RS55335B1

RS55335B1 - Čarapa za integrisano biometrijsko praćenje

Info

Publication number: RS55335B1
Application number: RS20161034A
Authority: RS
Inventors: Rodrigues Paulo Jorge Pinto
Original assignee: Fiorima S A
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2017-03-31
Also published as: PT105191A; WO2012004774A1; LT2591717T; DK2591717T3; HK1184355A1; KR101857638B1; PT2591717T; KR20130142098A; CN103025230B; HUE029742T2; WO2012004774A4; ES2606009T3; CN103025230A; US20130137943A1; EP2591717B1; PL2591717T3; EP2591717A1; CA2804719C; CA2804719A1; SI2591717T1

Description

Oblast tehnike

Predmetni pronalazak odnosi se na čarapu sa integrisanim biometrijskim praćenjem.

Izlaganje suštine pronalaska

Predmetni pronalazak je definisan nezavisnim Zahtevom 1 koji je particionisan relativno u odnosu na dokument WO 2009/023937 A1.

Prvenstveno izvođenje sadrži uređaj (11) za obradu podataka, provodnu spojnu traku (8) preko koje se povezuje sa magistralom (7) podataka i bežični interfejs (12), posebno za povezivanje sa prenosnim uređajem (15).

Prvenstveno izvođenje sadrži uređaj (11) za obradu podataka koji sadrži jedan ili više vizuelnih identifikatora, posebno LED (13), jedno ili više dugmadi (14), a posebno prekidač za uključivanje/isključivanje.

Prema prvenstvenom izvođenju skup senzora sadrži senzor (5) pritiska i senzor (1) temperature.

Prema prvenstvenom izvođenju skup senzora sadrži veze sa magistralom (7) podataka putem provodnih traka u ,,cik-cak".

Prema prvenstvenom izvođenju jedan ili više senzora sadrže veze sa magistralom (7) podataka kroz provodne trake u ,,cik-cak".

Prema prvenstvenom izvođenju jedan ili više senzora sadrži veze sa magistralom (7) podataka ostvarene varenjem repa senzora.

Prema prvenstvenom izvođenju, jedan ili više senzora sadrži poroznu epoksi-enkapsulaciju.

Prema prvenstvenom izvođenju jedan ili više senzora sadrži zaštitu izvedenu pomoću silikonskog lepka.

Prema prvenstvenom izvođenju jedan ili više senzora sadrži osnovu od fleksibilne štampane ploče (PCB -Printed Circuit Board).

Prvenstveno izvođenje sadrži senzore i sredstva za obradu podataka za izvršavanje jednog ili više merenja navedenih parametara: indeks telesne mase, težina korisnika, količina konzumiranih kalorija tokom ukupnog vremena trajanja treninga, vreme trajanja treninga, količina sagorelih kalorija u toku svake sekunde, trenutna brzina putovanja, GPS praćenje, pređeno rastojanje, broj koraka, snimanje istorijskih podataka, i/ili kalibracija i merenje telesne mase u pokretu.

Stanje tehnike

US2008287832A1 opisuje obuću (4) (ili đon) koji poseduje više senzora (8) pritiska koji su povezani sa uređajem, „medicinski čvor" (6) koji generiše podatke o pritisku. „Medicinski čvor" prenosi podatke o pritisku do bazne stanice (26). Bazna stanica analizira podatke o pritisku i može generisati upozorenja, uključujući slanje tekstualnih poruka, kada podaci o pritisku pokažu da je pritisak izvan određenog nivoa. Detekcija pritiska i upozorenja dešavaju se ili u toku mirovanja, na primer sedenja, ili u stanju vežbe radi praćenja stanja pacijenta, na primer dijabetičarskih ili nekih drugih zdravstvenih problema. Pronalazak omogućava da se izbegne nastanak prevelikog pritiska na određenim delovima stopala pacijenta, kao i da se takođe izbegnu povrede kože i drugih susednih tkiva.

Dokument US5546955A opisuje čarapu koja sadrži senzor temperature i vizuelni indikator povezan sa senzorom radi davanja indikacije o temperaturi noge. Čarapa takođe poseduje komponentu za delovanje pritiskom namenjenu periodičnim kompresijama noge korisnika. Pronalazak omogućava postavljanje dijagnoze medicinskih stanja, na primer upale vena i sprečava ili umanjuje oboljenja krvnih sudova. Takođe se sprečava i spadanje čarape (tzv. „srozavanje"). Nije naznačena nikakva integracija sa tekstilom niti kako se prevazilaze operativni problemi u specifičnim okruženjima stopala/obuće.

Dokument FR2861846A1 opisuje sloj između stopala i obuće, namenjen dobijanju signala pritiska kojim jedno deluje na drugo, koji se sastoji od sloja poliuretanskog gela (7) sa ugrađenim senzorima (4) pritiska. Senzori pritiska su čvrsti i ravni, raspoređeni tako da detektuju pritisak kojim se u ortogonalnom pravcu deluje na spoljašnju površinu sloja gela (ne detektuje naprezanja sečenja). Predviđena je upotreba u obući i odeći (ne eksplicitno u čarapama), u čizmama ili daskama zasnovvboardili skijanje, ili čak i odeći za bavljenje zimskim sportovima. Sloj gela drži senzore u blizini kože i prilagođava se morfologiji korisnika. Sloj gela je debljine 2 do 10 mm i čvrstoće od 35 do 50 Shore jedinica. Nije naznačena bilo kakva integracija sa tekstilom niti kako se prevazilaze operativni problemi u specifičnim okruženjima stopala/obuće.

Dokument US6836744B1 opisuje uređaj (10) u kojem se kretnja pete i globa prati od strane procesora i displeja (40) radi proračunavanja kinematičkih podataka koji dozvoljavaju identifikaciju konkretnih pokreta pronacije i supinacije stopala. Jedinica prikupljanja tačaka (30) pritiska omogućava proračunavanje podataka o tačkama pritiska kako bi se identifikovalo središte linije pritiska, kao i abnormalna ili suvišna opterećenja koja deluju na taban stopala. Korisnost za merenje i analizu marširanja, identifikaciju stila marširanja, atletsku ili sportsku medicinsku rehabilitaciju, korisnost za merenje telesne težine, za biomedicinske i podriatričke svrhe, ortopedsku dijagnostiku i motornu rehabilitaciju. Može se koristiti sa ili bez obuće. Videti Sliku 6 koja može ličiti na čarapu, ali takođe može predstavljati i vrstu papuče. Nije naznačena bilo kakva integracija sa tekstilom niti kako se prevazilaze operativni problemi u specifičnim okruženjima stopala/obuće.

Opšti opis pronalaska

Pronalazak sadrži sistem biometrijskih senzora integrisan u čarapu sa mogućnošću obrade i snimanja prikupljenih biometrijskih podataka, kako bi se dobile informacije korisne za korisnika, a koje se tiču korisnikovih biometrijskih podataka o parametrima performansi fizičkog napora.

Pronalazak sadrži elemente za detekciju integrisane u tekstilnu strukturu čarape koji uključuju detekciju temperature, otkucaja srca i dejstva pritiska od strane stopala korisnika, namenjene obradi, interpretiranju i slanju na prenosni uređaj na kojem se vrši snimanje podataka i pomoću kojeg se omogućava vizualizacija podataka.

Pronalazak podrazumeva integraciju uređaja za biometrijsko praćenje sa tekstilom pomoću provodnih vlakana ili kablova, upletenih i/ili upredenih u čarapu i sa sopstvenim vezama sa senzorima, terminalima i enkapsulacijama.

Nasuprot tome što su na tržištu dostupna različita rešenja u vidu obuće i uložaka obuće, ova rešenja poseduju mnoga ograničenja. Obuća ne odgovara anatomiji stopala koja se razlikuje od osobe do osobe znajući da ne postoje dva jednaka stopala. Sa druge strane, zbog već pomenutih razloga, stopalo nikad ne zauzima isti položaj u obući. Stopalo kliže unutar obuće. Drugi razlog je u vezi sa ljudskom potrebom za čestom promenom obuće različitog dizajna, materijala, čvrstoće i sa karakteristikama kalupa koji varira od proizvođača do proizvođača. Dodatno, obuća/uložak su mnogo skuplji od čarape, tako da je ova varijanta manje pogodna za rešenja koja uključuju veću rotaciju uređaja.

Iz ovih razloga veoma je teško pozicionirati različite senzore čime se ugrožava efikasno prikupljanje fizioloških signala potrebnih za projekat kada se koriste poznata rešenja koja uključuju obuću/uloške za biometrijsko praćenje.

Sa druge strane, čarapa poseduje sledeće prednosti:

• Usled elastičnosti čarape ona odgovara bilo kakvoj anatomiji stopala.

• Može se koristiti sa ili bez obuće.

• Može se koristiti u bilo kakvoj obući.

• Čarapa sa karakteristikama uobičajeno označenim kao Eko-Visoka-Tehnologija poseduje svojstva koja pružaju udobnost, elastičnost, otpornost i time idealan položaj za fokusiranje svih različitih senzora potrebnih za prikupljanje fizioloških signala.

• Rešenje je jeftino u poređenju sa rešenjem koje koristi obuću/uložak.

Iz ovih razloga čarapa je bolje rešenje za postavljanje senzora i efikasno prikupljanje fizioloških signala sa stopala.

Ipak, stopalo i obuća sa tehničke strane predstavljaju nepogodno okruženje za rad elektronskih sklopova. Vlažnost i temperatura u toku korišćenja su visoke, i mogu biti značajno manje kada nema korišćenja, a uz to stopalo dovodi opremu do visokih naprezanja uključujući i sile smicanja i udare, pri čemu stopalo u toku hoda značajno menja svoj oblik, formirajući zavoje, savijanja, iščašenja.

Prepisano rešenje sadrži tekstilnu integraciju elektronskih uređaja u čarapi, uključujući i provodnike koji su prvenstveno upredeni i/ili upleteni u čarapi.

Tržište nudi nekoliko tehnologija pletenja, ali zahtevano je rešenje koje bi omogućilo vertikalno upredanje provodnih veza koje nose elektricitet i dobijaju podatke od različitih primenjenih senzora bez bilo kakvog prekida napajanja energijom i bez ugrožavanja dizajna ili udobnosti čarape.

Tehnološka rešenja prezentovana na tržištu ne dozvoljavaju bilo kakva rešenja koja ispunjavaju ove zahteve.

lako bi bilo moguće izvesti „spiralno" ispredanje čarape sa četiri izvora, troškovi predstavljaju sprečavajući faktor, pri čemu bi i dizajn i udobnost čarape bili takođe kompromitovani.

Rešenje je bilo prilagođavanje postojeće tehnologije i omogućavanje pletenje električno provodnih niti vertikalno kako bi mogli da dovedemo napajanje energijom do različitih senzora bez kompromitovanja kvaliteta, udobnosti i dizajna čarape. Druga rešenja poput „dodataka" mogu biti ujednačena, ali je poznato da dolazi do narušavanja kvaliteta, dizajna i udobnosti tako da za ovu namenu integracija sa tekstilom, a konkretno upredanje i/ili pletenje provodnih niti duž čarape, poseduje specifične prednosti.

Pomoću za ovu namenu razvijenog softvera moguće je vizualizovati sve podatke i koristiti ih zajedno sa unosom korisnika kako bi se dobile vrednosti korisnikove težine, indeksa telesne mase (BMI), kalibracije i merenja mase tela u kretanju, rastojanja, broja koraka, vremena trajanja treninga, količine sagorelih kalorija u toku svake sekunde i količine konzumiranih kalorija tokom ukupnog vremena trajanja treninga (Slika 1). Isti softver sadrži funkcije beleženja podataka, a moguće je i podatke dobijene od biometrijskih senzora eksportovati na personalni kompjuter (PC) i tako izvršiti analizu podataka pomoću za ovu svrhu razvijenog softvera.

Sposobnost praćenja GPS-a{ Global Positioning System)je takođe prisutna u ovom sistemu ukoliko prenosni uređaj (mobilni telefon) poseduje integrisani GPS uređaj, softver razvijen za ovu namenu dozvoljava dobijanje kardinalnih tačaka koje naznačavaju putanju kojom je prošao korisnik. Kada se podaci izvezu na PC računar, moguće je videti rutu na virtuelnoj mapi (npr.Google Earthmapi).

Ovaj sistem za očitavanje sadrži skup senzora integrisanih u čarapu, elektronski centralni modul koji sadrži svu elektroniku koja je neophodna za rad uređaja smeštenu na članku korisnika, i softver koji je potrebno instalirati na prenosnom uređaju (PDA uređaju, pametnom telefonu, ultra-prenosnom PC računam i portabl-konzoli) ili na radnom uređaju (desktop i laptop računaru), a koji će omogućiti vizuelizaciju svih prikupljenih podataka i rezultata proračuna izvedenih nad njima. Prenos podataka sa elektronskog centralnog modula na prenosni uređaj vrši se pomoćuBluetoothbežičnog komunikacionog protokola korišćenjem u specifičnim slučajevima 802.11 (VViFi) module ili ZigBee radio frekvencije (433 MHz / 870 MHz).

Senzorizacija

Prvenstveno, pomoću tri specifična senzora vrši se prikupljanje prvenstveno tri različita tipa podataka.

Senzor temperature

Vrednosti temperature se prvenstveno dobijaju pomoću komercijalno dostupnog poluprovodnika razvijenog za ovu namenu. Senzor konvertuje izmerene vrednosti temperature u digitalni signal koji je moguće jednostavno interpretirati prilikom obrade, prenet korišćenjem komunikacionog protokola „jedno-žični protokol". Opseg vrednosti temperature izmerenih pomoću senzora temperature nalazi se između - 55°C i 125°C pri opsegu relativnih vlažnosti od 20% do 95% i uz rezoluciju od 0,5°C za obične korisnike, odnosno 0,0625°C za medicinske primene.

U okruženjima sa visokom elektromagnetnom bukom, ovaj senzor se prvenstveno menja drugim senzorom koji je otporniji na buku, a koji koristi komunikacioni protokol I2C ili analogne senzore uz dodatno umetanje jedne ili više provodnih niti, ili preko stepena za analogno-digitalnu konverziju, respektivno.

Temperaturni senzor je prvenstveno integrisan na fleksibilnoj štampanoj ploči (PCB-u), koji se zatim pričvršćuje/vari za provodne niti inkorporirane u strukturu čarape obrazujući vezu signala senzora sa hardverom. Čitava struktura fleksibilne štampane ploče sa integrisanim senzorom je prvenstveno enkapsulirana u silikonski pH-neutralni film (standardne klase) postupkom laminacije i/ili livenja, što omogućava da čitava struktura senzora i fleksibilne štampane ploče bude vodo-nepropusna.

Senzor pritiska

Vrednosti pritiska kojima deluje stopalo korisnika se prvenstveno prikupljaju pomoću piezorezistivnog senzora koji na svojim terminalima u toku dejstva pritiska generiše pramenu nivoa električne otpornosti. Opseg senzora pritiska može varirati između 700 kPa nominalnog pritiska do 1300 kPa maksimalnog dejstva, ipak ove vrednosti variraju u zavisnosti od oblasti korišćenog senzora, što je veći senzor veća je i rezolucija koja, nezavisno od toga, mora izdržati veće pritiske.

Kako bi bilo moguće interpretirati vrednosti generisane od strane ovog senzora, prvenstveno je neophodno koristiti ,,Wheatstone-ov most" povezan sa instrumentalnim pojačavačem koji konvertuje promenu otpornosti senzora u naponski analogni signal koji razume analogno-digitalni konvertor (ADC -Analog- DigitalConverter)stepena za obradu podataka. Kao alternativa piezorezistivnom senzoru, moguće je koristiti kapacitivni senzor uz izmenu, menjajući ,,Wheatstone-ov most" i pojačavanje kapacitivnosti sa digitalnim konverterom koji se vezuje direktno sa stepenom za obradu. Senzor prvenstveno poseduje debljinu manju od 1,25 mm kako bi se optimizovala integracija sa strukturom čarape i omogućila veća udobnost za korisnika. Senzor je prvenstveno integrisan u oblast pete i/ili metatarzalnu oblast stopala kako bi se maksimizovao odnos signal/odziv piezorezistivnog/kapacitivnog senzora prilikom mehaničkih zahteva poput hodanja. Senzor je prvenstveno enkapsuliran u silikonu u silikonskom pH-neutralnom filmu (standardne klase) postupkom laminacije i/ili livenja čime se omogućava vodo-nepropusnost svih senzora. Terminali/elektrode senzora su prvenstveno zavareni/povezani sa u čarapu integrisanom provodnom strukturom niti koja prenosi pogonski signal senzora do hardvera.

Senzor otkucaja srca

Senzor otkucaja srca je prvenstveno usađen u krutu štampanu ploču i prvenstveno je smešten u zoni članka tako da je u kontaktu sa kožom. Ova štampana ploča je prvenstveno enkapsulirana silikonom tako da se može eliminisati moguća neudobnost za korisnika pošto je ovo u direktnom kontaktu sa kožom. Štampana ploča može biti fleksibilna, što zahteva posebnu pažnju po pitanju tačaka varenja komponenti koje sačinjavaju elektronski senzor, a koje bi poželjno trebalo da budu ojačane. Ovaj modul je prvenstveno izrađen od podloge za očitavanje sa tehnologijom koja se zasniva na optičkim principima, uobičajeno poznatom kao fotopletizmografija (PPG), a koja je u ovom slučaju zasnovana na postupku koji tretira reflektansu. Radi implementacije PPG postupka prvenstveno se koriste dve diode koje emituju svetlost (LED -Light Emitting Diodes)i prijemnik/konvertor svetla u električne TAOS signale (signal amplitude). Ovaj postupak se sastoji u tome da se svetio koje emituju dve LE diode projektuje na kožu, gde deo ovog svetla biva apsorbovan od strane kože dok se ostatak reflektuje i detektuje od strane prijemnika. Varijacija koja postoji u amplitudi signala (na izlazu prijemnika), a koja odgovara većoj ili manjoj apsorpciji svetla, diktira da li je bilo ili nije srčanog pulsa.

Ovaj modul je prvenstveno sačinjen od tri sloja, sloja za očitavanje (opisane iznad), sloja za obrazovanje signala i, finalno, sloja za obradu/komunikaciju.

Sloj za očitavanje sadrži emitere svetla i prijemnik i odgovoran je za čitav proces konvertovanja svetla u električni signal. Sloj za obrazovanje signala je odgovoran za sve faze obrazovanja signala, od filtriranja, pojačavanja i konverzije signala (analogno-digitalna konverzija - ADC), što je sve neophodno kako bi se dobio signal koji može biti interpretiran od strane jedinice za obradu/komunikaciju. Sloj za obradu/komunikaciju poseduje dve glavne funkcije, interpretiranje digitalnog signala radi otkrivanja otkucaja srca u toku vremena, a kako bi se izdvojile relevantne informacije, i enkapsulaciju izdvojenih informacija u asinhronom serijskom komunikacionom protokolu tako da se obrađeni podaci mogu ispravno proslediti do centralnog elektronskog modula. Ovi podaci se šalju u digitalnom formatu i ne postoji potreba za postojanjem sloja za obrazovanje signala na strani prijema.

Centralni elektronski modul

Centralni elektronski modul obavlja akviziciju signala sa senzora, njihovo uspostavljanje/obradu, obradu podataka i konačno opcionu komunikaciju do mobilnog uređaja. U ovom modulu takođe poželjno postoji i jedan sloj za praćenje nivoa popunjenosti baterijskog napajanja, i ova informacija se takođe šalje do mobilnog uređaja (Slika 2). Centralni elektronski modul je poželjno enkapsuliran u čvrstoj strukturi izrađenoj od polimera (kutiji) koja je prvenstveno fiksirana u oblasti članka pomoću elastične trake sa iglama, elastične trake sa podesivim Velcro spajanjem, ili elastične trake sa podesivim steznim polimernim oprugama. Hardverski modul se, stoga, prvenstveno može odvojiti i ukloniti, ali ne nužno i prati sa ostatkom odeće poput ostatka strukture čarape.

Podaci koje prikupljaju senzori temperature i pritiska koji su integrisani u strukturu čarape prenose se/šalju se do hardvera preko provodnih tekstilnih niti integrisanih u strukturu čarape. Signal senzora provodi se kroz provodne tekstilne niti u strukturi čarape koje su prvenstveno pričvršćene/zavarene za jedan kraj fleksibilne elastične trake ili provodnih enkapsuliranih vodova. Provodna elastična traka prvenstveno poseduje na svom drugom kraju krute pinove konektora i/ili mini-USB konektor, i u slučaju provodne enkapsulirane niti na drugom kraju će poželjno biti izveden mini-konektor, što su sistemi koji se povezuju sa hardverskim modulom. Ovaj sistem omogućava veću udobnost za korisnika prilikom uspostavljanja fizičke veze između provodnih niti smeštenih u strukturi čarape, a koje prenose signale od senzora kroz strukturu čarape, i hardverskog modula. Stoga, postaje jednostavno za korisnika da pomoću navedenih konektora odvoji tekstilni deo čarape koji se može prati od ne-perivog hardverskog modula.

Napajanje i praćenje stanja baterije

Baterije integrisane u hardverski modul odgovorne su za napajanje energijom svih elektronskih i senzorskih sistema koji se nalaze u čarapi. Prvenstveno se koriste litijum-jonske baterije ili litijum-polimerske zapremine veće od 8 cm<3>i manje od 50 cm<3>, i sa vrednostima opterećenja između 100 mAh i 500 mAh u zavisnosti od željene autonomije.

Ovaj sloj poseduje funkcionalnost praćenja nivoa napunjenosti baterije centralnog elektronskog modula šaljući svoj status do prenosnog uređaja. U ovom cilju koristi se uređaj koji prati nivo napunjenosti i šalje signale do sloja za obradu ukoliko nivo padne ispod zadatog nivoa, ili ukoliko se baterija puni šalje signal popunjenosti baterije i signal završetka punjenja. Na ovom sloju takođe postoji i kontrolno kolo za modul napajanja energijom koje može da detektuje prisustvo jedinice za punjenje i proizvede snagu za punjenje baterije.

Uspostavljanjeanalognih signala

Od tri senzora koja postoje u sistemu, u ovom modulu samo senzor pritiska poželjno zahteva uspostavljanje signala. Ovo uspostavljanje signala se prvenstveno izvodi pomoću ,,Wheatstone-ovog mosta" povezanog sa instrumentalnim pojačavačem koji dozvoljava detektovanje varijacije otpora na senzoru pritiska kada se na njega deluje pritiskom, čime se na izlazu pojačavača dobija analogni signal koji može biti interpretiran od strane analogno-digitalnog konvertora prisutnog u mikrokontroleru. Ovaj generisani analogni signal je naznačen očitavanjem napona od 0 V kada nema pritiska i napona napajanja kada sistem dostigne maksimalan nivo pritiska.

Obrada i tretiranje signala senzora

Kako bi se izvršila obrada svih signala generisanih od strane sistema, kao i senzora sloja za napajanje i sloja praćenja snage baterije, prvenstveno se koristi mikrokontroler koji usled uključenih modula dozvoljava ispravnu interpretaciju signala.

Obrada se specifično vrši za svaki od različitih signala. Signal senzora temperature će prvenstveno biti primljen na digitalnom portu mikrokontrolera koji sadrži algoritam potreban za ispravan prijem poslatih vrednosti i njihovo konvertovanje u vrednosti pogodne za kasnije slanje do prenosnog uređaja.

Signal otkucaja srca je već prethodno obrađen od strane samog modula i zahteva se samo prijem vrednosti na digitalnom portu i njihovo prosleđivanje do prenosnog uređaja.

Signal senzora pritiska zahteva korišćenje analogno-digitalnog konvertora prisutnog u mikrokontroleru sa implementiranim algoritmom detekcije tranzicije signala između stanja delovanja i uklanjanja pritiska. Na osnovu detekcije ovih tranzicija bilo je moguće razviti algoritme detekcije koraka i odmeravanja svakog koraka i obrade tih podataka kako bi se do softvera prenosnog uređaja prosledile informacije koje su relevantne i mogu biti interpretirane. Pomoću algoritma kontinualne analize pritiska pri prelazima visokog nivoa vrši se grubi proračun telesne mase na osnovu prvenstveno jedne inicijalne kalibracije radi testiranja pojedinca.

Signali prazne baterije, punjenja baterije i napunjene baterije se takođe dobijaju prvenstveno direktno od strane digitalnih portova mikrokontrolera koji, takođe, poseduje razvijen algoritam za interpretaciju ovih podataka i njihovo prosleđivanje do prenosnog uređaja.

Prenos podataka do mobilnog telefonaBluetooth vezom

Kako bi se mogla ostvariti komunikacija između centralnog elektronskog modula i prenosnog uređaja, na strani ovog drugog koristi se uređaj za prenos podataka, prvenstveno putemBluetoothveze koji komunicira prvenstveno sa mikrokontrolerom preko asinhronog serijskog protokola primajući okvire podataka ispravno struktuirane da bi mogli biti interpretirani od strane softvera prenosnog uređaja. U nekim specifičnim slučajevima se prvenstveno koriste 802.11 (WiFi) moduli, ZigBee ili radio frekvencije (433 MHz / 870 MHz) koje omogućavaju uspostavljanje direktne veze sa specifičnim uređajem ili PC-jem koji ne posedujeBluetoothkomunikacioni protokol već WiFi.

Softver za naknadnu obradu i vizuelizaciju podataka dobijenih u čarapi

Kako bi se za korisnika mogla izvršiti vizuelizacija generisanih i podataka obrađenih u hardverskim modulima, razvijen je softver za prenosne uređaje sa za korisnika pogodnim grafičkim interfejsom. Ovaj softver je prvenstveno optimizovan zaWindows Mobileplatformu, ali takođe može biti prilagođen i za druge platforme uključujućiAndroid, Symbian OSiiPhone OS.

Konekcija/komunikacija između softvera i čarape se prvenstveno uspostavlja automatski, prateći,, Plug- and- Play"koncept koji zahteva samo prethodno uparivanje sa centralnim elektronskim modulom.

Softver se prvenstveno zasniva na konceptu prozora tako da je svaka od karakteristika grupisana po prozorima kako sledi: na prozore za podešavanje i prozore za praćenje. Određujući, konfiguracija se odnosi na podatke korisnika i komunikaciju; praćenje se odnosi na prezentaciju svih podataka relevantnih za korisnika dobijenih pomoću čarape. Softver za interakciju sa korisnikom prvenstveno koristi dugmad za navigaciju prenosnog uređaja, ali interakcija može takođe biti realizovana i preko ekrana osetljivog na dodir ukoliko uređaj poseduje tu vrstu fizičkog interfejsa. Na prilično intuitivan način, korisnik može vršiti navigaciju kroz sve raspoložive prozore na jednostavan način.

Obrada podataka zahteva više procesorskog vremena, uključujući i razvoj matematičkih kalkulacija korišćenih kako bi se dobile vrednosti poput BMI, nivoa sagorenih kalorija ili vremena provedeno u treningu, prvenstveno se izvode od strane softvera prenosnog uređaja koji poseduje veću brzinu obrade podataka u poređenju sa mikrokontrolerom prisutnim u centralnom elektronskom modulu.

Kalkulacije i podaci dostavljeni korisniku od strane interfejsa softvera dobijeni su od strane senzora, izračunati od podataka dobijenih od senzora ili izračunati od podataka dobijenih od senzora zajedno sa podacima unetim od strane korisnika.

Integracija komponente u čarapi

Kako bi se obezbedilo da se čitava tekstilna struktura čarape može prati prema važećim međunarodnim standardima, neophodno je postići vodonepropusnost i enkapsulaciju senzora i električnih pogonskih sistema u strukturi čarape.

Senzor temperature je prvenstveno zavaren za fleksibilnu štampanu ploču (PCB) koja je, zatim, povezana sa provodnim tekstilnim nitima inkorporiranim u strukturi čarape. Senzor temperature je zatim prvenstveno enkapsuliran u silikonskom pH-neutralnom filmu (standardne klase) postupkom laminacije, toplog i/ili presovanja na normalnim temperaturama ili livenjem, što omogućava postizanje vodonepropusnosti senzora, štampane ploče i spojeva sa provodnim tekstilnim nitima. Kasnije, ovaj sistem se prvenstveno enkapsulira između tekstilne strukture čarape i tekstilne strukture nosača, konstruisanog i sačinjenog od istog materijala čarape postupkom laminacije i/ili zaptivanja i završavajući proces enkapsulacije u tekstilnoj strukturi.

Kontakti/elektrode senzora pritiska su prvenstveno povezani sa fleksibilnom štampanom pločom koja je, dalje, povezana sa provodnim tekstilom integrisanim u strukturi čarape, pri čemu su senzor, PCB i spojne provodne tekstilne niti prvenstveno enkapsulirane u silikonskom pH-neutralnom filmu (standardne klase) pomoću postupka laminacije, toplog i/ili presovanja na normalnim temperaturama ili livenjem, što omogućava postizanje vodonepropusnosti senzora i spojeva sa tekstilnim provodnim nitima. Kao posledica toga, ovaj sistem je prvenstveno enkapsuliran između tekstilne strukture čarape i tekstilne strukture nosača, konstruisanog i sačinjenog od istog materijala čarape postupkom laminacije i/ili zaptivanja i završavajući proces enkapsulacije u tekstilnoj strukturi.

Za izradu provodnih niti za vođenje signala senzora do elastične trake i/ili provodnih enkapsuliranih niti koji, dalje, vode signale senzora do hardvera/kontrolnog modula, odabran je provodni tekstil koji se može plesti konvencionalnim postupcima. Odabrani tekstil je prvenstveno enkapsuliran i vodo-nepropustan čime se dozvoljava da se čarapa može prati. Niti su prvenstveno integrisane u strukturu čarape konvencionalnim postupkom pletenja i prateći obrazac tri ili više kurseva provođenja signala između senzora i provodnih traka/enkapsuliranih provodnih niti do hardvera. Ove niti su prvenstveno zavarene za kontakte štampane ploče a zatim za kontakte senzora pritiska, kao i zavarene za PCB kontakte senzora temperature, nakon čega su zavarene za kontakte provodne trake/enkapsuliranih provodnih niti.

Provodne niti koje se mogu plesti su prvenstveno povezane sa elastičnim trakama, a koje poseduju isti broj provodnih niti u pletenoj čarapi. Cilj ove trake jeste da vodi električne signale od senzora do centralnog modula. Obzirom da je jedan od krajeva prvenstveno zavaren i vodonepropusno povezan sa pletenim nitima u čarapi pomoću prethodno navedenog postupka, drugi kraj je povezan sa konektorom koji predstavlja interfejs između elastične trake i elektronskog centralnog modula. Standardni konektor koji se koristi je prvenstveno MINI ili MICRO USB konektor koji je uobičajeno koristi kod potrošačkih uređaja, čime se omogućava jednostavno punjenje elektronskih uređaja preko USB porta na PC računaru.

Drugi tipovi konektora poput konektora sa pinovima, jack-konektora ili „Plug-and-Play" konektora mogu biti korišćeni u zavisnosti od korišćenog tipa elastične trake, njene zamene ili provodnog kabla.

Sve elektronske komponente su prvenstveno enkapsulirane u kutiji koju je neophodno ukloniti pre pranja čarape ukoliko se sama kutija ne može prati odnosno ako nije vodootporna. Kutija se prvenstveno vezuje za elastičnu traku koja se fiksira za članak korisnika tako da je poželjno da elastične trake obuhvataju članak i da su fiksirane pomoću Velkro spajanja. Ovo rešenje dozvoljava lako odvajanje elektronike i sprečava da se zaboravi njeno uklanjanje pre pranja, pošto je alternativa direktnom spajanju elektronskog modula sa čarapom pomoću klik-konektora, kao što se vidi sa Slike 3.

Enkapsulacija senzora pritiska ( Slika 4)

- Senzor pritiska zasnovan je na FSR tehnologiji{ Force Sensor Resistor -otporni senzor delovanja sile) (3); - Senzor se sastoji iz različitih slojeva: zaštitnog sloja (5), aktivnog sloja (6), odstojnika (7), štampanih elektroda (10) i plastičnog supstrata (8); - Odstojnik sa oduškom za vazduh na kraju dozvoljava otporni/elastični rad senzora (3) pritiska; - Poželjna je enkapsulacija (9) senzora u polimeru kako bi se dobili trajni i perivi uređaji otporni na opterećenja smicanja (sile sečenja).

Problemi:

- Čak i ukoliko senzor poseduje odstojnik (7) sa oduškom za vazduh izvedenim na njegovom ekstremitetu, postupak enkapsulacije blokira prolaz vazduha; - Ukoliko je odušak za vazduh blokiran, sistem se može prati; - Ali, ukoliko je ventil blokiran, senzor (3) se neće ponašati na ispravan način kada se na njega deluje uzastopno pritiskom obzirom da se obrazuje vakuum i da nestaje prazan prostor između aktivne oblasti (6) i štampanih elektroda (10); - Neophodno je da perivi enkapsulirani senzor ispravno reaguje na uzastopna dejstva pritiska i da se izbegne nastanak vakuuma između slojeva aktivne oblasti (6) i štampanih elektroda (10).

Rešenje:

- Postupak enkapsulacije je izveden pomoću kalupa, nanošenjem epoksi-smole (prvenstveno 3M Scotch-VVeld DP-190) (9) na granicu sa senzorom (4); - Proces sušenja i formiranja izvodi se u pećnici na 60°C u trajanju od oko dva sata; - Epoksi-smola (4) dostiže prihvatljivu poroznost nakon sušenja; - Poroznost dozvoljava vazduhu da uđe u senzor i sprečava prodor vode.

Veza „ Senzor - provodne niti" ( Slika 5)

Karakteristike:

- Završetak fleksibilnog senzora omogućava povezivanje sa provodnim nitima, prvenstveno varenjem.

Problemi:

- Provodne niti (3) koje se koriste za varenje sa elektrodama senzora su veoma fleksibilne; - Provodne niti (3) bi trebalo da omoguće varenje; - Oblast varenja (5), nakon procesa varenja, postaje kruta i samim time krhka; - Sile naprezanja u konačnom proizvodu (čarapa je zasnovana na rastegljivom i elastičnom tekstilu) predstavljaju glavne probleme za stabilnost oblasti varenja; - Provodne niti (3) bi trebalo da se mogu prati;

- Provodne niti (3) bi trebalo da se mogu plesti.

Rešenje:

- Nakon opsežnog testiranja različitih niti, zaključeno je da su za ovu namenu najbolje provodne niti (3) koje prvenstveno odgovaraju željenim karakteristikama NOVONIC i poseduju sledeće željene karakteristike: Cu/Ag 0,04 mm i tekstilne poliester dtex 50/24/1 - 3 Q/m; - Učinjeno je poboljšanje procesa varenja izmenom putanje provodnih niti (3) kroz rep senzora (1); - Provodne niti (3) dolaze u kontakt bočno sa repom senzora (1) i putuju kroz rep senzora do terminala (4); - Varenje se izvodi samo na kraju repa senzora gde se provodne niti povezuju sa terminalima senzora; - Oblast (5) varenja se, zatim, poželjno enkapsulira pomoću epoksi-smole (prvenstveno 3M Scotch-VVeld DP-190) (2); - Oblast (5) varenja se time štiti od dejstva sila ometanja i vučenja dok provodne niti (3) zadržavaju svoju fleksibilnost kojom su ugrađene i supstrat tekstila;

- Veza između provodnih niti i senzora time postaje robusna.

Veza „ provodne niti - magistrala" ( Slika 6)

Karakteristike:

- Veza između provodnih niti i magistrale podataka ostvaruje se varenjem; - Magistrala podataka je prvenstveno sastavljena od 3 ili 4 provodnika i zasnovana je na već pomenutim provodnim nitima namenjenim za povezivanje sa senzorom; - Provodne niti su ugrađene u tkaninu, prvenstveno pletenjem ili tkanjem; - Niti su prvenstveno NOVONIC i poseduju sledeće karakteristike: Cu/Ag 0,04 mm i tekstilni poliester dtex 50/24/1 - 3Q/m;

Problemi:

- Niti su veoma fleksibilne i oblast varenja, nakon procesa varenja, postaje kruta i samim time krhka; - Konekcija između fleksibilnih i krutih komponenti uobičajeno rezultuje uzaludnom i nestabilnom vezom; - Kako su provodne niti ugrađene u tekstil, one moraju biti ne samo fleksibilne već takođe i elastične/rastegljive.

Rešenje:

- Provodne niti od senzora (5) prolaze kroz sektor tekstila (6) u cik-cak konfiguraciji (3) kako bi se obezbedila fleksibilnost prilikom rastezanja materijala; - Kada niti dođu do magistrale podataka, formira se petlja/prsten (1); - Niti magistrale podataka takođe formiraju petlju (1); - Varenje se izvodi na gornjem delu niti petlje magistrale (2) podataka; - Preko oblasti (4) varenja vrši se enkapsulacija sa epoksi-smolom;

Zaštita senzora ( Slika 7)

Karakteristike:

- Senzor (3) može pripadati nekom od različitih tipova i namenjen izvođenju različitih merenja i uključen je u supstrat (1) tkanine;

Problemi:

- Kako je senzor (3) izrađen od plastike i pomalo trodimenzionalan, odnosno kako poseduje ne-zanemarivu debljinu, integracija sa tkaninom (1) rezultuje sa dve veoma različite površine uključujući i njegovu debljinu; - Jedna ili više osnovnih varijanti primene predmetnog pronalaska podrazumeva korišćenje tkanine u blizini kože. - Plastična površina senzora ne može biti udobna za korisnika; - Granice senzora mogu dovesti do nastanka lezija na koži usled prvog trodimenzionalnog oblika i pošto može doći do ravnog i regularnog kontakta:

- Senzor kao celina nije otporan i ne može se prati.

Rešenje:

- Kako bi se zaštitio od vode, na obe površine i dno senzora nanosi se silikonski lepak (2) koji je vodootporan i propuštan za vazduh; - Silikonski lepak (2) na dnu dozvoljava izvođenje postupka laminacije senzora (3) u tkanini (1); - Silikonski lepak (2) na vrhu dozvoljava izvođenja postupka laminacije senzora u zaštitnoj mreži (4); - Mreža (4) je prvenstveno izvedena u Žerseju, sa osnovom prvenstvenom izvedenom od poliamida (98%) i spandeksa (2%); - Silikonski lepak (2) štiti senzor (3) i njegove oblasti varenja od vode i dozvoljava ulaz vazduhu kako bi se izbegao nastanak efekta vakuuma u unutrašnjem sloju senzora.

Provodna vezna traka ( Slika 8)

Karakteristike:

- Provodna vezna traka (1) povezuje provodne trake (2) magistrale podataka čarape i konektora, prvenstveno USB (mini ili mikro) (4), kao način kojim se omogućava prolaz provodnih niti (2).

Problemi:

- Magistrala podataka, koja se sastoji od nekoliko niti (2), mora se povezati sa USB konektorom (4); - Konekcija između fleksibilnih niti (2) i krutog modula, kao što je USB konektor (4), mora biti robusna i estetski prihvatljiva.

Rešenje:

- Provodne niti (2), koje su fleksibilne kako bi se dozvolila njihova zaštita usled dejstva mehaničkih sila, uključene su u provodne tekstilne trake (1); - Tekstilne trake (1) poseduju „tunele" kroz koje mogu proći provodne niti (2); - Tekstilna traka postaje provodna traka (1) nakon integracije provodne niti (2) kroz nju; - Konektor, prvenstveno USB (4), fiksiran je postupkom varenja (5) na provodnoj spojnoj traci (1) kako bi se obezbedila konektivnost; - Nakon postizanja spoja (5), postupkom livenja brizganjem obrazuje se robustna i estetski prihvatljiva enkapsulacija (3) kojom se štiti spoj.

Opis Slika

Radi jednostavnijeg razumevanja pronalaska, uz opis su pridružene slike koje predstavljaju poželjna izvođenja pronalaska koja, ipak, nisu namenjena ograničavanju obima ovog pronalaska.

Slika 1:Šematska reprezentacija prikupljenih podataka gde

(1) predstavlja indeks telesne mase,

(2) predstavlja korisnikovu težinu,

(3) predstavlja količinu kalorija konzumiranih tokom ukupnog vremena trajanja treninga,

(4) predstavlja vreme trajanja treninga,

(5) predstavlja kalorije konzumirane po sekundi vremena,

(6) predstavlja trenutnu brzinu putovanja,

(7) predstavlja GPS uređaj za praćenje,

(8) predstavlja pređeno rastojanje,

(9) predstavlja broj koraka,

(10) predstavlja istorijske podatke, i

(11) predstavlja kalibraciju i merenje mase tela u toku kretanja.

Slika2: Šematska reprezentacija glavnih modula sistema za praćenje gde

(1) predstavlja senzor temperature,

(2) predstavlja senzor pritiska,

(3) predstavlja senzor otkucaja srca,

(4) predstavlja uspostavljanje analognog signala,

(5) predstavlja obradu i tretiranje podatka,

(6) predstavlja praćenje snage i opterećenja,

(7) predstavlja bežični komunikacioni interfejs za prenos podataka, na primerBluetooth,

(8) predstavlja naknadnu obradu i vizuelizaciju podataka,

(9) predstavlja bežičnu komunikacionu vezu za prenos podataka, na primerBluetooth,

Slika3: Šematska reprezentacija pronalaska gde

(1) predstavlja senzor temperature,

(2) predstavlja PCB noseću ploču,

(3) predstavlja provodne niti,

(4) predstavlja provodne niti u cik-cak konfiguraciji,

(5) predstavlja senzor pritiska,

(6) predstavlja provodne niti,

(7) predstavlja magistralu podataka,

(8) predstavlja spojnu provodnu traku,

(9) predstavlja konektor, na primer USB,

(10) predstavlja elastičnu traku,

(11) predstavlja kutiju za elektroniku,

(12) predstavlja bežičnu vezu,

(13) predstavlja LED,

(14) predstavlja dugme, na primer za uključivanje/isključivanje, i (15) predstavlja prenosni uređaj, na primer pametni telefon.

Slika 4:Šematska reprezentacija enkapsulacije i veze senzora pritiska gde

(1) predstavlja terminale senzora,

(2) predstavlja rep senzora,

(3) predstavlja senzor pritiska,

(4) predstavlja epoksi-smolu,

(5) predstavlja zaštitni materijal,

(6) predstavlja aktivnu oblast senzora,

(7) predstavlja odstojnik,

(8) predstavlja plastični supstrat,

(9) predstavlja epoksi-smolu,

(10) predstavlja elektrode.

Slika 5:Šematska reprezentacija veze između provodne trake i senzora gde

(1) predstavlja rep senzora,

(2) predstavlja epoksi-smolu,

(3) predstavlja provodne niti,

(4) predstavlja detalje terminala,

(5) predstavlja var, i

(6) predstavlja terminal senzora.

Slika 6:Šematska reprezentacija veze između provodne magistrale i provodnih niti gde

(1) predstavlja petlje ili prstenove provodnih niti,

(2) predstavlja var,

(3) predstavlja provodne niti u cik-cak konfiguraciji,

(4) predstavlja epoksi-smolu,

(5) predstavlja senzor pritiska, i

(6) predstavlja tekstil.

Slika 7:Šematska reprezentacija zaštite senzora gde

(1) predstavlja tekstil,

(2) predstavlja silikonski lepak,

(3) predstavlja senzor, i

(4) predstavlja pletivo.

Slika 8:Šematska reprezentacija provodne trake gde

(1) predstavlja provodnu spojnu traku,

(2) predstavlja provodne niti,

(3) predstavlja enkapsulaciju,

(4) predstavlja konektor, na primer USB,

(5) predstavlja var.

Enkapsulacija senzora pritiska ( Slika 4)

Problemi:

Rešenje:

- Postupak enkapsulacije izveden je pomoću kalupa, nanošenjem epoksi-smole (prvenstveno 3M Scotch-VVeld DP-190) (9) na granicu sa senzorom (4); - Proces sušenja i formiranja izvodi se u pećnici na 60°C u trajanju od oko dva sata; - Epoksi-smola (4) dostiže prihvatljivu poroznost nakon sušenja; - Poroznost dozvoljava vazduhu da uđe u senzor i sprečava prodor vode.

Veza „ Senzor - provodne niti" ( Slika 5)

Karakteristike:

Problemi:

- Provodne niti (3) bi trebalo da se mogu plesti.

Rešenje:

- Veza između provodnih niti i senzora time postaje robusna.

Veza „ provodne niti - magistrala" ( Slika 6)

Karakteristike:

Problemi:

Rešenje:

Zaštita senzora ( Slika 7)

Karakteristike:

Problemi:

- Senzor kao celina nije otporan i ne može se prati.

Rešenje:

Provodna vezna traka ( Slika 8)

Karakteristike:

Problemi:

- Magistrala podataka, koja se sastoji od nekoliko niti (2), mora se povezati sa USB konektorom (4); - Konekcija između fleksibilnih niti (2) i krutog modula, kao što je USB konektor (4) , mora biti robusna i estetski prihvatljiva.

Rešenje:

Claims

1. Čarapa za integrisano biometrijsko praćenje koja sadrži: - čarapu sa magistralom (7) podataka koja sadrži jednu ili više provodnih niti (3) upletenih unutar čarape; - jedan ili više biometrijskih senzora (1, 5); naznačena time,što su provodne niti enkapsulirane i vodonepropusne niti pletene vertikalno duž čarape i što svaki senzor sadrži poroznu epoksi-enkapsulaciju i zaštitu od silikonskog lepka, gde je silikonski lepak vodootporan i propuštan za vazduh.

2. Čarapa prema Zahtevu 1, gde čarapa dalje sadrži uređaj (11) za obradu podataka, provodnu spojnu traku (8) preko koje se ostvaruje veza sa magistralom (7) podataka i bežični interfejs (12) sa prenosnim uređajem (15).

3. Čarapa prema prethodnom Zahtevu, gde uređaj (11) za obradu podataka sadrži jedan ili više vizuelnih LED indikatora (13) i jedno ili više dugmadi (14), pri čemu jedno ili više dugmadi sačinjavaju prekidač za uključivanje/isključivanje.

4. Čarapa prema bilo kojem od prethodnih Zahteva, gde jedan ili više biometrijskih senzora sadrže senzor (5) pritiska i senzor (1) temperature.

5. Čarapa prema bilo kojem od prethodnih Zahteva, gde jedan ili više biometrijskih senzora sadrži vezu sa magistralom (7) podataka preko provodnih niti u cik-cak konfiguraciji.

6. Čarapa prema bilo kojem od prethodnih Zahteva, gde jedan ili više biometrijskih senzora sadrži vezu sa magistralom (7) podataka preko vara na repu senzora.

7. Čarapa prema bilo kojem od prethodnih Zahteva, gde jedan ili više biometrijskih senzora sadrži fleksibilnu osnovu od štampane ploče.

8. Čarapa prema bilo kojem Zahtevu 2, gde su jedan ili više biometrijskih senzora i uređaj za obradu podataka konfigurisani za jedno ili više od sledećeg: za merenje indeksa telesne mase, korisnikove težine, količine kalorija konzumiranih tokom ukupnog vremena treniranja, vreme treniranja, kalorije sagorele u toku svake sekunde, ili trenutne brzine putovanja; GPS praćenje, pređenog rastojanja ili brojač koraka; radi snimanja istorijskih vrednosti ili kalibracije i merenja u telesne mase u kretanju.