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

高敏， 張一帆*， 洪成雨， 李毓陵， 高衛(wèi)東

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

足底壓力測定是康復醫(yī)學中步態(tài)分析的一個重要組成部分，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，足底壓力分布會發(fā)生明顯改變，因此了解足底壓力分布變化以及生物力學分析有重要作用[4-5]。 目前，足底壓力分布的研究已廣泛應用于很多領(lǐng)域，如運動生物力學、競技體育科研、步態(tài)識別、臨床足疾診斷、康復醫(yī)學、個性化工業(yè)設(shè)計等[6]。

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

1993年英國 BT Cellnet 公司提出了通用無線分組業(yè)務(general packet radio service，GPRS)，它是GSM Phase2+(1997年)規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一。GPRS是第2.5代無線移動通信技術(shù)(即2.5G網(wǎng)絡)，它介于2G網(wǎng)絡(2-generation wireless telephone technology)、第二代無線移動通信技術(shù)和3G 網(wǎng)絡(3-generation wireless telephone technology)、第三代無線移動通信技術(shù)之間，是2G向3G 過渡的橋梁。通過這個技術(shù)，GPRS 用戶可以接入到Internet，與全世界的計算機實現(xiàn)互聯(lián)[11]。GPRS具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、 接入時間短、按流量計費、實時在線等特點[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薄膜壓力傳感器對足底壓力進行遠程監(jiān)測。GPRS是以手機系統(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)與移動通信服務商的基站 (base station subsystem，BSS)建立通信；然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS 服務支持節(jié)點 (serving GPRS suport node，SGSN)， SGSN負責記錄并跟蹤SGSN服務區(qū)內(nèi)移動終端的當前位置，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(gateway GPRS suport node，GGSN)與其他Internet 連接，GGSN負責控制用戶的路由信息，用于實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡的互通，可視為GPRS網(wǎng)絡對外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的網(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，共同實現(xiàn)GPRS的路由功能，數(shù)據(jù)從Internet 到達GPRS模塊的傳輸過程和這個過程正好相反[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，具有可彎曲性和測力特性，可用于測量兩表面之間的壓力(牙齒咬合力，握力等)。Flexi Force薄膜壓力傳感器線性度<±3%、重復性<±2.5%(滿量程)、滯后性<±4.5%(滿量程)、漂移<5%lgt、響應時間<5 μs、厚度為0.15 mm，對應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，在線性、滯后性、漂移和靈敏度方面具有優(yōu)良特性，測量精度高[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，利用黏合劑將兩個基底層粘合在一起，傳感器的感應區(qū)域由傳感器頂部的壓敏墨水(銀色圓圈)的大小確定。當有力施加在傳感器的感應區(qū)域，薄膜壓力傳感器在電路中相當于可變電阻。傳感器感應區(qū)域沒有壓力時，阻值非常高(>1 MΩ)；當有力作用在傳感器區(qū)域時，導電材料接觸導電電極，從而改變傳感器的電阻[17-19]。

3 足底壓力的GPRS遠程監(jiān)測

圖2為GPRS和Flexi Force傳感器遠程監(jiān)測流程。足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)是一個集合了電子、信息、傳感器、通信等多學科的綜合系統(tǒng)，主要由足底壓力監(jiān)測終端、通信網(wǎng)絡、遠程監(jiān)測中心以及手持終端設(shè)備組成。足底壓力監(jiān)測終端作為本系統(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)絡向遠程監(jiān)測中心發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)信息，遠程監(jiān)測中心對接收到的數(shù)據(jù)進行處理、顯示以及存儲。遠程操作者通過控制遠程控制系統(tǒng)全面監(jiān)控足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)，同時對特定環(huán)境下的測試者進行遠程操作；遠程控制系統(tǒng)通過Internet接收來自Flexi Force薄膜壓力傳感器監(jiān)測的足底壓力信息，操作者只要對返回的傳感器信息進行監(jiān)控，即可實現(xiàn)足底壓力的遠程監(jiān)測。

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

4 實驗部分

將Flexi Force薄膜壓力傳感器放置在鞋墊足跟處，測試者在跑步機上以不同速度運動，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(手機等設(shè)備上)，實現(xiàn)足跟壓力數(shù)據(jù)的遠程傳輸與監(jiān)測。圖3為監(jiān)測系統(tǒng)的電腦和手機端界面。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)的電腦端和手機端界面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程采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端(手機等設(shè)備上)上，通過Origin或Excel對數(shù)據(jù)進行分析，文中對不同身高和體質(zhì)量的30位成年女性的足底壓力進行測試，測試點具有足底應力相對集中的特點，分別為第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨和足跟4個點，足底測量部位如圖4所示。足底壓力測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 足底測量點Fig.4 Plantar measuring point

圖5 足底不同測量點壓力值比較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個測量點的壓力比較：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，受試者在同一點的足底壓力值各不相同。將前足3個測量點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)變化趨勢不明顯。究其原因，主要是每個受試者步態(tài)不同，其重心偏移情況不同，表明其步態(tài)存在個體差異。

5 結(jié)語

GPRS獨特的“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，不受地點與空間的限制，克服了傳統(tǒng)足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)受距離的限制，在遠程數(shù)據(jù)實時傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢。該監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計有手機端和電腦端的數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)采集的方便性，為遠程足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)App的研發(fā)與應用提供依據(jù)。

文中只對正常足各點壓力進行了初步研究分析，而高弓足和扁平足足底壓力有待研究，未來可以增加測量點，擴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)的應用。