CN103876721A - 基于穿戴式传感器的健康管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于穿戴式传感器的健康管理系统，包括用户、智能手机、智能终端、穿戴器和中央服务器。穿戴器包括有检测传感器、外设接口和按摩振子。智能终端上设有一套计算公式；用户至少有一个，用户与用户之间可通过智能手机进行数据信息交流；并且可相互监测他人的身体健康状况。优点：本发明使用方便并同时具有监测、分析和康复保健的功能，而且能通过本装置与其他使用者进行交流；利用本发明设计的计算公式开发出最新的运动计算系统，解决现有技术在复杂运算中计算能力不足的缺陷。

Description

基于穿戴式传感器的健康管理系统

技术领域

本发明涉及医疗保健领域，特别是指人体腰颈椎的负载以及疲劳定量化的实时测量系统和保健激振系统。

背景技术

人体的血液循环可以帮助我们体内大部分的器官实现新成代谢。与这种主动新成代谢方式不同，人体的腰颈椎软骨组织的新陈代谢依赖于椎间盘的被动活动，然后代谢下来的组织通过体液排出体外。随人体的代谢功能的整体老化的发展，腰颈椎间盘的代谢放慢或者出现障碍，椎间盘钙化将直接导致一系列的疼痛，严重的会造成运动和行走功能的丧失。随着生活节奏的加快，以及电子信息产品（智能手机和移动平板电脑等）引起的人们工作和娱乐方式的改变，我们的研究发现腰颈椎疾病已经开始年轻化，甚至危及我们青少年。现有的技术和产品主要体现在独立的两大类：日常活动量监测产品和腰颈椎的理疗、牵引及按摩等产品。其中运动量监测产品主要表现形式是计步器、智能手机和智能手环或手表等，它们的功能主要是监测和运动数据采集，不能主动按摩或者保健。同时，现在传统的按摩保健产品在智能监测和智能化上没有太多创新的信息技术的融入，而且很少将智能手机或者穿戴传感器应用到这类产品和服务中，例如日本松下和欧姆龙的保健医疗器械产品。

随着传感器和通讯技术的发展，小型或者微型的运动传感器和力传感器正开始在人体运动分析和日常健康监测领域中大量使用。各式各样的轻便小型的穿戴式传感器正被应用于人体运动姿态和睡眠的分析中。但是迄今为止，尚未有基于穿戴式传感器的腰颈椎疲劳的定量分析技术的报道，同时将小型穿戴式传感器和驱动器相结合，开发出腰颈椎健康管理相关的产品的报道也尚未发现。基于现有技术的产品受到电池工作时间限制，像现在的智能手机一样需要经常连线充电，存在便利性的问题。现有穿戴传感器产品因无法进行复杂的运算，不能反应人运动时的运动数据、人体肢体的运动幅度以及人体健康数据。另外现有穿戴产品的功能都集中在监测和分析上，都不能直接提供实时康复保健功能；也不能通过产品与其他使用者交流、分析检测的信息数据。

发明内容

本发明提出了基于穿戴式传感器的健康管理系统，解决了现有技术中不能同时具有监测、分析和康复保健的功能，不能与其他使用者交流、分析检测的信息数据；产品充电不便以及产品在复杂运算中的功能不足的缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：基于穿戴式传感器的健康管理系统，包括用户、智能手机、智能终端、穿戴器和中央服务器，

穿戴器包括有检测传感器、外设接口和按摩振子；智能终端包括有微处理器、运动处理传感器、触摸按键模块、外设接口、电源管理模块、充电电池、蓝牙模块、LCD显示模块；智能终端的外设接口可连接穿戴器的外设接口；

智能手机将指令发送给智能终端，智能终端接收指令后控制穿戴器工作；微处理器读取并处理由运动处理传感器采集人体的运动数据；微处理器将相应的数据结果通过LCD显示模块显示并同时将数据通过蓝牙模块发送到智能手机；智能手机将接受到数据发送至中央服务器；中央服务器可将数据通过智能手机发送到智能终端上；

电源管理模块把充电电池转换成稳定的恒压电源提供给其它模块；触摸按键模块供用户对智能终端进行简单的操作。

进一步优选，所述用户至少有一个，每个用户的智能手机会分配一个ID；通过网络，用户根据ID可以去监测其他用户的运动信息数据并且可将信息数据显示在自己的智能终端上或通过智能手机发送到其他用户的智能终端上。

进一步优选，还包括有无线充电发射板，该无线充电发射板给智能终端进行无线充电。

进一步优选，所述智能终端与所述智能手机可蓝牙通信并可将智能手机收到的信息显示到LCD显示模块上。

进一步优选，所述穿戴器包括有智能表带、智能颈带、智能腰带和指环。

进一步优选，所述智能表带包括有表带，所述的检测传感器和外设接口分别安装在表带上。

进一步优选，所述智能颈带包括有颈带，所述的外设接口和按摩振子分别安装在颈带上。

进一步优选，所述运动处理传感器是九轴运动处理传感器。

进一步优选，所述的检测传感器包括有脉搏检测传感器、温度检测传感器。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果如下：

本发明将智能终端和穿戴器结合，它可以智能检测用户运动量并计算用户的定时能量消耗，根据数据统计结果提醒用户关注自身和家人的健康；针对一般日常生活的保健信息采集，也可以用在户外运动爱好者的运动和生理信息采集。1、检测提醒（用户长时间姿势不动则振动提醒）；2、振动按摩功能（有几十种按摩方式对颈椎的穴位进行按摩，降低用户的疲劳）；用户可以通过智能手机以及中央服务器将自己的运动数据分享给其他用户或者也可以通过智能手机以及中央服务器监测其他用户的运动状况，发现运动量不足时，可发生信息提醒。利用本发明设计的计算公式开发出最新的运动计算系统，解决现有技术在复杂运算中计算能力不足的缺陷；可以实时监测人的肢体运动幅度、运动数据以及身体健康状况。

本发明采用无线充电，给用户在使用产品时带来了方便。本产品使用方便、功能多而实用，值得大力推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的示意图；

图2为本发明智能终端的示意图；

图3为本发明智能表带的结构示意图；

图4为本发明智能颈带的示意图；

图5为本发明智能颈带无线充电的示意图；

图6为本发明智能终端的软件流程示意图。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示。基于穿戴式传感器的健康管理系统，包括用户1、智能手机3、智能终端2、穿戴器5和中央服务器4。穿戴器5包括有检测传感器、外设接口和按摩振子。智能终端2包括有微处理器21、运动处理传感器23、触摸按键模块24、外设接口25、电源管理模块26、充电电池28、蓝牙模块27、LCD显示模块22；智能终端2的外设接口25可连接穿戴器5的外设接口。

智能手机3将指令发送给智能终端2，智能终端2接收指令后控制穿戴器5工作；微处理器21读取并处理由运动处理传感器23采集人体的运动数据；微处理器21将相应的数据结果通过LCD显示模块22显示并同时将数据通过蓝牙模块27发送到智能手机3；智能手机3将接受到数据发送至中央服务器4；中央服务器4可将数据通过智能手机3发送到智能终端2上。

电源管理模块26把充电电池28转换成稳定的恒压电源提供给其它模块；触摸按键模块24供用户1对智能终端2进行简单的操作。运动处理传感器23是九轴运动处理传感器。

其中，穿戴器5包括有智能表带51、智能颈带52、智能腰带和指环。智能表带51包括有表带，检测传感器和外设接口分别安装在表带上。包括有脉搏检测传感器、温度检测传感器；外设接口接通电源后，脉搏检测传感器可以检测脉搏跳动的信号并通过外设接口把信号传递给智能终端。智能颈带52包括有颈带，外设接口和按摩振子分别安装在颈带上。外设接口与智能终端2接通，然后智能终端2控制按摩端子的振动，从而实现按摩的功能。

图6所示为智能终端2的软件流程示意图，

智能终端2上电后，内部微处理器会以固定的频率去读取九轴运动处理传感器的数据，经过姿态融合Kalman算法，更新四维数q0,q1,q2,和q3，最终利用如下公式（1）-（8）得到一组三维的姿态角度。这样在运动过程中，可以实时监测手臂摆动的幅度等。

$R=\left[\begin{array}{ccc}{q}_0^2+q_1^2-q_2^2-q_3^2& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)\\ 2(q_0{q}_3+q_1{q}_2)& q_0^2-q_1^2+q_2^2-q_3^2& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_0{q}_2+q_2{q}_3)& q_0^2-q_1^2-q_2^2+q_3^2\end{array}\right]---\left(I\right)$

q0=sqrt(1+R(1,1)+R(2,2)+R(3,3))/2                       (2)

q1=sign(R(3,2)-R(2,3))*sqrt(1+R(1,1)-R(2,2)-R(3,3))/2  (3)

q2=sign(R(1,3)-R(3,1))*sqrt(1-R(1,1)+R(2,2)-R(3,3))/2  (4)

q3=sign(R(2,1)-R(1,2))*sqrt(1-R(1,1)-R(2,2)+R(3,3))/2  (5)

A_yaw=-atan2(2*q[1]*q[2]+2*q[0]*q[3],-2*q[2]*q[2]-2*q[3]*q[3]+1)*180/M_PI

(6)

A_pitch=-asin(-2*q[1]*q[3]+2*q[0]*q[2])*180/M_PI       (7)

A_roll=atan2(2*q[2]*q[3]+2*q[0]*q[1],-2*q[1]*q[1]-2*q[2]*q[2]+1)*180/M_PI

                                                       (8)

其中，R代表通过惯性传感器测量信号融合算法获得的姿态更新矩阵；q0、q1、q2和q3分别代表三维姿态的四维数向量的四个分量，A_yaw、A_pitch和A_roll分别代表通过四维数快速运算获得的三轴旋转姿态角。该系统将快速运算获得的姿态角数据和四维数向量组合作为贝叶斯分类的特征向量输入，进行用户运动状态的分类识别，实现高效和高速的数据挖掘算法。

本发明可以提供两种模式：第一种是将智能终端2与智能表带1组合，构成智能腕表（如图3所示）；第二种是将智能终端2与智能颈带3组合，构成智能颈宝（如图4所示）。此外，为解决整个系统的总能量的补充问题，本发明采用了一个通用的无线充电发射板给智能终端2进行无线充电；如图5所示，无线充电发射板在给智能颈宝进行无线充电。

在第一种模式下，用户将智能腕表佩戴在手上，可以通过智能终端2的显示屏来看时间日期以及运动过程中行走的步数。在第二种模式下，智能颈宝戴在颈部用来监测用户颈部运动情况，当长时间未活动时，智能终端2会发出震动来提示用户活动一下颈部。同时还带有几种按摩模式，用户可以通过自己的喜好选择不同的模式为颈部按摩。之后可以根据需要将数据发送到智能手机上。

智能手机3可以通过发送不同的命令来控制智能终端2的运行流程；也可以连接智能终端终端2和中央服务器，使其能够通信；可以通过智能手机3观察到佩戴智能终端2部位的三维运动情况。

由于终端终端2的微处理器21存储空间有限，微处理器21采集到的九轴运动处理传感器23里的数据以及一些其他需要的数据通过蓝牙发送至智能手机3中；智能手机3作为一个中转站，再将这些数据发送至中央服务器4。在中央服务器4中，可以对这些数据进行计算，得到所需要的一些物理量，比如一个人在一段时间的运动量，消耗的卡路里，睡眠时间等等，并将这些数据都存储在中央服务器4中。

借助于中央服务器4和网络以及蓝牙通信，可以在用户需要的时候，把保存在中央服务器4中的数据通过智能手机3发送至智能终端2上，并且在屏幕上显示收到的数据。

智能手机3可以为每个用户分配一个ID。用户根据此ID可以去监测别人的运动状况，并且可以将他人的数据显示在自己的智能终端2上。通过局域网，可以用自己的智能手机3发送信息到别人的智能终端2，从而达到人与人之间交流的目的。

智能终端2和智能手机3可以通过蓝牙通信。当智能手机3有电话打进来的时候，智能终端2充当蓝牙耳机的作用，使用户方便接听电话。智能终端2也可以将智能手机3收到的短信息显示在屏幕上。

智能终端2和中央服务器4的通信过程是可逆的。日常运动的数据会由智能终端2通过蓝牙定时的发送至智能手机，智能手机3再对接收到的数据经行打包处理后上传至中央服务器4，在中央服务器4中计算一些日常运动量，睡眠时间等等。当用户想要了解自己在某一段时间的运动量的时候，智能手机3会从中央服务器4中把相应的数据下载下来，发送至智能终端2。

本发明中智能脖带所用到的脖带也可以用衣服或者腰带代替；智能腕表所用到表带可以用戒指、指环或手镯所代替。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于穿戴式传感器的健康管理系统，包括用户、智能手机、智能终端、穿戴器和中央服务器，其特征在于，所述智能终端设有一套计算公式：

$R=\left[\begin{array}{ccc}{q}_0^2+q_1^2-q_2^2-q_3^2& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)\\ 2(q_0{q}_3+q_1{q}_2)& q_0^2-q_1^2+q_2^2-q_3^2& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_0{q}_2+q_2{q}_3)& q_0^2-q_1^2-q_2^2+q_3^2\end{array}\right]---\left(I\right)$

q0=sqrt(1+R(1,1)+R(2,2)+R(3,3))/2                      (2)

q1=sign(R(3,2)-R(2,3))*sqrt(1+R(1,1)-R(2,2)-R(3,3))/2  (3)

q2=sign(R(1,3)-R(3,1))*sqrt(1-R(1,1)+R(2,2)-R(3,3))/2  (4)

q3=sign(R(2,1)-R(1,2))*sqrt(1-R(1,1)-R(2,2)+R(3,3))/2  (5)

A_yaw=-atan2(2*q[1]*q[2]+2*q[0]*q[3],-2*q[2]*q[2]-2*q[3]*q[3]+1)*180/M_PI

(6)

A_pitch=-asin(-2*q[1]*q[3]+2*q[0]*q[2])*180/M_PI       (7)

A_roll=atan2(2*q[2]*q[3]+2*q[0]*q[1],-2*q[1]*q[1]-2*q[2]*q[2]+1)*180/M_PI

                                                       (8)

其中，R代表通过惯性传感器测量信号融合算法获得的姿态更新矩阵；q0，q1，q2和q3分别代表三维姿态的四维数向量的四个分量；A_yaw、A_pitch和A_roll分别代表通过四维数快速运算获得的三轴旋转姿态角。

所述用户至少有一个，用户与用户之间可通过智能手机进行数据信息交流；并且可相互监测他人的身体健康状况。

2.根据权利要求1所述的基于穿戴式传感器的健康管理系统，其特征在于，每个用户的智能手机会分配一个ID；通过网络，用户根据ID可以去监测其他用户的运动信息数据并且可将信息数据显示在自己的智能终端上或通过智能手机发送到其他用户的智能终端上。

3.根据权利要求1所述的基于穿戴式传感的健康管理系统，其特征在于，所述穿戴器包括有检测传感器和按摩振子；智能终端包括有微处理器、运动处理传感器、触摸按键模块、电源管理模块、充电电池、蓝牙模块、LCD显示模块；所述智能终端与所述穿戴器电信连接；

所述智能手机可通过智能终端控制穿戴器工作；所述微处理器读取并处理由运动处理传感器收集到的数据信息并将相应的数据结果通过LCD显示模块显示，同时将数据信息通过蓝牙模块传输到智能手机上；所述智能手机将接受到数据发送至中央服务器；中央服务器可将数据通过智能手机发送到智能终端上；

所述电源管理模块将充电电池转换成稳定的恒压电源；触摸按键模块供用户对智能终端进行简单的操作。

4.根据权利要求1所述的基于穿戴式传感器的健康管理系统，其特征在于，还包括有无线充电发射板，该无线充电发射板给智能终端进行无线充电。

5.根据权利要求3所述的基于穿戴式传感器的健康管理系统，其特征在于，所述智能终端与所述智能手机可蓝牙通信并可将智能手机收到的信息显示到LCD显示模块上。

6.根据权利要求1或3所述的基于穿戴式传感器的健康管理系统，其特征在于，所述穿戴器包括有智能表带、智能颈带、智能腰带和指环。

7.根据权利要求6所述的基于穿戴式传感器的健康管理系统，其特征在于，所述智能表带包括有表带，所述的检测传感器和外设接口分别安装在表带上。

8.根据权利要求7所述的基于穿戴式传感器的健康管理系统，其特征在于，所述智能颈带包括有颈带，所述的外设接口和按摩振子分别安装在颈带上。

9.根据权利要求3所述的基于穿戴式传感器的健康管理系统，其特征在于，所述运动处理传感器是九轴运动处理传感器。

10.根据权利要求3或9所述的基于穿戴式传感器的健康管理系统，其特征在于，所述的检测传感器包括有脉搏检测传感器、温度检测传感器。

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