一种基于后向散射技术的低功耗汗液信息采集及感知系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集及感知系统，包括阅读器和多个传感器；所述传感器包括相连接的通信模块、控制模块、电源模块和电化学模块，所述通信模块与阅读器通过反向散射方式进行无线通信；所述电化学模块包括驱动电路、电化学电极、电流信号转换电路、电压信号放大电路、压控振荡器和控制开关。本发明专利技术实现了对尿酸、抗坏血酸和Na

【技术实现步骤摘要】
一种基于后向散射技术的低功耗汗液信息采集及感知系统


[0001]本专利技术属于物联网领域，具体涉及一种基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集及感知系统。

技术介绍

[0002]近年来，智能医疗的理念引起了研究者们的广泛重视，可穿戴汗液传感技术逐步取得了发展和进步。通过在使用者皮肤上的安置传感器，可以连续监测汗液中各种成分浓度的变化，提供便捷、侵入式、长期、连续的身体健康监测。
[0003]可穿戴式汗液传感器可以通过监测Na
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离子浓度来推断用户在运动和健身过程中的脱水情况。尤其是一些户外运动，如山地自行车、山地马拉松等，如果体内的电解质被严重消耗，运动员可能会有体温过低的风险。因此，如果我们使用可穿戴式汗液传感器实时监测运动员的出汗情况，提醒运动员及时补充水分和电解质，就可以有效避免这种危险的情况。此外，对于一些有基础疾病的人群，通过实时监测汗液成分的变化，还可以判断病情，提醒用户及时去医院就诊，防止病情恶化。
[0004]过去大量的研究工作都集中在设计无线可穿戴式汗液传感系统上，通常的方法是利用各种生物传感器将汗液信息转化为电信号。而通信方式可分为两类，一个使用WiFi或蓝牙模块，用于将传感器读数发送到移动设备(如智能手机)，另一种类型的系统利用被动近场通信(NFC)被动地将其传感数据发送到阅读器设备。
[0005]使用WiFi或者蓝牙可以将汗液信息传输到远程监控设备(如手机)，但是这种方案存在瓶颈，阻碍可穿戴设备采用的主要瓶颈之一是持续的电源供应问题。这种系统的功耗通常非常高，需要使用大容量电池供电。但是，大容量电池增加了这些设备的尺寸和重量，使它们不美观，并给用户带来不适。
[0006]用被动近场通信(NFC)被动地将其传感数据发送到阅读器设备，可以实现比WiFi或者蓝牙更低的功耗。然而，现有的基于被动NFC的无线和无电池可穿戴设备的一个缺点在于它们的操作范围有限，通常小于10厘米。这样的操作范围严重限制了使用的便利性，尤其是在移动场景中。例如，当用户在跑步、骑行或进行其他类型的运动时，不可能将读取器放置在传感器10厘米处来获取传感器数据。因此，在实际使用场景中，基于NFC的可穿戴传感器系统无法实现实时、连续的监测。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提供一种基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集及感知系统，以解决现有技术中高功耗以及无法实现实时连续监测的问题。
[0008]为了实现上述任务，本专利技术采用如下的技术解决方案予以实现：
[0009]一方面，本专利技术提供了一种基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集系统，包括阅读器和多个传感器；所述传感器包括相连接的通信模块、控制模块、电源模块和电化学模块，所述通信模块与阅读器通过反向散射方式进行无线通信；
[0010]所述电化学模块包括驱动电路、电化学电极、电流信号转换电路、电压信号放大电路、压控振荡器和控制开关；其中，所述电化学电极包括两对电极和电极接口，每对电极包括一个工作电极和一个对电极，所述电极接口包括1号
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4号端口，采用计时电流法进行汗液采集时使用电极接口的1号和2号端口，1号端口接工作电极，2号端口接对电极；采用开路电压法进行汗液采集时，使用电极接口的3号和4号端口，3号端口接工作电极，4号端口接对电极；所述电极接口的1号、2号、3号和4号端口分别连接驱动电路、电流信号转换电路、公共地和电压信号放大电路；所述电流信号转换电路、电压信号放大电路分别连接压控振荡器；所述压控振荡器连接通信模块；控制开关的源极连接驱动电路、电流信号转换电路、电压信号放大电路和压控振荡器，漏极连接电源VCC，栅极与控制模块相连接。
[0011]进一步的，所述驱动电路包括调压电路和与其相连接的电压跟随器。
[0012]进一步的，所述调压电路采用1M欧姆的电位器，所述电压跟随器使用运算放大器OPA313。
[0013]进一步的，所述通信模块包括天线、阻抗匹配电路、射频开关和信号监测电路；其中，天线与阅读器通过反向散射方式进行无线通信；所述阻抗匹配电路为LC电路，所述射频开关分别与天线、电化学模块和控制模块相连；所述信号监测电路由倍压整流电路和比较电路组成，所述倍压整流电路的输出端与比较电路中比较器的同相输入端连接，比较器反向输入端接地，比较器的输出端连接控制模块。
[0014]进一步的，所述射频开关采用N沟道增强型场效应管，场效应管源极和漏极与天线两极直接相连，栅极与电化学模块和控制模块相连。
[0015]进一步的，所述比较电路采用NCS2200。
[0016]进一步的，所述电源模块包括电源控制电路以及与电源控制电路连接的供电接口、太阳能薄膜电池和锂电池，其中，所述电源控制电路还与控制模块连接。
[0017]进一步的，所述电源控制电路包括升降压芯片BQ25570及其外围电路；所述锂电池容量为200mAh。
[0018]进一步的，所述控制模块采用超低功耗微控制器MSP430FR5996。
[0019]另一方面，本专利技术提供了一种基于反向散射技术的低功耗汗液感知系统，其特征在于，包括信息处理系统和上述基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集系统，其中，所述信息处理系统用于对汗液信息采集系统得到的数据进行短时傅里叶变换处理，得到汗液感知结果。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下技术效果：
[0021]1、利用电压
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频率转换和低功耗后向散射，直接将汗水中不同分析物的浓度转换为不同频率的后向散射信号，并被远程阅读器捕获和识别。满足了运动场景下，特别是在用户运动和低功耗运行场景下，对汗水信息传感的关键需求。
[0022]2、避免了使用高功耗的硬件组件(如ADC、DAC、蓝牙通信模块和WiFi通信模块)，本专利技术的核心功能仅使用了少量的超低功耗运算放大器；在此类应用场景中微控制器不可或缺，由于本专利技术的设计避免了高性能微控制器或处理器的需求，因此可以通过采用超低功耗低性能的微控制器的方案来降低系统功耗。在系统设计上，本专利技术进一步优化系统结构，并采用多种供能方案，显著降低了功耗，提高了系统的持续工作时间。
[0023]3、与基于NFC的方案相比，本专利技术将工作范围提升到正常的身体活动范围，经实验
可达200厘米，而基于NFC的方案通常小于10厘米，因此，本专利技术能够在传感器处于运动状态时以超低功耗将传感器信号传输给阅读器，同时能够依靠太阳能连续工作。
[0024]4、传感器的设计是在一个柔性PCB上实现的，可以贴覆在人体的皮肤上进行汗液分析物浓度信息的采集，且体积较小，方便易推广。
[0025]综上，本专利技术以无线方式感知汗液中不同分析物浓度，通过使用电压
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频率转换和后向散射技术，保证感知精度的同时有效降低传感器功耗，实现实时、连续的感知。
附图说明
[0026]图1为应用场景示意图；
[0027]图2为系统结构图；
[0028]图3为传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集系统，其特征在于，包括阅读器和多个传感器；所述传感器包括相连接的通信模块、控制模块、电源模块和电化学模块，所述通信模块与阅读器通过反向散射方式进行无线通信；所述电化学模块包括驱动电路、电化学电极、电流信号转换电路、电压信号放大电路、压控振荡器和控制开关；其中，所述电化学电极包括两对电极和电极接口，每对电极包括一个工作电极和一个对电极，所述电极接口包括1号
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4号端口，采用计时电流法进行汗液采集时使用电极接口的1号和2号端口，1号端口接工作电极，2号端口接对电极；采用开路电压法进行汗液采集时，使用电极接口的3号和4号端口，3号端口接工作电极，4号端口接对电极；所述电极接口的1号、2号、3号和4号端口分别连接驱动电路、电流信号转换电路、公共地和电压信号放大电路；所述电流信号转换电路、电压信号放大电路分别连接压控振荡器；所述压控振荡器连接通信模块；控制开关的源极连接驱动电路、电流信号转换电路、电压信号放大电路和压控振荡器，漏极连接电源VCC，栅极与控制模块相连接。2.如权利要求1所述的基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集系统，其特征在于，所述驱动电路包括调压电路和与其相连接的电压跟随器。3.如权利要求1所述的基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集系统，其特征在于，所述调压电路采用1M欧姆的电位器，所述电压跟随器使用运算放大器OPA313。4.如权利要求1所述的基于反向散射技术的低功耗汗液信息采集系统，其特征在于，所述通信模块包括天线、阻抗匹配电路、射频开关和信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宝英，李岩林，席向东，焦文丽，何晔鲁，陈晓江，房鼎益，李珂，任宇辉，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：