CN101879066A - 一种运动监测仪和运动健康数据的监测与传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种运动监测仪和运动健康数据的监测与传输方法，所述运动监测仪，包括外壳，处理单元，运动传感器、位置传感器、通信单元、时钟模块和电源单元。所述安全数据传输方法是在数据传输之前相互认证，认证协议的结果是一个双方共享的密钥，认证后数据传输的保密性、完整性、不可否认性等可利用该密钥得到保障。本发明的优势在于：具有实时监测人体运动量的功能的同时，并可以将数据安全地、实时或非实时地传送到用户指定的手机、PC机、PDA等网络终端用户设备，可再通过这些网络终端用户设备安全地传输到远程服务器，长期保存个人运动数据，并可方便医学、运动、健康等专业人士进行数据分析，指导用户保持健康的生活方式，提高人们的身体素质。

Description

一种运动监测仪和运动健康数据的监测与传输方法

技术领域

本发明涉及一种测量人体运动量和生活方式健康程度的装置和方法，尤其涉及一种具有安全数据传输功能的运动监测仪和监测方法。

背景技术

随着人们对自身健康状况的重视，人们希望借助一些工具来对自己的身体运动情况进行监测和记录。计步器就是这样一种最简单的工具，但是计步器只能比较粗略地记录人的行走或跑步的步数，并大体估计人体能量消耗；计步器并不能正确区分人体各种姿态和活动，也不能精确地测量人体消耗能量，也无法进一步分析人们生活习惯或行为模式。

近年来，从计步器演化出一种称作活动量计或运动监测仪(Physical Activity Monitor)的产品概念。这类产品的设计目标是能够持续记录身体活动信息，比较准确地区分、测量所有消耗热量的活动，例如能够分辨出是在步行还是在做家务等，并且提供对身体活动数据的进一步分析，提供更多的应用。

运动监测仪的潜在应用还包括个人健康管理工具，用于帮助人们发现自己的生活规律、生活质量等，从而得到准确、有针对性的健康指导。运动监测仪采集到的活动信息可以为生活模式与特定疾病之间关系的研究提供可靠、精确的统计数据，研究结果可以及时反馈到包括数据提供者本人在内的广大用户，能够极大地促进人们的健康水平。

现有技术中，专利号为200710304259.5的发明专利公开了一种基于Zigbee的监控检测装置，该装置涉及检测技术，包括数字健康手套、健康手机伴侣和支持Zigbee或蓝牙协议的手机。该发明的优点是可以给使用者提供比较全面的身体数据记录，但是这种记录是一种静态的数据记录，没有提供使用者在运动情形下的检测；本发明的发明人还申请过一个名为运动健康检测装置的实用新型，该装置可以实时或非实时地将数据传递到用户指定的手机、PDA或PC机，再通过它们的网络传输到远程，供使用者、专业人士和医护人员等进行分析；并且，设备可以记录使用者运动的位置，形成运动轨迹，提高对运动的检测水平。但是所述实用新型并没有在数据监测和安全传输上达到应有的要求。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种运动监测仪和运动健康数据的监测与传输方法，具有实时监测人体运动量的功能的同时，并可以将数据安全地、实时或非实时地传送到用户指定的手机、PC机、PDA等网络终端用户设备，可再通过这些网络终端用户设备安全地传输到远程服务器，长期保存个人运动数据，并可方便医学、运动、健康等专业人士进行数据分析，指导用户保持健康的生活方式，提高人们的身体素质。

为了实现本发明的目的，所述运动监测仪，包括外壳，外壳内至少一个处理单元，一个运动传感器、一个位置传感器、一个通信单元、一个时钟模块和一个为各部件供电的电源单元。

除了上述必要部件，该运动监测仪还可包括存储单元，存储单元与处理单元通过数据总线，地址总线和片选线进行电连接，存储运动、位置传感器采集的有关数据以及其他需要存储的数据。

该运动监测仪还可包括一个显示单元，位于外壳表面，用于显示数据、图表，还可为使用者提供状态指示及操作接口。

所述运动传感器，为三维加速传感器或二维加速传感器，用于采集与身体活动有关的运动数据。

所述位置传感器，记录使用者运动时的位置，形成运动轨迹，以提高对运动的监测水平。

通信单元，可以为有线通信单元、无线通信单元、远程通信单元其中之一或几个的组合，为该装置提供数据传输功能。其中远程通信单元，是指支持2G或2.5G或3G或4G的通信模块。

通信单元与手机、PDA或PC机建立通信的模式有两种：在线模式和离线模式。其中，在线模式是按照一定的间隔，将处理后的数据实时发给手机、PDA或PC机；离线模式是将处理后的数据保存到存储单元或外置存储单元中，由用户一次或多次将数据发送给手机、PDA或PC机。

处理单元负责对运动传感器采集的数据进行处理，控制通信流程。

时钟模块用于为整个系统以及系统所采集的数据提供实时时钟，并与手机、PDA或PC机进行时间同步。

使用时，将监测装置按常规置于监测部位，如腰间、膝部、腕部或臂部等，运动传感器负责采集与身体活动有关的运动数据，处理单元负责对运动传感器的数据处理，以及控制无线通信模块与外部的数据交互。通信单元负责与手机、PDA或PC机建立通信连接，传输数据。

使用时，也可将多个监测装置分别按常规置于多个需监测的部位，每个监测装置传送的数据都包含各自时钟模块的时间数据，手机、PDA或PC机按照数据中的时间数据，来确定多个监测装置的相关顺序。

手机、PDA或PC机等网络终端设备再把收到的数据通过各自的网络传输到远程，供使用者、运动健康专业人士和医护人员等进行分析。

需要声明的是上述单元模块是逻辑模块，并不完全对应于实际物理模块。比如实际的处理单元很可能也包含一个存储单元，这里所说的处理单元仅指只具有处理功能的模块。

本发明提供的处理单元对运动传感器输出信号的工作算法包括预处理、特征提取、动作识别、步数计算、距离计算、消耗能量计算等6个步骤。

1.预处理

预处理步骤是为了去除输入信号中包含的尖锐噪声，可采用高斯低通滤波、平滑、中值等算法。

2.特征提取

提取的特征包括时域和频域特征。其中时域特征主要有加速度信号幅值x(n)的均值m、方差σ、短时能量E、相关系数corr、信号周期T等。频域特征主要包括预处理后的信号的快速傅立叶变换FFT的系数等。

3.动作识别

为了更好的识别静止、走、跑及未知动作的强度，使用了主要用于多分量高斯分布模型的混合高斯模型(GMM)，其中在训练GMM模型时，可使用最常用的期望-最大化算法来估计模型参数，或者隐马尔科夫算法以获得更精确地参数估计。

4.步数计算

该过程包括小波滤波、腐蚀与膨胀处理、平滑等步骤。其中小波滤波可以采用墨西哥小波，预处理后的信号经过4层墨西哥小波分解后可去除与计算步数无关的高频信号。小波滤波输出的低频信号再利用形态学方法，对其进行腐蚀与膨胀处理，以补偿小波滤波中可能出现的误检现象，提高步数计算算法的稳定性。接下来对经过腐蚀与膨胀处理后的信号进行平滑，计算平滑后信号的过零点个数即为步数。

5.距离计算

该过程采用综合算法，包括拟合、预置估值修正等步骤。首先根据输入数据确定用于实时计算步幅的拟合公式的系数，得到步幅初始值后，再通过预置估值修正减少拟合算法产生的误差，以提高距离计算的准确性。

6.消耗能量计算

为了提高计算运动的能量精度，在动作识别步骤之后根据识别出的运动类型计算消耗能量。该过程也采用综合算法，包括拟合、分段修正两个步骤。

处理单元对数据进行上述计算后可输出到用户的手机、PDA或PC机上，甚至进而传输到远程服务器上。

因为运动监测仪输出的运动数据涉及个人隐私，需要加以保护，下面是本发明提出的个人数据的安全通信方法，所述方法包括以下步骤。

步骤1：运动监测仪的通信单元与手机、PC机、PDA等互联网终端设备之间在开始传输个人数据前，需相互认证，认证协议的结果是一个双方共享的密钥，认证后数据传输的保密性、完整性、不可否认性等可利用该密钥得到保障。

步骤2：手机、PC机、PDA等网络终端设备与远程服务器之间在开始传输个人数据前，需相互认证，认证协议的结果是一个双方共享的密钥，认证后数据传输的保密性、完整性、不可否认性等可利用该密钥得到保障。

进一步地，步骤1中的认证协议参与方包括用户User、运动监测仪Monitor、网络终端设备AP、远程服务器Server。其中网络终端设备AP指手机、PC机、PDA等为运动数据提供网络接入的用户终端设备；远程服务器Server包括提供认证服务的AuthServer和提供应用服务的AppServer等。所述应用服务器包括提供运动数据长期存储、分析等服务的服务器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供一种具有安全数据传输功能的运动监测仪，具有实时监测人体运动量的功能的同时，并可以将数据安全地、实时或非实时地传送到用户指定的手机、PC机、PDA等网络终端用户设备，可再通过这些网络终端用户设备安全地传输到远程服务器，长期保存个人运动数据，并可方便医学、运动、健康等专业人士进行数据分析，指导用户保持健康的生活方式，提高人们的身体素质。

附图说明

图1为本发明所述一种运动监测仪组成结构图；

图2为本发明所述一种运动监测仪使用示意图；

图3为本发明所述一种运动监测仪工作流程图；

图4本发明所述运动监测仪发起和AP设备的安全认证协议示意图；

图5本发明所述AP设备发起和运动监测仪的安全认证协议示意图；

图6本发明所述AP设备和远程服务器之间的安全认证协议示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

实施例1：参见如图1所示，一种运动监测仪，包括处理单元10、通信单元11、运动传感器14、时钟模块12、存储单元16、电源单元17、位置传感器13和显示单元15。其中，处理单元10与通信单元11、位置传感器13可以通过通用异步接受/发送接口(UART)相连；处理单元10通过I/O接口、或I2C与时钟模块12连接；处理单元10通过高速同步串行单元(SPI)或I2C与运动传感器14进行通信；存储单元16通过数据总线、地址总线与片选线与处理单元10进行连接；显示单元15通过数据总线，地址总线和I/O接口与处理单元10进行通信。

运动传感器14可以选择ADI或BOSCH的三维加速传感器实现，如果三维加速度传感器的输出是模拟信号，还需要微处理器(MCU)的片内或片外AD/DA的支持；

位置传感器13，为GPS模块，利用卫星进行定位，或无线通信单元，利用无线通信网络进行定位。

通信单元11，可以为有线通信单元、无线通信单元、远程通信单元其中之一或几个的组合。其中有线通信单元，是指USB模块；无线通信单元，是指蓝牙模块、ZIGBEE模块、ANT模块等其中之一或几个的组合；远程通信单元，是指支持2G或2.5G或3G或4G的通信模块，例如Wifi/GPRS/GSM/W-CDMA/CDMA2000/TD-SCDMA/WiMax等模块。

处理单元10可以选择微处理器(MCU)，比如ARM7/9、DSP等器件。

时钟模块12可以选择RTC(Real-Time Clock)模块和相应的电池。

显示单元15位于外壳表面，通过数据总线、地址总线和通用输入/输出单元(GPIO)接口与处理单元进行通信。

存储单元16可以是处理单元的片内或片外FLASH。

电源单元17包括电源芯片和充电电池。

本发明提供的运动监测仪的使用场景如图2所示，可以一个或者几个装置通过任意方式固定在不同的部位，如腰间1b、膝部1d、腕部1c和臂部1a等位置；该装置将处理后的数据，传递给手机22或PC机20等网络终端设备；同时，手机22或PC机20也可以将由装置获得的数据，通过各自的网络，传输给远程服务器21。

作为一个具体的实例，图3给出该装置可能的一个工作流程图：该运动监测仪首先进行系统初始化302，将设置系统各个参数和预先分配内存；判断是否有通信连接303，比如是否有蓝牙的配对连接请求；如果有通信连接303，则将现有的数据或保存到存储单元105的数据发送给手机202或PC机201，直到发送完成305；如果没有通信连接303或数据发送完成305，则采集运动传感器数据306，进行数据处理307，并将相应的数据保存或覆盖308；按照一定的计算停止条件309；如果停止处理309，则关闭系统或处理单元101进入空闲(Idle)状态，否则继续判断通信连接303；具体通信连接303与停止计算309可以由软件或硬件中断来实现。

实施例2：一种运动健康数据监测和安全传输方法，其中监测方法是指处理单元对运动传感器输出信号的工作算法，包括预处理、特征提取、动作识别、步数计算、距离计算、消耗能量计算等6个步骤。

1.预处理

可采用高斯低通滤波、平滑、中值等算法去除输入信号中的尖锐噪声。

2.特征提取

a)时域特征

时域特征主要有加速度信号幅值x(n)的均值m、方差σσ、短时能量E、相关系数corr、信号周期T。

均值m，反映了加速度信号的平均幅度，其计算公式如式(1)：

…………………………………….(1)

其中N为输入信号个数。

方差σ，反映了加速度信号在均值m的上下波动程度，按公式(2)进行计算。

…………………………………….(2)

加速度信号的短时能量E按公式(3)进行计算。

………………………………………….(3)

加速度信号相关系数corr按公式(4)进行计算。

…………………………………(4)

加速度信号周期T通过快速傅立叶变换FFT计算。

b)频域特征

包括FFT的系数。

3.动作识别

使用主要用于多分量高斯分布模型的混合高斯模型(GMM)，其中在训练GMM模型时，可使用最常用的期望-最大化算法来估计模型参数，或者隐马尔科夫算法以获得更精确地参数估计。

4.步数计算

该过程包括小波滤波、腐蚀与膨胀处理、平滑等步骤。其中小波滤波可以采用墨西哥小波，预处理后的信号经过4层墨西哥小波分解后可去除与计算步数无关的高频信号。小波滤波输出的低频信号再利用形态学方法，对其进行腐蚀与膨胀处理，以补偿小波滤波中可能出现的误检现象，提高步数计算算法的稳定性。接下来对经过腐蚀与膨胀处理后的信号进行平滑，计算平滑后信号的过零点个数即为步数。实验结果表明上述步骤对于步伐间隔为2秒以较短的常速或快速运动效果非常好。

5.距离计算

该过程包括拟合、预置估值修正两个步骤。其中拟合算法计算出实时的步幅，按公式(5)的拟合公式计算。

…………………(5)

其中为三轴加速度采样信号经过预处理后的平均方差，为采样信号周期，为输入的个人身高；为需要实验确定的拟合系数。

预置估值修正步骤是为了补偿上一个步骤拟合算法产生的误差，以提高距离计算的准确性，该步骤通过一个关于身高、周期的函数

来设计一个分段修正函数，对拟合算法的误差进行实时修正，其中为需要通过试验数据得到的系数。

拟合和预置估值修正综合使用，极大的提高了计算距离的准确性。

6.消耗能量计算

为了提高计算运动的能量精度，在动作识别步骤之后根据识别出的运动类型计算消耗能量energy。包括拟合、分段修正两个步骤。

其中拟合算法如公式(6)

……………………………………………(6)

这里为需要实验确定的拟合系数，每种动作具有不同的拟合系数。

对每种动作分别拟合可以得到更合理、更准确的计算结果。

分段修正步骤是为了补偿上一个步骤拟合算法产生的误差，以提高消耗能量计算的准确性，该步骤通过函数

来设计一个分段函数对拟合的能量进行修正，其中METS为代谢当量。

下面是上述处理算法的测试结果。

步数计算算法的测试结果。测试征求了15名年龄在20-40之间、身高在1.55-1.80米之间的被测试者在跑步机上分别以不同速度进行走、跑，其中走的速度分别为3.3km/h、4.8km/h、5.7km/h、6.5km/h、7.2km/h、7.8km/h、8.2km/h，跑的速度分别为8km/h、8.6km/h、9.6km/h、11km/h、11.6km/h、12km/h。被测试者将运动监测装置固定在腰间侧面，测试出的误差率不大于2％，其中误差率的计算公式如下：

误差率＝|实际步数-显示步数|/实际步数*100％

动作识别算法的测试结果。测试的被测试者同上。被测试者分别进行“坐”、“走”、“跑”、“上楼梯”、“下楼梯”、“骑车”，以及在跑步机上“走”和“跑”连续动作(跑步机的坡度设为0)，分别记录这些动作被识别为坐、走、跑、上楼梯、下楼梯、骑车、跑步机上走、跑步机上跑等动作的次数。测试结果如下表所示(其中误识率＝没能正确识别的帧数/总帧数)：

		坐	走	跑	上楼	下楼	骑车	跑步机走	跑步机跑	误识率
											坐	320	320	0	0	0	0	0	0	0	0％
走	505	0	474	0	3	7	0	21	0	6.1％
											跑	434	0	0	421	0	2	0	1	10	3.0％

		坐	走	跑	上楼	下楼	骑车	跑步机走	跑步机跑	误识率
											上楼梯	220	0	0	0	209	1	0	10	0	5.0％
下楼梯	143	0	9	1	0	123	0	6	4	13.9％
											骑车	375	0	1	0	0	0	373	1	0	0.53％
跑步机走	1545	0	54	2	44	24	6	1391	24	9.9％
											跑步机跑	2534	0	0	40	0	6	0	4	2484	1.9％

一种运动健康数据监测和安全传输方法，其中安全传输方法指的是运动监测仪和其他设备或服务器之间的安全通信协议。

协议参与方包括用户User，运动监测仪Monitor，服务接入设备AP，服务器Srv.其中服务接入设备AP指手机、PC机、PDA等为应用服务提供无线网络接入的设备；服务器Srv包括提供认证服务的AuthSrv，和提供应用服务的AppSrv。这里应用服务器包括提供运动数据长期存储、分析等服务的服务器。

(一)运动监测仪和AP设备之间的安全通信

参见图4，首先需要运动监测仪的使用者User通过手机、PC机、PDA等AP设备在认证服务器AuthSrv注册，注册成功的结果是用户和认证服务器共享一个密钥user_key。系统为每个运动监测仪生成一个密钥Monitor_key，保存在Monitor装置和Monitor密钥数据库中。根据安全需求，Monitor_key可以是每个装置不一样，也可以是每批装置不一样，也可以所有装置都一样。

按照认证请求发起者的不同，可以有两种方式进行，一种是运动监测仪发起的，一种是AP设备发起的。

1.AP和Monitor的互相认证(Monitor发起认证请求)

下面举例说明具体实施方式，参见图4：

1)Monitor装置和AP建立通信信道后，发送消息Monitor-AP-1给AP，Monitor-AP-1的格式如下：

Monitor-AP-1＝Monitor_ID，Enc_Monitor_key(tmpkey，Monitor_time，Monitor_ID，ch).

其中Monitor_ID是Monitor装置的识别号，ch是Monitor随机生成的一个随机数，tmpkey是Monitor生成的随机密钥。

2)AP由于没有Monitor装置的密钥Monitor_key，不能解密，生成消息AP-MonitorSrv-1给Monitor认证服务器，AP-MonitorSrv-1的格式如下：

AP-MonitorSrv-1＝Monitor-AP-1。

3)Monitor认证服务器首先对AP进行认证，认证成功后和AP共享一个密钥session_key.Monitor认证服务器在Monitor密钥数据库中查询对应Monitor_ID的密钥Monitor_key，对Monitor-AP-1解密，验证解密数据后，获得tmpkey，生成消息AP-MonitorSrv-2返回给AP，AP-MonitorSrv-2的格式如下：

AP-MonitorSrv-2＝Enc_session_key(tmpkey，ch).

如果Monitor密钥数据库查询不到对应Monitor_ID的密钥Monitor_key，则返回相应的信息给AP。

4)AP收到AP-MonitorSrv-2后，认为Monitor已经被认证。AP解密出tmpkey，生成消息Monitor-AP-2发送给Monitor，Monitor-AP-2的格式如下：

Monitor-AP-2＝Enc_tmpkey(AP_time，Monitor_ID，ch).

5)Monitor装置收到Monitor-AP-2后，解密后验证数据，如果数据正确，就认为AP已被认证.

6)至此，Monitor和AP之间完成了相互认证过程，并且它们之间共享了一个会话密钥tmpkey，它们之间的通信可以利用这个tmpkey提供完整性、保密性、不可否认性等安全保护。

2.AP和Monitor的互相认证(AP发起认证请求)

下面举例说明具体实施方式，参见图5：

1)AP登录Monitor认证服务器，被Monitor认证服务器认证后，双方共享一个密钥session_key.认证协议可以按照如(二)所述方法，此时Monitor认证服务器作为一个在AuthSrv注册的应用服务器AppSrv.Monitor认证服务器如果在AuthSrv上，共享的密钥可以是用户密钥User_key.

2)AP与Monitor装置建立通信信道后，生成临时密钥tmpkey，计算一个随机数ch作随机挑战，发送认证请求AP-MonitorSrv-1到Monitor认证服务器，AP-MonitorSrv-1的格式如下：

AP-MonitorSrv-1＝Enc_{session_key}(Monitor_ID，tmpkey，AP_time，ch)

3)Monitor认证服务器收到AP-MonitorSrv-1后，解密数据并验证通过后，在控制管理的Monitor密钥数据库中查询Monitor_ID的密钥。如果查询失败，返回相应信息给AP；否则，组成消息AP-MonitorSrv-2返回给AP，AP-MonitorSrv-2的格式如下：

AP-MonitorSrv-2＝Enc_{session_key}(Ticket，ch)

其中Ticket＝Enc_{Monitor_key}(Monitor_ID，tmpkey，ch，MonitorSrv_time).

4)AP收到AP-MonitorSrv-2后，解密数据得到Ticket，ch。如果得到的ch和之前发出的ch相同，生成消息AP-Monitor-1发送给Monitor.

AP-Monitor-1＝Ticket

5)Monitor收到AP-Monitor-1后，解密并验证数据。如果验证通过，完成对AP的认证，进而生成消息AP-Monitor-2给AP.

AP-Monitor-2＝Enc_{tmpkey}(ch)；

6)AP收到AP-Monitor-2后并解密得到正确的ch后，完成对Monitor的认证。

7)至此，Monitor和AP之间完成了相互认证过程，并且它们之间共享了一个会话密钥tmpkey，它们之间的通信可以利用这个tmpkey提供完整性、保密性、不可否认性等安全保护。

(二)AP设备和远程服务器之间的安全通信

参见图6，本发明提供的协议主要包含下列三个过程：注册过程、AP从AuthSrv获得Ticket、AP利用Ticket访问AppSrv。

下面举例说明具体实施方式：

1.注册过程

1)用户在AuthSrv注册自己的用户名，设置口令，被分配有系统唯一的PID.AuthSrv保存和用户共享的密钥User_key.

2)应用服务器AppSrv也在AuthSrv注册自己的服务Service，和AuthSrv共享一个密钥Srv_key.

2.AP从AuthSrv获得Ticket

1)用户从AP登录时提供用户名，PID，口令，和要使用的应用服务Service，AP根据用户名，PID和口令生成用户密钥User_key，生成随机数Nonce，并组合成消息AP-AuthSrv-1发送至AuthSrv，AP-AuthSrv-1的格式如下：

AP-AuthSrv-1＝PID，Service，Nonce，AP_time，Hmac_{User_Key}(PID，Service，AP_time)

2)AuthSrv接收到AP-AuthSrv-1，解密加密的部分，验证数据包是否正确。验证项包括PID是否存在，ServiceName是否已经注册，数据中的认证码和自行计算的认证码是否一致等，如果验证通过，发送AP-AuthSrv-2消息给AP，AP-AuthSrv-2的格式如下。AP-AuthSrv-2＝Ticket，Enc_{User_Key}(Service，session_key，valiMonitorime，Nonce，Hmac_{User_Key}(Ticket)).

其中Ticket＝Enc_{Srv_Key}(PID，Service，sesson_key，valiMonitorime).

3)AP收到AP-AuthSrv-2后，解密相关的数据，并验证数据是否正确，包括验证解密出的认证码是否和自行计算的认证码一致等.如果验证通过，在本地保存Ticket和相关数据(包括session_key).

3.AP利用Ticket访问AppSrv

1)用户从AP登录时提供用户名，PID，口令，和要使用的应用服务Service，AP根据用户名，PID，应用服务，和当前时间等查询相应的Ticket是否已经存储在本地，如果没有，回到步骤2，从AuthSrv获得Ticket。

2)AP查询到相应的Ticket后，发送AP-AppSrv-1消息到AppSrv，其中AP-AppSrv-1的格式如下。AP-AppSrv-1＝(PID，Client_time)，Ticket，Hmac_{session_key}(PID，client_time).

3)AppSrv收到AP-AppSrv-1后，解密相关数据，获得session_key，验证收到数据的完整性。如果数据是完整的，重新生成一个随机密钥new_session_key，合成AP-AppSrv-2消息返回给AP，AP-AppSrv-2的格式如下：

AP-AppSrv-2＝PID，Enc_{session_key}(client_time，new_session_key，valiMonitorime)。

4)AP收到AP-AppSrv-2后，验证数据是否正确，并解密出该次会话将要使用的密钥new_session_key。

5)AP和AppSrv互相认证结束，彼此共享会话密钥new_session_key，接下来AP和AppSrv的通信就可以利用这个new_session_key提供完整性、保密性、不可否认性等安全保护。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种运动监测仪，包括外壳，处理单元，运动传感器、通信单元和为各部件供电的电源单元，其特征在于：处理单元分别连接运动传感器、通信单元和电源单元。

2.根据权利要求1所述的运动监测仪，其特征在于：所述处理单元至少为一个，负责对运动传感器采集的数据进行处理，控制通信流程。

3.根据权利要求1所述的运动监测仪，其特征在于：所述运动传感器，为三维加速传感器或二维加速传感器，用于采集与身体活动有关的运动数据。

4.根据权利要求1所述的运动监测仪，其特征在于：所述通信单元，可以为有线通信单元、无线通信单元、远程通信单元其中之一或几个的组合，为该装置提供数据传输功能，其中远程通信单元，是指支持2G或2.5G或3G或4G的通信模块。

5.根据权利要求1至4所述的任一运动监测仪，其特征在于：所述运动监测仪还包括位置传感器，记录使用者运动时的位置，形成运动轨迹，以提高对运动的监测水平。

6.根据权利要求5所述的运动监测仪，其特征在于：通信单元与手机或PC机建立通信的模式有两种：在线模式和离线模式，其中，在线模式是按照一定的间隔，将处理后的数据实时发给手机或PC机；离线模式是将处理后的数据保存到存储单元或外置存储单元中，由用户一次或多次将数据发送给手机或PC机。

7.根据权利要求6所述的运动监测仪，其特征在于：所述运动监测仪还包括时钟模块，用于为整个系统以及系统所采集的数据提供实时时钟，并与手机或PC机进行时间同步。

8.根据权利要求7所述的运动监测仪，其特征在于：该运动监测仪还可包括存储单元，存储单元与处理单元通过数据总线，地址总线和片选线进行电连接，存储运动、位置传感器采集的有关数据以及其他需要存储的数据。

9.根据权利要求8所述的运动监测仪，其特征在于：该运动监测仪还可包括一个显示单元，位于外壳表面，用于显示数据、图表，还可为使用者提供状态指示及操作接口。

10.一种运动健康数据的监测和安全传输方法，其特征在于：所述运动健康数据的监测和安全传输方法包括以下步骤：

步骤1：处理单元的数据计算；

步骤2：处理单元对数据计算后可输出到用户的手机、PDA或PC机上，并安全传输到远程服务器上。

11.根据权利要求10所述的一种运动健康数据的监测和安全传输方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

step1：预处理

预处理步骤是为了去除输入信号中包含的尖锐噪声，可采用高斯低通滤波、平滑、中值等算法；

step 2：特征提取

提取的特征包括时域和频域特征。其中时域特征主要有加速度信号幅值x(n)的均值m、方差σ、短时能量E、相关系数corr、信号周期T；频域特征主要包括预处理后的信号的快速傅立叶变换FFT的系数；

step 3：动作识别

为了更好的识别静止、走、跑及未知动作的强度，使用了主要用于多分量高斯分布模型的混合高斯模型(GMM)，其中在训练GMM模型时，可使用最常用的期望-最大化算法来估计模型参数，或者隐马尔科夫算法以获得更精确地参数估计；

step 4：步数计算

该过程包括小波滤波、腐蚀与膨胀处理、平滑等步骤。其中小波滤波可以采用墨西哥小波，预处理后的信号经过4层墨西哥小波分解后可去除与计算步数无关的高频信号；小波滤波输出的低频信号再利用形态学方法，对其进行腐蚀与膨胀处理，以补偿小波滤波中可能出现的误检现象，提高步数计算算法的稳定性；接下来对经过腐蚀与膨胀处理后的信号进行平滑，计算平滑后信号的过零点个数即为步数；

step 5：距离计算

该过程采用综合算法，包括拟合、预置估值修正等步骤。首先根据输入数据确定用于实时计算步幅的拟合公式的系数，得到步幅初始值后，再通过预置估值修正减少拟合算法产生的误差，以提高距离计算的准确性；

step 6：消耗能量计算

为了提高计算运动的能量精度，在动作识别步骤之后根据识别出的运动类型计算消耗能量。该过程也采用综合算法，包括拟合、分段修正两个步骤。

12.根据权利要求10所述的一种运动健康数据的监测和安全传输方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤(1)：运动监测仪的通信单元与网络终端设备之间在开始传输个人数据前，需相互认证，认证协议的结果是一个双方共享的密钥，认证后数据传输的保密性、完整性、不可否认性等可利用该密钥得到保障；

步骤(2)：网络终端设备与远程服务器之间在开始传输个人数据前，需相互认证，认证协议的结果是一个双方共享的密钥，认证后数据传输的保密性、完整性、不可否认性等可利用该密钥得到保障。

Images