一种电阻值转换足底压力值的系统的制作方法

1.本发明涉及一种电阻值转换足底压力值的系统。


背景技术：

2.足是站立和运动的根基，足压不稳，根基不牢，后患无穷，足健康与足、下肢和脊柱健康息息相关足健康与婴幼儿成长发育，髋关节、脊柱的受力息息相关足健康与运动的能力和耐力息息相关。足部是人体主要的承重部位，正常足跟与足背借韧带与关节形成足弓，使足部有较好弹性，能够缓冲外力的冲击、震荡，还对行走时足底的神经起到保护作用。
3.因此足底压力对人体健康状态分析有着至关重要的辅助分析作用，故对足底数据的采集具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明在此的目的在于提供一种电阻值转换足底压力值的系统，该系统感应足底压力并得到对应的压力值，再对该压力值进行处理，处理结果便于数据分析。
5.本发明提供的电阻值转换足底压力值的系统包括：第一终端，被配置用于感应足底各点位压力，形成与感应到的各点位压力成线性关系的各点位电阻值，将各点位电阻值转换成各点位压力值；数据交互模块，被配置用于实现数据交互；以及第二终端，被配置通过所述数据交互模块与所述第一终端连接，获取各点位压力值；所述第二终端对各点位压力值进行以下处理：1）计算时间点下各点位压力总和的平均值；2）计算各点位的偏差值及总和偏差值；3）计算时间范围内足底目标区域的压力百分比及时间范围内左右脚压力偏差百分比。
6.在一些实施方式中，所述第一终端包括：数据采集模块，被配置用于感应足底各点位压力，分别输出与感应到的各点位压力成线性关系的各点位电量；数据处理模块，被配置与所述数据采集模块连接，将各点位电量转换成对应的各点位电阻值，再将各点位电阻值转换成各点位压力值。
7.在一些实施方式中，所述第一终端包括：数据采集模块，被配置用于感应足底各点位压力，分别输出与感应到的各点位压力成线性关系的各点位电阻值；数据处理模块，被配置与所述数据采集模块连接，将各点位电阻值转换成各点位压力值。
8.在一些实施方式中，所述第一终端还包括唤醒检测模块，被配置与所述数据处理
模块连接，用于唤醒所述数据处理模块。
9.在一些实施方式中，本发明提供的系统还包括供电模块，所述供电模块被配置为纽扣锂电池。
10.在一些实施方式中，所述纽扣锂电池为充电锂电池，所述供电模块还包括为所述纽扣锂电池充电的充电电路。
11.在一些实施方式中，总和偏差值通过以下公式计算：g=(g左-g右)/g左*100
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（1）g=(g右-g左)/g右*100
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（2）式中：g为足底目标点位总和偏差百分比；g右为单次右脚足底目标点位压力值总和；g左为单次左脚足底目标点位压力值总和。
12.在一些实施方式中，时间范围内足底目标区域的压力百分比通过以下公式计算：g’=g1 g2 .... gn/gsum*100
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（3）式中： g’为足底目标区域的压力百分比；g1、g2、gn为足底目标区域内的点位压力值，n为目标区域点位取值；gsum为时间范围内左/右脚足底目标点位左右压力值总和。
13.在一些实施方式中，时间范围内左右脚压力偏差百分比通过以下公式计算：g左=(gsum左-gsum右)/gsum左*100
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（4）g右=100-g左
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（5）式中：g左为左脚压力偏差百分比；g右为右脚压力偏差百分比；gsum左为时间范围内左脚足底目标点位压力值总和，gsum右为时间范围内右脚足底目标点位压力值总和。
14.在一些实施方式中，所述第二终端计算时间点下各点位压力总和的平均值后，形成压力走势图；计算各点位的偏差值及总和偏差值，形成偏差图；计算时间范围内足底目标区域的压力百分比及时间范围内左右脚压力偏差百分比后，形成压力分布图。
15.采用本发明技术方案，可以达到的技术方案至少是：1）该系统通过第一终端感应足底各点位压力，并形成各点位压力值，再通过第二终端对各点位压力值进行总和平均值、偏差值、总和偏差值、时间范围内足底目标区域的压力百分比及左右脚压力偏差百分比计算处理，处理结果便于数据分析。该数据可以提供给其它设备进一步分析或存储，也可以提供给相关人员进行分析，如提供给医护人员，作为辅助医护人员诊疗过程中的数据。
16.2）本发明的算法复杂度较低，经处理后的数据可以直接使用。
附图说明
17.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1为本发明提供的系统的组成框图；图2为本发明记载的电阻值计算原理图；图3为本发明提供的数据处理模块的电路原理图；图4为本发明提供的唤醒检测模块的电路原理图；
图5为本发明提供的蓝牙模块的电路原理图；图6为本发明提供的micro usb接口模块的电路原理图；图7为本发明提供的供电模块的电路原理图；图8为本发明提供的鞋垫的结构示意图；图9为电阻-压力关系曲线图；附图中：1-鞋垫本体，2-数据采集模块；附图2中标注有sen0～sen7的引脚表示与压力传感器连接；附图7中圆圈中的各数字表示压力传感器的编号。
具体实施方式
18.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
19.本发明为了获取足底压力，并将该压力以压力值形式表示，提供了一种电阻值转换足底压力值的系统。请参阅图1，该系统包括第一终端、数据交互模块、供电模块和第二终端。
20.第一终端，被配置用于感应足底各点位压力，形成与感应到的各点位压力成线性关系的各点位电阻值，将各点位电阻值转换成各点位压力值；该第一终端在此采用鞋垫结构，参照图8所示，该鞋垫包括鞋垫本体1，鞋垫本体1被配置用于电路布设，该电路实现感应足底各点位压力，形成与感应到的各点位压力成线性关系的各点位电阻值，将各点位电阻值转换成各点位压力值。当然，可以理解的是，鞋垫结构仅是本技术第一终端的一种表现形式，并非限定形式；第一终端还可以采用除鞋垫结构外的其它表现形式，如pcb板。
21.第一终端有以下两种结构：第一种结构，包括：数据采集模块，被配置用于感应足底各点位压力，分别输出与感应到的各点位压力成线性关系的各点位电量；数据处理模块，被配置与数据采集模块连接，将各点位电量转换成对应的各点位电阻值，再将各点位电阻值转换成各点位压力值；唤醒检测模块，与数据处理模块连接，被配置用于唤醒数据处理模块。
22.此结构中，数据采集模块采用压电式传感器，用于感应足底压力，并输出与所受压力成正比关系的电量。压电式传感器在收到外力作用时，其表面会产生电荷，电荷通过集成于压电式传感器中的电荷放大器、测量电路的放大及变换阻抗后，被转换成与压电式传感器所受外力成正比关系的电量。
23.第二种结构，包括：数据采集模块，被配置用于感应足底各点位压力，分别输出与感应到的各点位压力成线性关系的各点位电阻值；数据处理模块，被配置与数据采集模块连接，将各点位电阻值转换成各点位压力值；唤醒检测模块，与数据处理模块连接，被配置用于唤醒数据处理模块。
24.此结构中，数据采集模块采用电阻应变传感器，用于感应足底压力，并输出与所受
压力相对应的电阻值。电阻应变传感器受到外力时，将其内部金属导体变形转换成电阻变化，其具体变化是：金属导体受到轴向拉力，其长度增加而横截面积变小，电阻增加，反之电阻减小。电阻应变传感器受到外力作用状态下输出电阻值。
25.第一种结构和第二种结构中的数据处理模块包括单片机u2，用于存储经c语言编程并调试成功的计算机程序，并能够执行该计算机程序，当执行该计算机程序时，实现压电式传感器的电阻值计算，根据该电阻值得到压力值，即实现电阻值换算为压力值；或者执行该计算机程序时，直接实现电阻值换算为压力值。
26.电阻值与压力值之间的关系如图9所示。
27.其中，电阻值计算原理请参阅图2，单片机和上拉电阻r1相配合，电阻r1的一端接电路电源vcc，另一端接单片机压电式传感器输出的电量输入单片机与电阻r1相连接的引脚。压电式传感器受到外力作用时，产生与压电式传感器所受外力成正比关系的电量，该电量输入单片机，在电阻r1的作用下，压电式传感器的电阻值满足以下关系：其中：为电路电源，为单片机adc数据。
28.此处的单片机并不限于特定的一种或一个系列的单片机，能够存储计算机程序并执行该计算机程序即可，如at89c52单片机，stc系列单片机、atm系列单片机等。
29.请参阅图3，本文单片机u2采用stm32系列单片机，该单片机u2的外围电路包括电感l1、电容c3、电容c4、电阻r1、电阻r4、电容c6、电感l2、电容c7、电容c8和电容c5；电路电源vdd_bat经电感l1后输出单片机u2工作电压mcu_3v加载于单片机u2的电源引脚，电容c3和电容c4用于对电感l1输出进行滤波，使加载于单片机u2电源引脚上的电压稳定。
30.电感l1输出的电压mcu_3v经电阻r4输入单片机u2的nrst引脚，并经电容c8接地；电压mcu_3v还经电感l2后形成vdda电源被配置加载于单片机u2的vdda引脚，并经电容c7接地；压电式传感器/电阻应变传感器的输出经电阻输入单片机u2，用于压电式传感器/电阻应变传感器输出加载的单片机u2各引脚还分别通过上拉电阻接vdda电源。电阻数量与单片机u2作为压电式传感器/电阻应变传感器输出加载的引脚数相匹配，如压电式传感器/电阻应变传感器布设有8个，则电阻对应布设8个。参照图3，分别设定电阻r6～电阻r8、电阻r13～电阻r17作为上拉电阻。电容c8\c5用于滤波，电阻r1串联于单片机u2启动选择引脚boot1和电路地之间，用于提供单片机u2启动信号。
31.本文中的唤醒检测模块用于在数据采集模块存在输出时唤醒单片机u2，使单片机u2执行存储于其内的计算机程序。请参阅图4，本文在此采用的唤醒检测模块包括比较器u4、电阻r20、电阻r24和电容c13，电阻r20和电阻r24串联于电路电源vdd_bat和电路地之间，构成分压电路，提供压力阈值，并输入比较器u4的反相输入端，比较器u4的同相输入端与单片机u2连接，输出端直接或经电阻r19与单片机u2连接；电容c13用于滤波。
32.唤醒检测模块的工作原理是这样的：当外力作用于数据采集模块时，数据采集模块存在输出，该输出输入单片机u2，单片机u2存在输出，通过二极管d1/二极管d2输入比较器u4的同相输入端；根据设定，当比较器u4同相输入端信号大于或小于反相输入端信号时，存在输出，该输出输入单片机u2，使单片机u2运行存储的计算机程序。
33.本文中的供电模块采用以下电路结构之一：1）被配置有用于对供电电源vdd_5v进行处理的芯片、瞬态抑制二极管d3、电容c9、
电容c10、电阻r12、电容c11、电阻r11和电容c12，瞬态抑制二极管d3、电容c9和电容c10并联于芯片输入引脚和电路地之间；电阻r12连接于芯片输入引脚和使能引脚之间，电阻r11的一端接芯片的输出引脚，另一端作为输出端输出电路电源vdd_bat，为压电式传感器/电阻应变传感器、单片机、唤醒检测模块和数据交互模块提供工作电压；电容c11连接于电阻r11与芯片输出引脚相连接的一端和电路地之间，电容c12连接于电阻r11作为输出端的一端和电路地之间。
34.其中，芯片采用的充电芯片，其输出直接提供给压电式传感器/电阻应变传感器、单片机、唤醒检测模块和数据交互模块。在另一些实施方式中，该芯片采用稳压芯片。
35.2）供电模块被配置为纽扣锂电池j2。
36.3）供电模块被配置为纽扣锂电池j2，该纽扣锂电池被配置为充电纽扣锂电池；请参阅图7，供电模块还被配置有充电芯片u3、瞬态抑制二极管d3、电容c9、电容c10、电阻r12、电容c11、二极管d4、电阻r11和电容c12，瞬态抑制二极管d3、电容c9和电容c10并联于芯片输入引脚和电路地之间；电阻r12连接于芯片输入引脚和使能引脚之间，二极管d4的阳极接充电芯片u3的输出引脚，阴极接电阻r11的一端，电阻r11另一端作为输出端输出电路电源vdd_bat，为纽扣锂电池j2充电；电容c11连接于二极管d4的阳极和电路地之间，电容c12连接于电阻r11作为输出端的一端和电路地之间。
37.供电模块中配置电容c9、电容c10、电容c11和电容c12用于对供电电源进行滤波，电阻r12用于提供使能信号，电阻r11用于限流。二极管d4作为单向开关，避免充电纽扣锂电池的电反向流入充电芯片u3，影响其稳定性。
38.本文中，供电电源vdd_5v通过usb接口提供，或者锂电池提供，或者干电池提供。
39.本文各功能电路配置瞬态抑制二极管用于吸收浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护各功能电路中元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。
40.数据交互模块，被配置用于实现数据交互，该数据交互模块采用以下结构之一：1）蓝牙模块，可以与具备蓝牙功能的第二终端设备进行匹配，可以采用任何一种蓝牙模块，本文配置的蓝牙模块的有效距离为5m，支持5v/2ma的usb充电。具体的，请参阅图5，本文配置的蓝牙模块包括蓝牙芯片u1和发光二极管d5，蓝牙芯片u1低电源端经电容c2接地，高电源端经电容c1接电路电源vdd_bat，电容c1还接电路；发光二极管d5的阳极接蓝牙芯片u1的状态引脚连接，用于指示其工作状态，如蓝牙模块处于工作状态时，该发光二极管d5发光，反之则熄灭；发光二极管d5阴极直接接电路地或通过电阻r26接电路地；蓝牙芯片u1直接接数据处理模块，或分别通过电阻r2、电阻r3和电阻r9接数据处理模块，或者蓝牙芯片u1分别通过电阻r2、电阻r3和电阻r9接接口j1或直接接接口j1，接口j1接数据处理模块。
41.2）micro usb接口模块，通过数据线与第二终端设备进行连接，实现数据交互。请参阅图6，本文配置的micro usb接口模块包括micro usb接口j3、瞬态抑制二极管d6、瞬态抑制二极管d7和瞬态抑制二极管d8，micro接口j3与数据处理模块直接连接或分别通过电阻r21、电阻r22和电阻r23连接；瞬态抑制二极管d7、瞬态抑制二极管d6和瞬态抑制二极管d6分别连接于与数据处理模块相连接的引脚和电路地之间。
42.3）蓝牙模块和micro usb接口模块，蓝牙模块和micro usb接口模块可以采用上述电路结构。
43.第二终端，被配置通过数据交互模块与第一终端连接，获取各点位压力值；
第二终端对各点位压力值进行以下处理：1）计算时间点下各点位压力总和的平均值；2）计算各点位的偏差值及总和偏差值；3）计算时间范围内足底目标区域的压力百分比及时间范围内左右脚压力偏差百分比。
44.其中，第二终端计算时间点下各点位压力总和的平均值是通过以下公式（6），g’=(g1 g2 g3 ...... gn)/n
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（6）式中：g’为时间点下各点位压力总和的平均值；g1 g2 g3 ...... gn为时间点下各点位压力值，n为点位数，为大于0的自然数。
45.计算不同时间点下个点位压力总和的平均值，形成压力走势图，数据更为直观，有利于数据分析。点位数的取值，根据情况取，如4、7、8、10等。可以是左右脚同时取，也可以是只取左脚或右脚。
46.第二终端计算各点位的偏差值及总和偏差值通过式（1）、式（2）；g=(g左-g右)/g左*100
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（1）g=(g右-g左)/g右*100
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（2）式中：g为足底目标点位总和偏差百分比，当左脚足底目标点位单次压力值总和大于最近一次右脚相同数量的目标点位单次压力值总和时，用公式（1），反之用公式（2）；g右为单次右脚足底目标点位压力值总和；g左为单次左脚足底目标点位压力值总和。以左右脚足底8个点位为例，g则表示左右脚的8个点位总和偏差百分比，当左脚8个点位单次压力值总和大于最近一次右脚8个点位单次压力值总和时，用公式（1），反之用公式（2）。此时，g左为单次左脚8个点位压力值总和；g右为单次右脚8个点位压力值总和。当然，本领域技术人员应当理解是此处以8个点位作为目标点位数，仅为一种示例性说明，并非限定。足底目标点位数任意选取，如6、5、10或其它等均可。
47.时间范围内足底目标区域的压力百分比通过以下公式计算：g’=g1 g2 .... gn/gsum*100
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（3）式中： g’为足底目标区域的压力百分比；g1、g2、gn为足底目标区域内的点位压力值，n为目标区域点位取值，即目标区域点位的取值数量，为大于0的自然数；gsum为时间范围内左/右脚足底目标点位左右压力值总和。
48.在此，足底目标区域任意设置，如足前、足掌、足跟中的一个区域，或者三个区域。如足底目标区域为足前、足掌和足跟，分别取足前区域3个压力值，记作g1、g2、g3，取足掌区域2个压力值，记作g4、g5，取足跟区域3个压力值，记作g6、g7、g8；利用式（3）计算足前区域、足掌区域和足跟区域的压力百分比，分别是：g’足前=(g1 g2 g3)/gsum*100；g’足掌=(g4 g5)/gsum*100；g’足跟=(g6 g7 g8)/gsum*100。
49.时间范围内左右脚压力偏差百分比通过以下公式计算：g左=(gsum左-gsum右)/gsum左*100
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（4）g右=100-g左
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（5）式中：g左为左脚压力偏差百分比；g右为右脚压力偏差百分比；sum左为时间范围内左脚足底目标点位压力值总和，gsum右为时间范围内右脚足底目标点位压力值总和。
50.经第二终端对第一终端形成的压力值处理后，数据表现形式较为直观，该数据用
于直接存储或被用于分析。被用于分析时，第二终端处理后，依据时间点下各点位压力总和的平均值构建压力走势图；依据偏差值及总和偏差值，构建偏差图；依据时间范围内足底目标区域的压力百分比、时间范围内左右脚压力偏差百分比构建压力分布图。
51.经第二终端处理后的数据可以被其它设备分析，也可以被人工分析。如被医护人员进行分析，以便辅助医护人员了解目标对象的脊柱情况，具体分析过程为：医护人员每天进行1-2次采集基于第二终端计算得到的时间点下各点位压力总和的平均值、各点位的偏差值及总和偏差值、时间范围内足底目标区域的压力百分比及时间范围内左右脚压力偏差百分比，通过不同时间段内对比分析，得到不同目标对象的脊柱情况。如针对备孕期女性，医护人员对比分析，不同时间段内左右脚压力值逐渐接近、左右脚点位偏差逐渐缩小（偏差正负20%为正常范围）、左右脚压力分布逐渐均匀（足前受力20%-30%，足掌受力10%-20%，足跟受力55%-65%为正常范围），标示备孕期女性脊柱健康；反之备孕期女性可能出现脊柱健康问题，需进一步诊疗；针对产妇骨盆恢复情况，医护人员通过不同时间段内对比，左右脚压力值逐渐接近、左右脚点位偏差逐渐缩小（偏差正负25%为正常范围）、左右脚压力分布逐渐均匀（足前受力20%-30%，足掌受力10%-20%，足跟受力50%-70%为正常范围），标示产妇骨盆在逐渐恢复；反之则产妇骨盆可能发生不良反应，需进一步诊疗；针对脊柱康复情况分析，医护人员通过不同时间段内对比，左右脚压力值逐渐接近、左右脚点位偏差逐渐缩小（偏差正负40%为正常范围）、左右脚压力分布逐渐均匀（足前受力15%-35%，足掌受力10%-25%，足跟受力45%-65%为正常范围），标示患者在逐渐恢复；反之则患者可能复发脊柱相关病，需进一步诊疗；针对青少年脊柱生长发育健康状态分析：医护人员通过不同时间段内对比，左右脚压力值逐渐接近、左右脚点位偏差逐渐缩小（偏差正负30%为正常范围）、左右脚压力分布逐渐均匀（足前受力15%-30%，足掌受力10%-30%，足跟受力40%-70%为正常范围），标示青少年脊柱生长发育在健康值范围；反之则青少年可能出现脊柱健康问题，需进一步诊疗；针对中老年人脊柱健康状态分析，医护人员通过不同时间段内对比，左右脚压力值逐渐接近、左右脚点位偏差逐渐缩小（偏差正负20%为正常范围）、左右脚压力分布逐渐均匀（足前受力15%-25%，足掌受力20%-30%，足跟受力50%-65%为正常范围），标示中老年人在健康值范围；反之则用户可能出现脊柱健康问题，需进一步诊疗。
52.基于本发明得出的足底各点位压力值，辅助医护人员实现足底各点位的压力分析、步态走势分析、左右脚偏差分析、左右脚足前、足跟、足掌压力分布分析，医护人员通过这些分析对用户进行有效的诊疗判断。
53.将本文第一终端以鞋垫结构表现，构成带压力感应的鞋垫。参照图8，数据采集模块2根据情况分布于鞋垫本体1上任何位置，用于感应不同位置的压力。如数据采集模块2被分布于鞋垫本体1的前足区域、足弓外侧及足后区域；或者仅被分布于鞋垫本体1的前足区域、足弓外侧或足后区域。数据采集模块2的数量根据情况设定，如3个、5个、8个、10个，左、右脚的鞋垫本体1上的数据采集模块2分布数量及位置可以相同，也可以不同，如如图7所示，左、右脚鞋垫本体1上的数据采集模块2分布数量及位置相同，构成8*2点位鞋垫。分布好的数据采集模块2通过布线与数据处理模块连接。
54.为保证鞋垫模型的舒适性，本文中数据采集模块2可以是柔性纳米压力传感。
55.将本文提供的鞋垫装配于鞋底，实时感应足底压力，形成压力值，该压力值经数据交互模块在网络状态下传输至第二终端，或者第二终端在网络状态下通过数据交互模块读
取，获取压力值。鞋垫直接提供压力值，第二终端直接处理或存储该压力值。
56.此处的网络状态可以是无线网络状态，如蓝牙网络状态；也可以是有线网络状态，如通过microusb接口搭配数据线。
57.第一终端和第二终端之间流程是这样的：步骤1：第二终端设备搜索鞋垫模型蓝牙，并配对。
58.步骤2：配对成功后，第一终端会广播向第二终端发送ble广播数据和ble透传数据；数据为byte字节格式，第二终端接收到数据后安要求解析即可，第一终端已将电阻值转换为压力值；步骤3：第二终端接收到数据后及完成单次交互，每次第一终端压力值产生变化时会再次向配对第二终端发送数据，如配对的第二终端断开，第一终端进入休眠工作状态。
59.上述步骤1-步骤3是基于蓝牙模块作为数据交互模块为例进行的说明，如microusb接口作为数据交互模块，则与第二终端通过数据线连接，实现数据传输/读取。
60.第一终端广播向第二终端发送ble广播数据格式如表1所示。
61.表1ble广播数据格式表表中设备是指第一终端，根据配置不同的字节序号和字节值区分，本系统用于足底，配置两个第一终端，配置不同的字节序号、字节值以示区分。
[0062] ble广播数据用于通过串口、蓝牙广播使第二终端获取数据；数据格式中采样数据定义同下“透传数据”或只包括其中的标志字节；数据格式中可用mac地址区分不同的第一终端。
[0063]
ble透传数据格式如表2所示。
[0064]
表2ble透传数据格式表ble透传数据用于通过串口、蓝牙广播使第二终端获取数据。数据格式中，校验字节为byte2～byte23相加后取反加1；数据为十六进制数，高字节在前，低字节灾后，压力值的单位为g；byte22的高4位为第一终端编号，bit7=1表示右脚，bit7=0表示左脚；byte22的低4位与byte23组成的12bit数据表示电池电压，单位为mv；电池电压低于2.4v时应及时充电或更换电池，高于3.2时，应停止充电或更换电池，否则有损电池。
[0065]
本文记载的第二终端可以是任何支持usb接入和蓝牙的设备，如电脑、手机。
[0066]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。