CN108832953A - 一种监测肢体活动信息的智慧手环 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于智慧手环的电路，包括主控制器电路、蓝牙模块、重力传感器、存储卡、USB接口电路、电源处理电路，其特征在于：所述重力传感器与蓝牙模块连接，蓝牙模块和存储卡与主控制器电路连接；USB接口电路与主控制器电路和电源处理电路连接；电源处理电路与主控制器电路连接。通过本发明，为患者提供了居家健康保健、意外风险预防及报警等指导和干预，提高了患者居家康复服务的安全性。

Description

一种监测肢体活动信息的智慧手环
技术领域
本发明涉及一种智慧手环，特别是涉及一种监测肢体活动信息的智慧手环。
背景技术
脑中风族群患者作为一类特殊的患者群体，在康复过程中，需要对其健康、运动与日常生活能力等多元信息进行监测。为此，本发明构建了云端大数据管理和分析平台，深入研究患者及照顾人员的活动习惯及照护需求，与之配套的开发了基于物联网的智慧手环，记录患者健侧和患侧肢体信息，实现“监测、照护、康复”的信息化，易于医师对患者日常活动进行检测和康复评干预手段和在线交互式管理，为患者提供了居家健康保健、意外风险预防及报警等指导和干预，提高了患者居家康复服务的安全性。
发明内容
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种用于智慧手环的电路，包括主控制器电路、蓝牙模块、重力传感器、存储卡、USB接口电路、电源处理电路，其中：所述重力传感器与蓝牙模块连接，蓝牙模块和存储卡与主控制器电路连接；USB接口电路与主控制器电路和电源处理电路连接；电源处理电路与主控制器电路连接；其中，
蓝牙模块用于与外界进行通信；重力传感器用于检测加速力的变化，并将检测到的检测数据发送给蓝牙模块，由蓝牙模块传送给主控制器电路，并保存在存储卡中；主控制器电路用于控制智慧手环的整体工作；电池用于供电；USB接口电路用于与等外设或USB充电器进行连接，提供电力以及进行数据传输；电源处理电路用于对电池充电和进行开关触发控制。
所述的电路，其中：其中USB接口电路包括USB接口U2,U2的管脚1连接外部电路总线电压VBUS；管脚1也连接电容C3的一端，C3另一端接地；U2的管脚2和管脚3分别连接主控制器电路的仿真接口连接端；U2的管脚4悬空，管脚5接地。
所述的电路，其中：电源处理电路包括充电芯片U3、电池、PNP三极管Q1、NPN三极管Q2、触控开关S1、二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R5。
所述的电路，其中：U3的管脚1连接到主控制器U4的管脚5，管脚2接地，管脚3接电池正极和Q1的发射极和R1的一端；Q1的集电极连接VQ1端，提供比较电压，Q1的基极连接R1电阻的另一端和电阻R3的一端，R3的另一端连接二极管D2的正极和NPN三极管Q2的集电极，二极管D2的负极和二极管D1的负极相连到一起并共同连接到触控开关S1的一端，S1的另一端接地；D1的正极连接主控制器的PA4管脚1；三极管Q2的发射极接地，基极和发射极之间连接电阻R5，基极连接电阻R4的一端，R4另一端接主控制器U4的PA5管脚3，Q2的发射极接地。
所述的电路，其中：电阻R2与地之间，设置有一个常闭开关，用于控制电阻R2与地的通断。
所述的电路，其中：电源处理模块还包括电源转换电路，该电源转换电路包括稳压芯片U3，U3的管脚1连接VQ1端，并和电容C1的一端连接，C1另一端接地；U3的管脚2接地端；U3管脚3和VQ1端连接；U3的管脚4连接电容C4的一端C4另一端接地；U3的管脚5作为电压输出端，并连接滤波电容C2的一端，C2另一端接地。
所述的电路，其中：主控制器电路包括主控制器芯片U4，U4的管脚1、3分别接D1的正极和R4的一端；U4管脚6即U1的管脚5，管脚15)接地，电阻R10一端接3.3V电压，另一端接U4管脚8，电容C14一端接地，另一端接U4管脚8；U4管脚2接第二电池正极，第二电池负极接地。
所述的电路，其中：主控制器电路还包括显示模块，U4的管脚4接由电阻R6的一端，R6另一端和光电二极管相连，光电二极管另一端接地。
一种智慧手环，包括如上之一所述的电路。
附图说明
图1为监测肢体活动信息的智慧手环电路***结构示意图；
图2为USB接口电路原理图；
图3为开关触发电路原理图；
图4为电源转换电路原理图；
图5为主控制器与USB接口电路、开关触发电路和电源转换电路的连接简图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1本发明的智慧手环电路结构图，包括主控制器电路、Bluetooth模块、重力传感器(如LIS3DH)、TF卡、电源管理模块。
以下分别结合图2-5对上述电路进行说明。
蓝牙模块可选用功能强大，高度灵活的多协议的SoC，例如nRF51822，能够适用于蓝牙低功耗和2.4GHz的无线应用。该SoC是基于ARM Cortex M0为内核的微处理器，拥有256KB/128KB的片上FLASH存储空间，32KB/16KB的RAM空间。芯片支持BLE4.0并且整合了射频发射电路，非常适合应用于穿戴设备上。nRF51822在处理BLE4.0协议栈的同时还负责和重力加速度传感器进行通信，并进行重力加速度信息的处理，可在主控制器芯片的控制下与外界进行通信，接收或发送检测数据等信息。
重力传感器用于感知加速力的变化，加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，比如晃动、跌落、上升、下降等各种移动变化都能被转化为电信号，然后通过微处理器的计算分析后，就能够实现程序设计好的功能。重力传感器检测到的检测数据发送给蓝牙模块，由蓝牙模块传送给主控制器电路，并保存在存储卡中。
如图2所示，为本发明的USB接口电路。U2是连接USB的接口，用于与电脑等外设以及USB充电器进行连接，用于为电源处理模块提供电力以及向主控器提供数据或从主控制器获取数据。其中VBUS端(管脚1)作为电压输入端连接外部电路总线电压VBUS，VBUS电压由外部设备如电脑或USB充电器的USB接口提供，一般为+5V电压，VBUS也连接电容C3，作用为高频滤波，起到滤波、去耦作用，消除高频噪声。C3的电容值为2.2μF，C3另一端接地。D-(DM)端(管脚2)连接主控制器电路的SWDIO端；D+(DM)端(管脚3)连接主控制器电路的SWCLK端，SWDIO和SWCLK是仿真接口连接端，用于程序写入主控制器芯片U4。ID端(管脚4)悬空，GND(管脚5)接地。
如图3所示，为本发明具有充电功能的电源开关电路(即图1中的电源处理电路)，提供电池充电和开关触发功能。
电源处理电路包括充电芯片U3，该芯片可选TP4054，该芯片是一种线性锂离子电池充电芯片，其管脚连接如下：/CHRG(引脚1)：该引脚为漏极开路充电状态输出端，连接到主控制器U4的CHRG端(管脚5)。
在管脚5输出高电平的状态下检测管脚7，如果管脚7为低电平那么说明在充电状态，如果管脚7是高电平那么表明充电完成。当电池电量不足时，TP4054的/CHRG(引脚1)给主控制器的CHRG端(管脚5)发出低电平信号；在电池BAT1充电过程中，主控制器的管脚5处于输出状态，发出充电信号，管脚7处于输入状态，用于检测CHRG端的反馈信号；当电池充满电时，/CHRG(引脚1)给主控制器的管脚5发出高电平信号。
主控制器的定时器Timer3对管脚5进行充电状态检测，Timer3设置中断时间为1秒，每2秒进行一次充电状态检测。
GND(引脚2)：接地；
BAT(引脚3)：充电电流输出端，连接电池BAT1正极、PNP三极管Q1的发射极和10K欧姆的电阻R1的一端。Q1的集电极连接VQ1端，提供比较电压，Q1的基极连接R1电阻的另一端和3K欧姆的电阻R3的一端，R3的另一端连接二极管D2(可选1N4148)的正极和NPN三极管Q2的集电极，二极管D2的负极和二极管D1(可选1N4148)的负极相连到一起并共同连接到触控开关S1的一端，S1的另一端接地。D1的正极连接主控制器的PA4管脚。三极管Q2的发射极接地，基极和发射极之间连接电阻R5，基极连接电阻R4的一端，R4、R5的阻值分别为5.1K欧姆和10K欧姆，R4另一端接主控制器的PA5管脚，Q2的发射极接地。PA4管脚是用于主控制器检测S1是否闭合，PA5管脚是用于主控制器发出控制信号以控制Q1、Q2导通。
工作时，BAT(引脚3)向电池提供充电电流并将最终浮充电压调节至4.2V。U3通过一个精准内部电阻分压器设定浮充电压，在停机模式中，该内部电阻分压器断开。
VCC(引脚4)：正输入电源电压端。该引脚(引脚4)向TP4054芯片供电。VCC的变化范围在4.25V至6.5V之间。当VCC降至比BAT引脚电压高且差值小于的30mV以内，TP4054进入停机模式，从而使电池充电电流IBAT降至2μA以下。为了保护充电电池，当VCC降至比BAT(引脚3)电压小且差值超过30mV时，TP4054停止工作。该引脚(引脚4)连接总线电压VBUS。
PROG(引脚5)：该引脚为充电电流设定、充电电流监控和停机引脚。在该引脚与地之间连接一个精度为1％的电阻R2，R2阻值为10K欧姆，可确定充电电流，充电电流是PROG引脚输出电流的1000倍。当在恒定电流模式下进行充电时，该引脚的电压被维持在1V，即VR2近似取值为1V。在所有的模式中都可以利用该引脚上的电压来测算充电电流，充电电流用IBAT表示，引脚5电压用VR2表示，则有公式：IBAT＝VR2/R2×1000。所以，IBAT＝1V/10KΩ×1000＝0.1A＝100mA。
电阻R2与地之间，可设置一个常闭开关，用于控制电阻R2与地的通断，当按下常闭开关后，电阻R2与地断路，PROG管脚5为高电平；当PROG管脚电压达到TP4054内部参考电压1.22V时，TP4054停止工作；当电阻R2恢复与地的连接时，TP4054恢复工作。
在图3中，在关机状态下(断电情况)，按下开关S1，S1闭合，PNP型三极管Q1的基极(通过电阻R3、二极管D2和S1后与地连接)被拉低，使三极管Q1的发射极和集电极导通，这样电池BT1通过三极管Q1后经由VQ1端给电源转换电路供电，主控制器进入工作状态。主控制器在开始供电后运行程序，在初始化时将管脚PA5拉高，三极管Q2导通，这样会一直将三极管Q1的基极(通过R3、Q2后接地)拉低，在这之后即使S1断开，也会保证三极管Q1的基极处于低电平，使Q1也一直导通，电源转换电路保持供电状态。
在开机状态下按下S1，S1闭合，那么主控制器的管脚PA4通过二极管D1会检测到低电平，此时主控制器将PA5设置为低电平，三极管Q2截止，在S1断开后，三极管Q1的基极被电阻R1上拉到高电平，使得Q1的基极不能维持低电平，Q1截止，电源转换电路保持供电状态结束，主控制器的电源断开。
Q1的发射极在充电的时候是4.2V，这个4.2V是U3(TP4054)提供的，相应的在充电的时候集电极的电压也是4.2V，不过PN结有个压降，由于该压降很小，所以可以不用考虑，因此在没有充电的时候Q1发射极的电压就是电池电压，集电极也是电池的输出电压。
这个电路实现了一键开关机功能，将主控制器的管脚PA4配置为上拉输入，PA5配置为输出模式，上电初始化后即将PA5设置为高电平，保证Q1的导通。在主控制器内部的定时器Timer5中进行PA4输入的检测，Timer5的定时时间是1秒，按S1一秒进行开机，
按下按键5秒后才将PA5设置为低电平进行关机，也就是，长按S1大概5秒进行关机，也可以通过调整延时时间程序来决定按键按下多长时间后才进行关机。开机和关机都会有LED指示。
电源处理模块还包括电源转换电路，如图4所示，是电源转换电路，其中，
U1是稳压芯片，可选择RT9193，管脚IN(管脚1)是输入端，连接VQ1端，并和电容C1的一端连接，C1是去耦电容，作用是滤除高频扰动，C1的电容值是2.2μF，C1另一端接地。
GND(管脚2)是接地端，接地。
EN(管脚3)是芯片使能端，高电平有效，直接和VQ1端连接，也就是VQ1端作为芯片的使能端。
BP(管脚4)是参考噪声旁路端，连接电容C4的一端，C4电容值为470pF，C4另一端接地。
OUT(管脚5)是输出端，输出3.3V电压，连接滤波电容C2的一端，C2的电容值为2.2μF，C2另一端接地。
RT9193具有极低的噪声和静态电流消耗，即使是工作在直通状态下，其电流消耗也只有轻微的增加，可有效延长电池使用时间。它可与低ESR陶瓷电容配合稳定工作，对空间需求极低，这对小型无线应用至关重要。RT9193在关机模式下仅消耗低于0.01μA的电流，启动过程时长短于50μs。它具有极低的电压差、高输出电压精度、电流限制保护和高纹波抑制比。当管脚IN(管脚1)输入电压VQ1，同时给管脚EN(管脚3)使能，U1开始工作，U1的管脚OUT(管脚5)输出3.3V电压，该电路输出稳定的3.3V电压给主控制器供电。
如图5所示，为主控制器电路，包括主控制器芯片U4(例如STM32F103)及其***电路，与USB接口电路、开关触发电路和电源转换电路相连：U4的管脚PA4、PA5分别与图3中相应的标号的管脚连接，CHRG与对应的U4芯片的管脚连接，SWDIO、SWCLK与图2中相应的标号的管脚连接。U4芯片的SWDIO和SWCLK是仿真接口连接端，用于程序写入U4芯片。
U4的电源端(管脚6)接3.3V电压(即U1的管脚5)，接地端(管脚15)接地GND，NRST端管脚8连接由3.3V电源、地(GND)、R10和C14组成的异步复位电路，R10为阻值10K欧姆的电阻，C14为容值0.1μF的电容，R10一端接3.3V电压，另一端接NRST；C14一端接地，另一端接NRST，NRST接U4的异步复位管脚8。NRST(管脚8)是上电复位，即在接通电源的瞬间，因为电容的电压不能突变，所以电容两边的电压为零，NRST复位，随着时间的推移电容充电，复位失效。当NRST输入低电平的时候，U4处于复位状态，重设所有的内部寄存器。复位的时候，不会将U4内RTC的寄存器以及后备存储器重置，因为它们是用电池BT2通过专门的VBAT脚供电。VBAT端管脚2连接电池BT2Battery的正极，电池负极接地，该电池用于给U4芯片的时钟电路RTC供电，使其内部时钟走时准确。
显示模块的连接如下：U4的PA8_LED端接由R6和光电二极管play组成的指示电路，R6一端接PA8_LED,另一端和光电二极管play正极相连，二极管另一端负极接地。在关机状态下按下大约1秒后松开进行开机，开机后设备上的LED指示灯(光电二极管play)会在U4的控制下2秒快闪一次，正常工作状态也会保持2秒快闪一次的节奏；在开机状态下长按2秒松开后进入关机状态，关机状态下板子上的LED指示灯为熄灭状态。
需要注意的是在关机状态进行充电需要按下开机键S1才能进行充电指示，充电过程中LED每500ms点亮一次，也就是每一秒会均匀的点亮和熄灭一次。充满电后LED灯会恢复2秒快闪一次的节奏。
具有本电路的智慧手环，在工作时，可通过加速度计检测得到的信号由主控制器芯片估算出患者健肢侧行走的步数，上下楼梯的高度、行走里程等，也可以检测患者患侧的肢体运动情况；TF卡可以用于记录位置信息，活动状况信息等。通过对这些数据的检测与处理实现对中患者肢体活动的智能监测。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于智慧手环的电路，包括主控制器电路、蓝牙模块、重力传感器、存储卡、USB接口电路、电源处理电路，其特征在于：所述重力传感器与蓝牙模块连接，蓝牙模块和存储卡与主控制器电路连接；USB接口电路与主控制器电路和电源处理电路连接；电源处理电路与主控制器电路连接；其中，
蓝牙模块用于与外界进行通信；重力传感器用于检测加速力的变化，并将检测到的检测数据发送给蓝牙模块，由蓝牙模块传送给主控制器电路，并保存在存储卡中；主控制器电路用于控制智慧手环的整体工作；电池用于供电；USB接口电路用于与等外设或USB充电器进行连接，提供电力以及进行数据传输；电源处理电路用于对电池充电和进行开关触发控制。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：其中USB接口电路包括USB接口U2,U2的管脚1连接外部电路总线电压VBUS；管脚1也连接电容C3的一端，C3另一端接地；U2的管脚2和管脚3分别连接主控制器电路的仿真接口连接端；U2的管脚4悬空，管脚5接地。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：电源处理电路包括充电芯片U3、电池、PNP三极管Q1、NPN三极管Q2、触控开关S1、二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R5。
4.一种智慧手环，其特征在于包括如权利要求1-3之一所述的电路。
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