发明的人体在跑步场景下的系统示意图。
图2为本发明的缝在上衣的teng的负极材料结构原理图。
图3为本发明的teng发电原理图。
图4为本发明的嵌在鞋底的压电采集器结构原理图。
图5为本发明的teng的脉冲交流电示意图。
图6为本发明的压电交流电示意图。
图7为本发明的超级电容充电电压示意图。
图8a为本发明的柔性压电传感器结构俯视图。
图8b为本发明的柔性压电传感器结构侧视图。
图9为本发明的测量过程的系统工作框图。
附图标记如下：1、左脚后跟的压电采集器；2、右脚后跟的压电采集器；3、柔性压阻传感器单元；4、能量管理与输出单元；5、数据处理及无线传输单元；6、正极材料；7、负极材料；8、铝箔胶带；9、纬线；10、经线；11、纳米纤维聚四氟乙烯膜细条；12、铜箔胶带；13、锦纶纱线；14、铝箔胶带；15、堆叠式压电采集器；16、锆钛酸铅压电陶瓷(pzt)；17、银电极；18、层间电极铜片；19、衬底；20、橡胶腕带；21、铜箔胶带；22、碳纳米管粉末；23、凹槽。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
参考图1，本实施例提供了一种基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，该心率监测系统包括混合微能量收集单元，能量管理与输出单元4，柔性压阻传感器单元3，数据处理及无线传输单元5。其中混合微能量收集单元由1个可编织单电极摩擦纳米发电机(teng)和2个放在左右脚后跟的压电采集器构成，分别是左脚后跟的压电采集器1和右脚后跟的压电采集器2。能量管理与输出单元4和数据处理及无线传输单元5都被封装在腕带里。teng在人体运动摆臂时产生交流电，压电采集器与teng都将产生的交流电发送至能量管理与输出单元4。能量管理与输出单元4管理转化摩擦电和压电并存储在超级电容中，并通过此单元中的tps63020稳压输出模块给柔性压阻传感器单元3和数据处理及无线传输单元5供电。
参考图2和图3，teng的正极材料6缝在上衣左袖底缝靠近腋窝部位，负极材料7缝在上衣左摆缝靠近腋窝部分，摆臂时，正负极材料有最大接触面积，产生交流电。正极材料6是由锦纶纱线13编织成的，长宽均为5cm，负极材料7是由包裹了铜箔胶带12的长宽分别为10cm、0.5cm的纳米纤维聚四氟乙烯(ptfe)膜细条11编织而成的，整个负极材料7长宽均为10cm，两种编织方法均为“平织法”。负极材料7的经线10和纬线9里的铜箔胶带12都连接并引出导线，作为导电电极。一片长宽均为5cm的铝箔胶带8被贴在负极材料附近作为参考电极。
在本实施例中，teng的正负极材料因为人的摆臂运动相互摩擦，使得锦纶带正电，聚四氟乙烯带负电，当正负极材料分离时，由于局部电场被改变，铜箔胶带12的铜箔和铝箔胶带8的铝箔之间发生电子交换，电子从铜箔移动到铝箔。当正负极材料接触时，电子又从铝箔移动到铜箔，由此产生交流电。
参考图4，压电采集器采用堆叠式压电采集器15，主要构造是多层粘合工艺制备的层叠式锆钛酸铅压电陶瓷(pzt)。在一定高压下，5层成品pzt16和层间电极铜片18粘合固定，其中，层间电极铜片18是通过导电银胶与pzt16的上、下银电极17粘合的。用导线连接第一、三层的铜电极作为负极，连接第二、四层的铜电极作为正极。
参考图5，teng产生的交流电是电压值50-100v之间的脉冲交流电。
参考图6，压电采集器产生的交流电电压值在0-20v。
参考图7，容量5f的5.5v超级电容在teng和压电采集器充电情况下，电压值缓慢上升。
参考图8a和图8b，柔性压阻传感器单元3置于橡胶腕带20上，以人体舒适的松紧程度与脉搏精准贴合。柔性压阻传感器单元3的衬底19中心有凹槽23，凹槽壁贴有铜箔胶带21并延伸至衬底19表面作为电极。衬底19材料是ecoflex橡胶，在贴完铜箔胶带21后凹槽23注入ecoflex橡胶，并在其未干之前均匀铺上碳纳米管粉末22作为敏感材料。
实施例二
参考图9，本实施例提供了一种基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统的工作框图，监测方法包含如下步骤：
步骤一：使用者在运动时手臂摆动时teng和脚后跟的压电采集器产生交流电。
步骤二：teng产生的交流电经阻抗匹配后，又经桥式整流电路被转化为直流电，直流电经能量存储电路最终给超级电容充电；同时压电采集器经过ltc3588能量收集转换模块给超级电容充电。
步骤三：超级电容给tps63020稳压输出模块供电并持续输出5v的电压给柔性压阻传感器单元和数据处理及无线传输单元供电。
步骤四：数据处理及无线传输单元的信号滤波模块、信号放大模块、a/d转换模块接收到柔性压阻传感器单元发送的电信号数据进行一系列处理，然后将脉搏数据通过lora模块发送给网关，继而终端分析中心收到一系列数据并反馈健康分析结果，如有异常，实时救助。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
1.基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于，所述心率监测系统包括混合微能量收集单元、能量管理与输出单元(4)、柔性压阻传感器单元(3)、数据处理及无线传输单元(5)；所述混合微能量收集单元由1个可编织单电极teng和2个分别放在左右脚后跟的压电采集器构成；所述能量管理与输出单元(4)和数据处理及无线传输单元(5)都被封装在腕带里；人体运动摆臂时，所述teng和压电采集器产生交流电并发送至能量管理与输出单元(4)，能量管理与输出单元(4)将交流电经过转化存储在超级电容中，并通过tps63020稳压输出模块给柔性压阻传感器单元(3)和数据处理及无线传输单元(5)供电；所述柔性压阻传感器单元(3)采集电信号数据并发送至数据处理及无线传输单元(5)，所述数据处理及无线传输单元(5)对接收的电信号数据进行处理，获取人体的脉搏数据。
2.如权利要求1所述的基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于：所述teng由正极材料(6)和负极材料(7)组成，所述正极材料(6)缝在上衣左袖底缝靠近腋窝部位，所述负极材料(7)缝在上衣左摆缝靠近腋窝部分；正极材料(6)由锦纶纱线(13)编织而成，正极材料(6)的长宽均为5cm，负极材料(7)由包裹了铜箔胶带(12)的纳米纤维聚四氟乙烯膜细条(11)编织而成，所述纳米纤维聚四氟乙烯膜细条(11)的长宽分别为10cm、0.5cm，整个负极材料(7)的长宽均为10cm，两种编织方法均为平织法。
3.如权利要求2所述的基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于：所述负极材料(7)由经线(10)和纬线(9)组成，所述经线(10)和纬线(9)里的铜箔胶带(12)都连接并引出导线，作为导电电极；一片长宽均为5cm的铝箔胶带(8)被贴在负极材料附近作为参考电极。
4.如权利要求3所述的基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于：所述正极材料(6)和负极材料(7)因为人体的摆臂运动相互摩擦，使得正极材料(6)的锦纶带正电，负极材料(7)的聚四氟乙烯带负电，当正负极材料分离时，由于局部电场被改变，铜箔胶带(12)的铜箔和铝箔胶带(8)的铝箔之间发生电子交换，电子从铜箔移动到铝箔；当正负极材料接触时，电子又从铝箔移动到铜箔，由此产生交流电。
5.如权利要求1所述的基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于：所述压电采集器采用堆叠式压电采集器(15)，由多层粘合工艺制备的层叠式pzt组成。
6.如权利要求5所述的基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于：所述堆叠式压电采集器(15)由5层成品pzt(16)和层间电极铜片(18)粘合固定，其中，所述层间电极铜片(18)通过导电银胶与pzt(16)的上下银电极(17)粘合，用导线连接第一、三层的层间电极铜片(18)作为负极，连接第二、四层的层间电极铜片(18)作为正极。
7.如权利要求1所述的基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于：所述柔性压阻传感器单元(3)置于橡胶腕带(20)上，柔性压阻传感器单元(3)的衬底(19)中心设有凹槽(23)，凹槽壁贴有铜箔胶带(21)并延伸至衬底(19)表面作为电极，所述衬底(19)材料是ecoflex橡胶，所述凹槽(23)在贴完铜箔胶带(21)后注入ecoflex橡胶，并在其未干之前均匀铺上碳纳米管粉末(22)作为敏感材料。
8.如权利要求1所述的基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于：所述能量管理与输出单元(4)包括teng管理电路模块、ltc3588能量收集转换模块、超级电容、tps63020稳压输出模块；所述teng管理电路模块由阻抗匹配电路、全波整流电路以及能量存储电路组成；所述tps63020稳压输出模块由超级电容供电，并持续输出稳定的5v电压。
9.如权利要求1所述的基于人体运动混合微能量收集的心率监测系统，其特征在于：所述数据处理及无线传输单元(5)包含信号滤波模块、信号放大模块、a/d转换模块和lora模块。
10.采用如权利要求1所述心率监测系统的心率监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：使用者在运动时手臂摆动，teng和脚后跟的压电采集器产生交流电；
步骤二：teng产生的交流电经阻抗匹配后，又经桥式整流电路被转化为直流电，直流电经能量存储电路最终给超级电容充电；同时压电采集器经过ltc3588能量收集转换模块给超级电容充电；
步骤三：超级电容给tps63020稳压输出模块供电并持续输出5v的电压给柔性压阻传感器单元和数据处理及无线传输单元供电；
步骤四：数据处理及无线传输单元的信号滤波模块、信号放大模块、a/d转换模块接收到柔性压阻传感器单元发送的电信号数据进行一系列处理，然后将获得的脉搏数据通过lora模块发送给网关，继而终端分析中心收到脉搏数据并反馈健康分析结果。
技术总结