CN104043240B - 一种智能运动手镯 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能运动手镯，包括：仪表盘和连接到仪表盘两端的拼接而成的链带，所述链带包括多个拼接段，每个拼接段的一端设有卡槽，另一端设置卡齿，卡槽内设置第一电连接器，卡齿上设置有与所述第一电连接器适配使用的第二电连接器；所述仪表盘包括：显示屏，显示状态统计数据；运动检测模块，检测三维加速度和相对转角；蓝牙模块，连接到所述运动检测模块和智能手持终端，所述智能手持终端还连接到数据中心服务器。本发明的智能运动手镯，能够实现多种运动模式自动识别、切换，数据统计精度高；而且，通过拼接的方式，用户可以根据自身需求选择设备的功能段。

Description

一种智能运动手镯

技术领域

本发明涉及电子领域，特别涉及一种运动手镯。

背景技术

随着人们工作、生活节奏的加快，如何充分利用时间，对自己身体的运动状况进行监控，及时准确的了解运动数据，是人们越来越关注的问题。

手环或者手镯可以方便的带着手腕上，不会对用户的工作和生活带来不便，因此，可以通过佩戴腕式仪表的方式监控运动数据。现有的运动手环主要是通过计歩器对用户的行走或者跑步距离进行累加，然后换算成运动消耗值，这种通过简单换算方式得出的数据很难准确反映用户运动量的大小。

如何提供一种精确统计用户运动量、并将运动数据便捷显示给用户的运动监控装置，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种智能运动手镯，解决了现有运动佩戴装备数据统计不精确的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种智能运动手镯，包括：仪表盘和连接到仪表盘两端的拼接而成的链带，所述链带包括多个拼接段，每个拼接段的一端设有卡槽，另一端设置卡齿，卡槽内设置第一电连接器，卡齿上设置有与所述第一电连接器适配使用的第二电连接器，相邻拼接段的卡槽和卡齿相互咬合，链带整体和仪表盘构成闭合导电回路；所述拼接段包括功能段和连接段，功能段中设置功能模块，所述连接段的第一电连接器和第二电连接器通过导线直接连接；

所述仪表盘包括：显示屏，显示状态统计数据；运动检测模块，检测三维加速度和相对转角；蓝牙模块，连接到所述运动检测模块和智能手持终端，所述智能手持终端还连接到数据中心服务器；

所述运动检测模块包括三轴重力加速度传感器、陀螺仪和DSP处理器，DSP处理器包括积分器和滤波及优化模块；所述三轴重力加速度传感器输出X、Y、Z轴加速度数据信息，陀螺仪输出人体转角的角速率信息，DSP处理器的积分器将陀螺仪输出的角速率信息积分得到人体的相对转角；

所述滤波及优化模块包括第一子滤波器、第二子滤波器、第三子滤波器和主滤波器，第一子滤波器处理X轴加速度数据信息，并给出状态估计x1和估计误差的协方差矩阵p1；第二子滤波器处理Y轴加速度数据信息，给出状态估计x2和估计误差的协方差矩阵p2；第三子滤波器处理Z轴加速度数据信息，给出状态估计x3和估计误差的协方差矩阵p3；所述状态估计x1，x2，x3及估计误差的协方差矩阵p1，p2，p3送到主滤波器，并同主滤波器的状态估计一起按式(1)和式(2)进行融合，得到全局最优估计和协方差矩阵：

${\hat{x}}_g=p_g\left(\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{p}_i^{-1}{\hat{x}}_i\right)---\left(1\right)$

$p_g=\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{p}_i^{-1}---\left(2\right)$

式中，i＝1，2，3；

主滤波器的最优估计值对3个子滤波器的状态估计进行重置，即

${\hat{x}}_i={\hat{x}}_g---\left(3\right)$

$p_i={\mathrm{\β}}_i^{-1}{p}_g---\left(4\right)$

以重力垂直向下方位即Y轴作为分析基准量，自动调整p值的大小，具体的自适应算法为：

β₁,β₂,β₃满足β₁+β₂+β₃＝1(5)

${\mathrm{\&beta;}}_1=\left\{\begin{array}{c}0.99,p<2\\ 2/p,2\&le;p<5\\ 1/p,5\&le;p<10\\ 1/2p,p\&GreaterEqual;10\end{array}\right.---\left(6\right)$

β₂＝β₃＝(1-β₁)/2(7)

所述DSP处理器根据全局最优估计和协方差矩阵输出运动模式及运动统计，根据陀螺仪输出人体转角的角速率信息积分得到人体的相对转角，通过蓝牙模块上传到智能手持终端，并通过所述显示屏显示；

所述蓝牙模块以固定时间间隔广播握手信号，向周围蓝牙设备发送在线报文，并接收周围蓝牙设备因响应所述握手信号而发送的身份信号，所述身份信号包括设备身份ID、物理地址、RSSI值和特征值，将周围蓝牙设备添加至白名单，同时将自己的身份信号发送到周围蓝牙设备，周围蓝牙设备接收到身份信号并加入白名单，发送链接请求，蓝牙模块同意链接，完成蓝牙互连。

可选地，所述功能段包括心率计，心率计通过连接段与所述蓝牙模块相连接，蓝牙模块将心率数据传输到智能手持终端。

可选地，所述心率计包括设置在所述功能段外壳下表面的绿光二极管、接收反射光的感光器件和对感光元件输出的电信号的频率进行检测的控制器。

可选地，所述功能段还包括为系统供电的电池。

可选地，所述电池的数量为多个，每个功能段包括一块电池，每个电池功能段之间串联连接；

所述功能段还包括电力变换模块，所述电力变换模块的输入电压为宽范围电压，输出电压恒定。

可选地，所述电力变换模块包括：

变压器，包括原边绕组和副边绕组，原边绕组包括第一端和第二端，副边绕组包括第一端和第二端，原边绕组第一端连接到第一电连接器和输入电容器，副边绕组第二端连接到副边地电位，原边绕组第一端和副边绕组第二端为同名端；

第一开关管，其源极连接到变压器原边绕组第二端，其漏极连接到原边地电位，其栅极连接到第一开关驱动器；

第一开关驱动器，包括第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管为NPN晶体管，第二晶体管为PNP晶体管，第一晶体管和第二晶体管的基极连接在一起作为控制端，第一晶体管和第二晶体管的发射极连接在一起作为输出端，第一晶体管的集电极连接到所述输入电容器，第二晶体管的集电极连接到原边地电位；

第一频率发生电路，包括第一锁相环，其连接至晶振；第一低通滤波器，连接至第一锁相环的输出端；第一压控振荡器，连接至第一低通滤波器输出端，其输出端连接至第一放大器，第一放大器的输出端连接到所述第一开关驱动器的控制端；

第一二极管，其阳极连接到变压器副边绕组第一端，其阴极连接到输出滤波器；

输出滤波器包括第一电感器和第一电容器，第一电感器连接到所述第一二极管的阴极，第一电感器与第一电容器的公共端连接至第二电连接器，第一电容器的另一端连接至副边地电位。

本发明的有益效果是：

(1)能够实现多种运动模式自动识别、切换，数据统计精度高；

(2)通过拼接的方式，用户可以根据自身需求选择设备的功能段，一方面避免不必要的资源浪费，另一方面，能够提高设备的灵活性；

(3)外置的电池结构，能够进一步提高设备的防水性能，电池更换方便。

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为本发明运动手镯的整体结构示意图；

图2为本发明运动手镯的电路控制框图；

图3为本发明运动手镯的滤波及优化模块的原理图；

图4为本发明运动手镯的蓝牙模块的链接原理图；

图5为本发明运动手镯的一个实施例的电力变换模块的电路图。

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做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。

现有的运动监控装置中，主要是通过计步器对运动量进行原始统计，然后进行简单的换算，运动数据统计不精确。本发明提出的智能运动手镯随人体运动时，会在运动方向产生加速度，通过三轴重力加速度传感器对运动方向的加速度值进行检测，同时辅助陀螺仪对运动方位进行检测，在确定运动速度与方向的情况下，即可获得其运动幅度、方向、速率的采集，进而可以判断其运动模式。

如图1所示，本发明的一种智能运动手镯，包括：仪表盘1000和连接到仪表盘两端的拼接而成的链带2000，所述链带2000包括多个拼接段2100，每个拼接段的一端设有卡槽，另一端设置卡齿，卡槽内设置第一电连接器，卡齿上设置有与所述第一电连接器适配使用的第二电连接器，相邻拼接段的卡槽和卡齿相互咬合，链带整体和仪表盘构成闭合导电回路，实现电能的传输，同时实现信号的传递；所述拼接段包括功能段和连接段，功能段中设置功能模块，每个功能模块实现对人体不同指标的检测，例如，功能段可以包括心率计，对用户心率进行检测，所述连接段的第一电连接器和第二电连接器通过导线直接连接，实现电能传输和信号传递的功能，并不包含检测的功能。上述功能段和连接段的导线可以有两种，一种是功率线，另一种是信号线，采用功率和信号独立传输的方式，或者，导线也可以是一种，采用功率和信号复用传输的方式，在功率电压上叠加信号电压，然后对信号电压进行提取分离。

如图2所示，所述仪表盘1000包括：运动检测模块100，检测三维加速度和相对转角；蓝牙模块200，连接到所述运动检测模块100和智能手持终端300，所述智能手持终端300还连接到数据中心服务器400；仪表盘还包括显示屏，显示状态统计数据，还可以显示电量、时间、连接状态、运动模式等信息。

上述运动检测模块100包括三轴重力加速度传感器110、陀螺仪120和DSP处理器130，DSP处理器130包括积分器132和滤波及优化模块131；所述三轴重力加速度传感器110输出X、Y、Z轴加速度数据信息，陀螺仪120输出人体转角的角速率信息，DSP处理器130的积分器132将陀螺仪输出的角速率信息积分得到人体的相对转角。

如图3所示，上述滤波及优化模块131包括第一子滤波器1311、第二子滤波器1312、第三子滤波器1313和主滤波器1314，第一子滤波器1311处理X轴加速度数据信息，并给出状态估计x1和估计误差的协方差矩阵p1；第二子滤波器1312处理Y轴加速度数据信息，给出状态估计x2和估计误差的协方差矩阵p2；第三子滤波器1313处理Z轴加速度数据信息，给出状态估计x3和估计误差的协方差矩阵p3；所述状态估计x1，x2，x3及估计误差的协方差矩阵p1，p2，p3送到主滤波器1314，并同主滤波器的状态估计一起按式(1)和式(2)进行融合，得到全局最优估计和协方差矩阵：

${\hat{x}}_g=p_g\left(\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{p}_i^{-1}{\hat{x}}_i\right)---\left(1\right)$

$p_g=\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{p}_i^{-1}---\left(2\right)$

式中，i＝1，2，3；

主滤波器的最优估计值对3个子滤波器的状态估计进行重置，即

${\hat{x}}_i={\hat{x}}_g---\left(3\right)$

$p_i={\mathrm{\&beta;}}_i^{-1}{p}_g---\left(4\right)$

以重力垂直向下方位即Y轴作为分析基准量，自动调整p值的大小，具体的自适应算法为：

β₁,β₂,β₃满足β₁+β₂+β₃＝1(5)

${\mathrm{\&beta;}}_1=\left\{\begin{array}{c}0.99,p<2\\ 2/p,2\&le;p<5\\ 1/p,5\&le;p<10\\ 1/2p,p\&GreaterEqual;10\end{array}\right.---\left(6\right)$

β₂＝β₃＝(1-β₁)/2(7)

如图2和图3所示，所述DSP处理器130根据全局最优估计和协方差矩阵输出运动模式及运动统计，根据陀螺仪120输出人体转角的角速率信息积分得到人体的相对转角，通过蓝牙模块200上传到智能手持终端300，并通过所述显示屏显示。智能手持终端可以是智能手机或者平板电脑等。工作时，智能运动手镯运动检测模块100监控用户的运动方式，通过滤波及优化模块131能够对用户的运动模式做出准确判断，如：慢跑、快跑、骑车、步行、睡眠等，并自动切换统计模式，统计数据准确。

上述蓝牙模块200优选蓝牙4.0(BLE)通信模块，实现智能运动手镯与智能手持终端连接、通信以及局域组网功能，本发明的蓝牙模块200还包括自动好友发现功能，如图4所示，所述蓝牙模块(设备1)以固定时间间隔广播握手信号，向周围蓝牙设备(设备2)发送在线报文，并接收周围蓝牙设备(设备2)因响应所述握手信号而发送的身份信号，所述身份信号包括设备身份ID、物理地址、RSSI值和特征值，将周围蓝牙设备(设备2)添加至白名单，同时将自己的身份信号发送到周围蓝牙设备(设备2)，周围蓝牙设备接收到身份信号并加入白名单，发送链接请求，蓝牙模块(设备1)同意链接，完成蓝牙互连。

优选地，如图2所示，功能段500包括多个功能模块，包括心率计的功能模块，心率计通过连接段与所述蓝牙模块相连接，蓝牙模块将心率数据传输到智能手持终端。所述心率计包括设置在所述功能段外壳下表面的绿光二极管、接收反射光的感光器件和对感光元件输出的电信号的频率进行检测的控制器。上述绿光二极管产生的绿光照射在手臂上，一部分光被手臂吸收，另外有一部分光会被反射；感光器件接收反射光，将接收到的反射光转换成电信号并进行放大整形处理；控制器对感光元件输出的电信号的频率进行检测，即可获知人体的脉搏频率。心率计可实现实时或设定时间间隔测量心率数据，本地保存并且通过蓝牙模块上传智能手持终端。

为智能运动手镯供电的电池可以设置在仪表盘1000中，也可以通过外置的方式实现，通过外置的方式，仪表盘1000的密封结构可以更加简单，防水性能可以进一步提高，电池更换也更加方便，优选地，为系统供电的电池设置在功能段中。电池的数量可以是单块，也可以为多个，多块电池的实施例中，每个功能段包括一块电池，每个电池功能段之间串联连接；多个串联连接的电池，输出电压等级加倍，因此，所述功能段还包括电力变换模块，所述电力变换模块的输入电压为宽范围电压，输出电压恒定，通过多个电池功能段和一个电力变换功能段的组合，实现大功率电池供电，使用时间更长。

如图5所示，本发明智能运动手镯的电力变换模块的一个实施例，包括：变压器11，包括原边绕组和副边绕组，原边绕组包括第一端和第二端，副边绕组包括第一端和第二端，原边绕组第一端连接到第一电连接器2和输入电容器3，副边绕组第二端连接到副边地电位，原边绕组第一端和副边绕组第二端为同名端；第一开关管12，其源极连接到变压器原边绕组第二端，其漏极连接到原边地电位，其栅极连接到第一开关驱动器13；第一开关驱动器13，包括第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管为NPN晶体管，第二晶体管为PNP晶体管，第一晶体管和第二晶体管的基极连接在一起作为控制端，第一晶体管和第二晶体管的发射极连接在一起作为输出端，第一晶体管的集电极连接到所述输入电容器3，第二晶体管的集电极连接到原边地电位；第一频率发生电路30，包括第一锁相环31，其连接至晶振99；第一低通滤波器32，连接至第一锁相环31的输出端；第一压控振荡器33，连接至第一低通滤波器32输出端，其输出端连接至第一放大器35，第一放大器35的输出端输出频率控制信号f1且连接到所述第一开关驱动器13的控制端；第一二极管14，其阳极连接到变压器副边绕组第一端，其阴极连接到输出滤波器17；输出滤波器17包括第一电感器15和第一电容器16，第一电感器15连接到所述第一二极管14的阴极，第一电感器与第一电容器的公共端连接至第二电连接器4，第一电容器16的另一端连接至副边地电位。

本发明的智能运动手镯，能够实现多种运动模式自动识别、切换，数据统计精度高；而且，通过拼接的方式，用户可以根据自身需求选择设备的功能段，一方面避免不必要的资源浪费，另一方面，能够提高设备的灵活性；外置的电池结构，能够进一步提高设备的防水性能，电池更换方便。

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 (6)

1.一种智能运动手镯，其特征在于，包括：仪表盘和连接到仪表盘两端的拼接而成的链带，所述链带包括多个拼接段，每个拼接段的一端设有卡槽，另一端设置卡齿，卡槽内设置第一电连接器，卡齿上设置有与所述第一电连接器适配使用的第二电连接器，相邻拼接段的卡槽和卡齿相互咬合，链带整体和仪表盘构成闭合导电回路；所述拼接段包括功能段和连接段，功能段中设置功能模块，所述连接段的第一电连接器和第二电连接器通过导线直接连接；

所述仪表盘包括：显示屏，显示状态统计数据；运动检测模块，检测三维加速度和相对转角；蓝牙模块，连接到所述运动检测模块和智能手持终端，所述智能手持终端还连接到数据中心服务器；

所述运动检测模块包括三轴重力加速度传感器、陀螺仪和DSP处理器，DSP处理器包括积分器和滤波及优化模块；所述三轴重力加速度传感器输出X、Y、Z轴加速度数据信息，陀螺仪输出人体转角的角速率信息，DSP处理器的积分器将陀螺仪输出的角速率信息积分得到人体的相对转角；

所述滤波及优化模块包括第一子滤波器、第二子滤波器、第三子滤波器和主滤波器，第一子滤波器处理X轴加速度数据信息，并给出状态估计x1和估计误差的协方差矩阵p1；第二子滤波器处理Y轴加速度数据信息，给出状态估计x2和估计误差的协方差矩阵p2；第三子滤波器处理Z轴加速度数据信息，给出状态估计x3和估计误差的协方差矩阵p3；所述状态估计x1，x2，x3及估计误差的协方差矩阵p1，p2，p3送到主滤波器，并同主滤波器的状态估计一起按式(1)和式(2)进行融合，得到全局最优估计和协方差矩阵：

${\hat{x}}_g=p_g\left(\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{p}_i^{-1}{\hat{x}}_i\right)---\left(1\right)$

$p_g=\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{p}_i^{-1}---\left(2\right)$

式中，i＝1，2，3；

主滤波器的最优估计值对3个子滤波器的状态估计进行重置，即

${\hat{x}}_i={\hat{x}}_g---\left(3\right)$

$p_i={\mathrm{\&beta;}}_i^{-1}{p}_g---\left(4\right)$

以重力垂直向下方位即Y轴作为分析基准量，自动调整p值的大小，具体的自适应算法为：

β₁,β₂,β₃满足β₁+β₂+β₃＝1(5)

${\mathrm{\&beta;}}_1=\left\{\begin{array}{c}0.99,p<2\\ 2/p,2\&le;p<5\\ 1/p,5\&le;p<10\\ 1/2p,p\&GreaterEqual;10\end{array}\right.---\left(6\right)$

β₂＝β₃＝(1-β₁)/2(7)

所述DSP处理器根据全局最优估计和协方差矩阵输出运动模式及运动统计，根据陀螺仪输出人体转角的角速率信息积分得到人体的相对转角，通过蓝牙模块上传到智能手持终端，并通过所述显示屏显示；

所述蓝牙模块以固定时间间隔广播握手信号，向周围蓝牙设备发送在线报文，并接收周围蓝牙设备因响应所述握手信号而发送的身份信号，所述身份信号包括设备身份ID、物理地址、RSSI值和特征值，将周围蓝牙设备添加至白名单，同时将自己的身份信号发送到周围蓝牙设备，周围蓝牙设备接收到身份信号并加入白名单，发送链接请求，蓝牙模块同意链接，完成蓝牙互连。

2.如权利要求1所述的智能运动手镯，其特征在于，所述功能段包括心率计，心率计通过连接段与所述蓝牙模块相连接，蓝牙模块将心率数据传输到智能手持终端。

3.如权利要求2所述的智能运动手镯，其特征在于，所述心率计包括设置在所述功能段外壳下表面的绿光二极管、接收反射光的感光器件和对感光元件输出的电信号的频率进行检测的控制器。

4.如权利要求1所述的智能运动手镯，其特征在于，所述功能段还包括为系统供电的电池。

5.如权利要求4所述的智能运动手镯，其特征在于，所述电池的数量为多个，每个功能段包括一块电池，每个电池功能段之间串联连接；

所述功能段还包括电力变换模块，所述电力变换模块的输入电压为宽范围电压，输出电压恒定。

6.如权利要求5所述的智能运动手镯，其特征在于，所述电力变换模块包括：

变压器，包括原边绕组和副边绕组，原边绕组包括第一端和第二端，副边绕组包括第一端和第二端，原边绕组第一端连接到第一电连接器和输入电容器，副边绕组第二端连接到副边地电位，原边绕组第一端和副边绕组第二端为同名端；

第一开关管，其源极连接到变压器原边绕组第二端，其漏极连接到原边地电位，其栅极连接到第一开关驱动器；

第一开关驱动器，包括第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管为NPN晶体管，第二晶体管为PNP晶体管，第一晶体管和第二晶体管的基极连接在一起作为控制端，第一晶体管和第二晶体管的发射极连接在一起作为输出端，第一晶体管的集电极连接到所述输入电容器，第二晶体管的集电极连接到原边地电位；

第一频率发生电路，包括第一锁相环，其连接至晶振；第一低通滤波器，连接至第一锁相环的输出端；第一压控振荡器，连接至第一低通滤波器输出端，其输出端连接至第一放大器，第一放大器的输出端连接到所述第一开关驱动器的控制端；

第一二极管，其阳极连接到变压器副边绕组第一端，其阴极连接到输出滤波器；

输出滤波器包括第一电感器和第一电容器，第一电感器连接到所述第一二极管的阴极，第一电感器与第一电容器的公共端连接至第二电连接器，第一电容器的另一端连接至副边地电位。