技术领域
[0001] 本
发明涉及嵌入式系统领域，具体涉及一种低功耗可无线升级的智能鞋嵌入系统。
背景技术
[0002] 可穿戴智能设备是一个潜
力巨大的新兴市场，随着越来越多的可穿戴设备投入市场，可穿戴设备正逐步为社会大众所接受。可穿戴市场已成为全球范围内快速增长的高科技市场之一，频繁得到资本的青睐。可穿戴设备是将人“
物联网化”的重要一环，也是
大数据时代中，除了手机外收集用户各项数据的重要终端。
[0003] 然而其中的可穿戴智能跑鞋的发展在全球范围内仍处于初级阶段，产品的研发和技术上尚未成熟，其集成的
传感器多以三轴
加速度计为主，功能单一，测量准确度十分有限，同时还存在功耗大、柔性传感元件不成熟、设备维护不方便等问题。
发明内容
[0004] 针对
现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低功耗可无线升级的智能鞋嵌入式系统，以推动柔性传感技术和可穿戴产业的发展，提升可穿戴产业的自主创新能力，创造可观的经济效益。
[0005] 为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种低功耗可无线升级的智能鞋嵌入式系统，包括：
[0008] 压力监测模块，用于采集不同
位置的压力信号；
[0009]
姿态获取模块，用于获取不同方向的运动数据；
[0010] 供电模块，用于提供电力；以及：
[0011] 搭载蓝牙模块的主控模块，在主控模块内部设置有低功耗监测切换系统、
数据采集分析系统、时间同步系统、
固件无线升级系统以及蓝牙传输服务配置系统：
[0012] 所述的低功耗监测切换系统通过所述的压
电信号判断受压状态，来切换主控模块的休眠/激活状态，从而使嵌入式系统处于未激活状态或激活状态；低功耗监测切换系统的工作流程为：当嵌入式系统上电初始化后，默认处于未激活状态，此时嵌入式系统尚未被连接使用过；为了尽可能地降低功耗，通过开启30s的
定时器，对监测唤醒模块采集的压电信号判断受压状态，以此来切换低功耗模式：若压电信号在一段时间内不发生变化或变化在设定的
阈值范围内，则认为穿戴者处于静止状态，此时不进行蓝牙广播，且不通过压力监测模块、姿态获取模块获取压力信号、运动数据，也不进行数据分析；若压电信号发生变化幅度超出阈值范围，则认为穿戴者处于运动状态，此时将触发蓝牙模块进行广播，以供穿戴者通过手机连接；当用户首次使用通过手机蓝牙连接后，即进行设备的绑定激活；激活后，当检测到运动状态时，主控模块将调用数据采集分析系统进行数据的采集、分析，并将分析结果通过蓝牙传输给连接的手机；当穿戴者处于静止状态后，则恢复至低功耗模式；
[0013] 所述的数据采集分析系统通过对所述的压力信号和运动数据进行融合处理，分析出穿戴者的运动姿态参数；当压力监测模块、姿态获取模块每次采集完数据后进行堆栈存储以进行分析，从而获得行走步数、步频配速、行走距离、卡路里消耗这些步态参数结果；通过定量分析压力监测模块、姿态获取模块中各路
传感器数据之间的匹配关系得到足底压力分布情况，以及穿戴者是否处于久坐状态，实现健康检测功能；
[0014] 所述的时间同步系统按天为时间周期，对穿戴者的运动姿态参数进行当天的结算统计；
[0015] 所述的固件无线升级系统用于通过蓝牙无线传输方式来对嵌入式系统进行功能升级维护。
[0016] 所述的蓝牙传输服务配置系统用于配置蓝牙传输服务特性。
[0017] 进一步地，所述的监测唤醒模块采用PVDF柔性
压电传感器，主控模块采用CC2541芯片CC2541F256，供电模块采用CR2032纽扣
电池，压力监测模块采用6路
碳纳米管柔性压阻传感器，姿态获取模块采用MEMS 6轴传感器MPU6050，型号为MPU6050；其中，PVDF柔性压电传感器连接于CC2541芯片的一个P00引脚，6路
碳纳米管柔性压阻传感器分别连接于CC2541芯片的ADC通道P01～P06，MEMS 6轴传感器以IIC通信方式连接于CC2541的IIC通信
接口上。
[0018] 进一步地，所述的时间同步系统的工作流程如下：
[0019] 智能鞋嵌入式系统作为GATT的客户端，寻找蓝牙主机上的GATT服务Current Time Service，UUID为0x1805，接着查找该服务的时间特征，然后通过时间特征的特征值就可获取相关的时间信息；获取当前时间信息后，系统将计算当天剩余时间，并开启定时器进行计时；每次连接手机都将重新计算当天剩余时间，并刷新定时器，当天的数据只在当天进行结算统计；对当天的运动姿态参数统计后，通过蓝牙模块发送给穿戴者的手机，使穿戴者能直观了解到当天的运动数据。
[0020] 进一步地，所述的固件无线升级系统的工作流程如下：
[0021] 手机作为OAD Manager，提供升级文件；而智能鞋嵌入式系统作为OAD Target，运行OAD服务；智能鞋嵌入式系统通过Image-A与Image-B实现轮替更新的，BIM位于8051的复位向量地址；主控模块上电后首先运行BIM，然后BIM判断主控模块的Flash中是否存在有效的Image-B，如果有，跳转到Image-B开始运行，如果没有Image-B，则再判断主控模块的Flash中是否存在Image-A，如果有跳转到Image-A处运行，如果没有，则进入PM3睡眠状态；
[0022] OAD空中升级由OAD Manager发起，OAD Manager先
请求OAD Target端应用程序的版本，OAD Target收到请求后，将当前版本号相关信息发送给OAD Manager，OAD Manager收到OAD Target发送过来的版本信息，确定当前的升级文件的版本更高后，则发送升级文件信息到OAD Target端；OAD Target收到升级文件信息后，验证为更高版本，则发起一次数据请求，OAD Manager收到请求后，则以通告的形式向OAD Target发送一个块的数据，OAD Target正确收到一个块数据后，再发起数据请求，如此反复；当OAD Target每收满一个flash的页面大小的数据块时，就会将这些数据写入flash
指定的地址；如果升级文件传输完毕，则进行crc检验，校验通过后复位，则蓝牙的连接将断开。
[0023] 进一步地，所述的蓝牙传输服务配置系统工作流程如下：
[0024] 蓝牙传输服务配置系统配置两项蓝牙传输服务：运动步态传输服务、健康监测提醒服务；运动步态传输服务共包含4个特征，分别用于传输“行走步数”、“步频配速”、“行走距离”以及“卡路里消耗”4项分析结果；而健康监测提醒服务共有两项特征：“足底压力分布”以及“久坐提醒”；而OAD固件升级需要相应的OAD服务，其包含两个特征：Image Identify和Image Block，第一个特征用来传输固件身份信息，第二个特征用来传输固件的数据块；为了避免时间同步系统工作异常而导致数据分析处理结果错乱，需添加一项时间校对服务，可供用户手动输入当前时间；另外也可通过蓝牙服务读出当前供电模块电量。
[0025] 本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
[0026] 本发明涉及柔性传感元件、多传感数据融合、低功耗设计、短距离无线通讯、固件无线升级等可穿戴领域的关键技术，将多参量传感器采集融合技术、无线通信等技术嵌入到人们日常生活所穿鞋的
鞋垫中，结合多参量传感器可检测分析出用户每天行走更丰富的步态情况，如步数、步频、运动距离、运
动能耗、腾空时间、蹬地力度等，同时可提供用户足底压力分布情况与久坐提醒等健康监测体验，强化了用户和设备之间的交互，通过低功耗处理
算法大大提高了系统的续航能力，并增加固件无线升级功能，为系统的后期维护与功能升级提供了便利。
附图说明
[0027] 图1为本发明系统的整体结构示意图；
[0028] 图2为主控模块内部各个子系统的结构示意图；
[0030] 图4为低功耗监测切换系统工作流程图；
[0031] 图5为数据采集分析系统工作流程图；
[0032] 图6为时间同步系统工作流程图；
[0033] 图7为OAD Target固件选取原理图；
[0034] 图8为OAD无线传输数据流向图；
[0035] 图9为蓝牙传输服务配置图。
具体实施方式
[0036] 下面将结合本发明
实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0037] 本发明公开了一种低功耗可无线升级的智能鞋嵌入式系统，包括：
[0038] 监测唤醒模块，用于采集压电信号；
[0039] 压力监测模块，用于采集不同位置的压力信号；
[0040] 姿态获取模块，用于获取不同方向的运动数据；
[0041] 供电模块，用于提供电力；以及：
[0042] 搭载蓝牙模块的主控模块，监测唤醒模块、压力监测模块、姿态获取模块以及供电模块均连接主控模块，在主控模块内部设置有低功耗监测切换系统、数据采集分析系统、时间同步系统、固件无线升级系统以及蓝牙传输服务配置系统：
[0043] 1.低功耗监测切换系统
[0044] 所述的低功耗监测切换系统通过所述的压电信号判断受压状态，来切换主控模块的休眠/激活状态，从而使嵌入式系统处于未激活状态或激活状态。本实施例中，所述的监测唤醒模块采用PVDF柔性压电传感器，主控模块采用CC2541芯片。PVDF柔性压电传感器连接于CC2541的一个P00引脚。CC2541主控型号为CC2541F256，拥有8kB RAM与256kB FLASH。整个嵌入式系统通过供电模块供电，供电模块采用CR2032纽扣电池。所述的PVDF柔性压电传感器用于采集高灵敏度压电信号，通过判断受压状态自动唤醒
单片机，睡眠状态下关断其他采集通道供电并停止数据传输。
[0045] 如图4所示，所述的低功耗监测切换系统主要分为两部分：未激活状态下的深度睡眠管理与已激活状态下的浅度休眠管理。低功耗监测切换系统的工作流程如下：
[0046] 当嵌入式系统上电初始化后，默认处于未激活状态，此时嵌入式系统尚未被连接使用过；为了尽可能地降低功耗，通过开启30s的定时器，对监测唤醒模块采集的压电信号判断受压状态，以此来切换低功耗模式：若压电信号在一段时间T内不发生变化或变化在设定的阈值范围R内(T、R的具体数值根据实际需要进行设置)，则认为穿戴者处于静止状态，此时不进行蓝牙广播，且不通过压力监测模块、姿态获取模块获取压力信号、运动数据，也不进行数据分析；若压电信号发生变化幅度超出阈值范围，则认为穿戴者处于运动状态，此时将触发蓝牙模块进行广播，以供穿戴者通过手机连接；当用户首次使用通过手机蓝牙连接后，即进行设备的绑定激活；激活后，当检测到运动状态时，主控模块将调用数据采集分析系统进行数据的采集、分析，并将分析结果通过蓝牙传输给连接的手机；当穿戴者处于静止状态后，则恢复至低功耗模式。
[0047] 2.数据采集分析系统
[0048] 数据采集分析系统通过对所述的压力信号和运动数据进行融合处理，分析出穿戴者的运动姿态参数。
[0049] 数据采集分析系统包含两部分的数据采集和分析任务：压力监测模块提供的压力信号及姿态获取模块提供的运动数据。本实施例中，所述的压力监测模块采用6路碳纳米管柔性压阻传感器，姿态获取模块采用MEMS 6轴传感器MPU6050，型号为MPU6050。其中，6路碳纳米管柔性压阻传感器分别连接于CC2541的P01-P06引脚，MPU6050传感器以IIC通信方式连接于CC2541的IIC
通信接口上。6路碳纳米管柔性压阻传感器中，每一路传感器分布于智能鞋鞋垫的不同位置；姿态获取模块以及主控芯片设置在鞋垫下方的
鞋跟中。
[0050] 6路碳纳米管柔性压阻传感器用于检测各路压阻传感器数值，通过建模分析可获取到足底压力分布情况；MPU6050传感器用于获得更多以及更准确的人体运动学参数，通过与压阻传感器的进行数据融合可分析出人体的运动姿态；压阻传感器与MPU6050传感器的数据融合由蓝牙SoC芯片CC2541完成；系统与手机建立蓝牙连接后，将实时传输运动姿态分析结果，获取当前时间，固件需要更新维护时可通过OAD无线升级方式进行更新；整套设备由一块CR2032纽扣电池供电。
[0051] 数据采集分析系统工作流程如下：
[0052] 压力监测模块(6路碳纳米管柔性压阻传感器)分别连接主控模块CC2541的ADC通道P01～P06，配置ADC通道相关寄存器，选取参考
电压为AVDD_SOC(3.3V)，采用ADC序列转换方式，选用12位的
分辨率；姿态获取模块MEMS6轴传感器MPU6050集成了3轴加速度计、3轴
陀螺仪，通过模拟IIC接口与主控模块相接，用于获取智能鞋各个方向的运动数据，包括线加速度、
角速度。
[0053] 当压力监测模块、姿态获取模块每次采集完数据后进行堆栈存储以进行后续序列分析从而获得运动姿态参数：通过滤波、波峰检测公式换算等处理后将得到行走步数、步频配速、行走距离、卡路里消耗这些步态参数结果；通过定量分析压力监测模块、姿态获取模块中各路传感器(压力监测模块、姿态获取模块均包含6路传感器)数据之间的匹配关系得到足底压力分布情况，以及穿戴者是否处于久坐状态，实现健康检测功能。
[0054] 在处于已激活状态下，当检测到穿戴者处于运动状态时，即进行上述的数据采集分析。
[0055] 3.时间同步系统
[0056] 时间同步系统按天为时间周期，对穿戴者的运动姿态参数进行当天的结算统计。
[0057] 如图6所示，显示手机时间的功能是现今流行的智能手环/
手表上重要的功能之一，而在智能鞋上，获取手机时间主要不是用于显示，而是用于传感器数据的分时分析与同步管理，由此来架构起时间同步子系统。该系统的工作流程为：
[0058] 在智能鞋嵌入式系统作为GATT的客户端，寻找蓝牙主机(如手机)上的GATT服务Current Time Service，UUID为0x1805，接着查找该服务的时间特征，然后通过时间特征的特征值就可获取相关的时间信息；获取当前时间信息后，系统将计算当天剩余时间，并开启定时器进行计时；每次连接手机都将重新计算当天剩余时间，并刷新定时器，当天的数据只在当天进行结算统计；对当天的运动姿态参数统计后，通过蓝牙模块发送给穿戴者的手机，使穿戴者能直观了解到当天的运动数据。
[0059] 4.固件无线升级系统
[0060] 固件无线升级系统用于通过蓝牙无线传输方式来对嵌入式系统进行功能升级维护。
[0061] 本实施例中固件无线升级系统涉及两个主体：OAD Target和OAD Manager；其中，手机作为OAD Manager，提供升级文件；而智能鞋嵌入式系统作为OAD Target，运行OAD服务。OAD Target的逻辑概况如下：
[0062] 智能鞋嵌入式系统通过Image-A与Image-B实现轮替更新的，BIM(Boot Image Manager)位于8051的复位向量地址；主控模块上电后首先运行BIM，然后BIM判断主控模块的Flash中是否存在有效的Image-B，如果有，跳转到Image-B开始运行，如果没有Image-B，则再判断主控模块的Flash中是否存在Image-A，如果有跳转到Image-A处运行，如果没有，则进入PM3睡眠状态；
[0063] 整个OAD无线升级的数据流向下：OAD空中升级由OAD Manager发起，OAD Manager先请求OAD Target端应用程序的版本，OAD Target收到请求后，将当前版本号相关信息发送给OAD Manager，OAD Manager收到OAD Target发送过来的版本信息，确定当前的升级文件的版本更高后，则发送升级文件信息到OAD Target端；OAD Target收到升级文件信息后，验证为更高版本，则发起一次数据请求，OAD Manager收到请求后，则以通告的形式向OAD Target发送一个块(16字节)的数据，OAD Target正确收到一个块数据后，再发起数据请求，如此反复；当OAD Target每收满一个flash的页面大小的数据块时，就会将这些数据写入flash指定的地址；如果升级文件传输完毕，则进行crc检验，校验通过后复位，则蓝牙的连接将断开。
[0064] 本发明采用Image-A与Image-B新旧固件轮替更新方案，即使更新新固件时传输失败，系统会通过CRC校验判别该固件为无效，智能鞋嵌入式系统仍可正常运行原固件。
[0065] 4.蓝牙传输服务配置系统
[0066] 蓝牙传输服务配置系统用于配置蓝牙传输服务特性。请参阅图9，为蓝牙传输服务配置子系统的各服务及其特征的属性配置。
[0067] 上述数据融合处理的结果以及OAD固件升级等都是依靠蓝牙传输来实现的，因此需要制定系列蓝牙传输服务：
[0068] 首先与数据采集分析系统相对应，需要配置两项蓝牙传输服务：运动步态传输服务、健康监测提醒服务；运动步态传输服务共包含4个特征，分别用于传输“行走步数”、“步频配速”、“行走距离”以及“卡路里消耗”4项分析结果；而健康监测提醒服务共有两项特征：“足底压力分布”以及“久坐提醒”；而OAD固件升级需要相应的OAD服务，其包含两个特征：
Image Identify和Image Block，第一个特征用来传输固件身份信息，第二个特征用来传输固件的数据块；为了避免时间同步系统工作异常而导致数据分析处理结果错乱，需添加一项时间校对服务，可供用户手动输入当前时间；另外也可通过蓝牙服务读出当前电池电量；
此外，还有设备出厂信息查看服务Device Information，可查看设备的产品ID、产品序列号、
硬件版本、
软件版本等信息。
[0069] 综上所述，本实施例的嵌入式系统工作原理为：
[0070] 当系统上电初始化后，系统未激活处于休眠状态，只进行单路PVDF柔性压电传感器的数据采集来判断受压状态，检测到运动时进行蓝牙广播，不进行任何的数据采集分析任务，首次使用需通过手机蓝牙连接进行设备的绑定激活；当设备激活后，静止时设备进入休眠状态，关闭其他采集通道；当人体开始走动时设备通过判断受压状态的改变自动唤醒单片机，并开启6路碳纳米管柔性压阻传感器与MPU6050传感器的采集任务，并将压阻传感器数据与MPU6050传感器数据进行融合处理，分析出人体的各种运动姿态参数；每次连接手机后，设备将当前的分析结果通过蓝牙传输进行实时动态刷新；当检测到有新固件需要更新时，将进入OAD无线升级服务来传输新固件，升级完毕系统将重启。
[0071] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
