CN104257386A - 一种儿童生理数据预警手环 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种儿童生理数据预警手环，仪表盘包括：运动检测模块，蓝牙模块，连接到所述运动检测模块和数据中心服务器，数据终端服务器与家长手机端相连接；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，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。

Description

一种儿童生理数据预警手环

技术领域

本发明涉及电子领域，特别涉及一种儿童生理数据预警手环。

背景技术

低龄段儿童在幼儿园和低年级阶段自控能力差，管控力差，而且多动，好奇心强，经常会发生跌倒磕碰的情况，幼儿园和学校为封闭式管理，家长无法时刻监控自己孩子的实时状况，即使发生意外也不能及时得知，老师的工作量大，无法照顾到每一个孩子，因此，意外状况无法避免。

随着电子技术和无线通信技术的发展，远程监控技术逐渐走进人们的生活，如何通过远程监控了解儿童的实时行为状态，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种儿童生理数据预警手环，解决了远程监控儿童行为状态的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种儿童生理数据预警手环，整体为环状，环中位置内嵌仪表盘，仪表盘外表面包覆彩色EVA材质涂层，仪表盘两侧设置链带，通过链带构成环状结构，链带为与所述涂层相同颜色和材质的EVA链带，并与所述涂层整体成型，两侧链带连接处通过针扣缩放；

所述仪表盘包括：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数据中心服务器，数据终端服务器与家长手机端相连接；

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：

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

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

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)

${\mathrm{\β}}_1=\left\{\begin{array}{c}0.99,p\≤2\\ 2/p,2\≤p\≤5\\ 1/p,5\≤p\≤10\\ 2/p,p\≥10\end{array}\right.---\left(6\right)$

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；

所述仪表盘还包括心率计和血氧计，心率计和血氧计分别设置在仪表盘背面与皮肤接触面；

所述心率计包括设置在所述仪表盘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计数器；

所述血氧计包括在皮肤接触部设置的两个LED灯和第二感光元件，两个LED灯输出固定波长的光束，第二感光元件对经过皮肤、组织、血液漫反射回的光进行采集，将代表血氧饱和度值的光强度转换为电信号；

所述DSP处理器对血氧饱和度值和计数器输出的心率值进行处理，输出经过调制的标准格式的心率数据和血氧饱和度数据；

蓝牙模块将所述血氧饱和度数据和心率数据上传至数据中心服务器，数据终端服务器再发送到家长手机端。

可选地，所述蓝牙模块为蓝牙4.0(BLE)通信模块。

本发明的有益效果是：

(1)儿童生理数据预警手环佩戴在手腕，方便佩戴；

(2)外层包覆EVA材质，防水、无毒、无味；

(3)内置DSP处理器，便于系统的更新。

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为本发明儿童生理数据预警手环的结构示意图；

图2为本发明儿童生理数据预警手环的电路控制框图；

图3为本发明的滤波及优化模块的原理图。

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。

如图1所示，本发明的一种儿童生理数据预警手环，整体为环状，环中位置内嵌仪表盘1000，仪表盘外表面包覆彩色EVA材质涂层，仪表盘两侧设置链带，通过链带构成环状结构，链带为与所述涂层相同颜色和材质的EVA链带，并与所述涂层整体成型，两侧链带连接处通过针扣缩放。

所述仪表盘包括：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数据中心服务器，数据终端服务器与家长手机端相连接。

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：

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

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

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)

${\mathrm{\β}}_1=\left\{\begin{array}{c}0.99,p\≤2\\ 2/p,2\≤p\≤5\\ 1/p,5\≤p\≤10\\ 2/p,p\≥10\end{array}\right.---\left(6\right)$

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。

所述仪表盘还包括心率计和血氧计，心率计和血氧计分别设置在仪表盘背面与皮肤接触面。

所述心率计包括设置在所述仪表盘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计数器。

所述血氧计包括在皮肤接触部设置的两个LED灯和第二感光元件，两个LED灯输出固定波长的光束，第二感光元件对经过皮肤、组织、血液漫反射回的光进行采集，将代表血氧饱和度值的光强度转换为电信号。

所述DSP处理器对血氧饱和度值和计数器输出的心率值进行处理，输出经过调制的标准格式的心率数据和血氧饱和度数据。

蓝牙模块将所述血氧饱和度数据和心率数据上传至数据中心服务器，数据终端服务器再发送到家长手机端。

优选地，所述蓝牙模块为蓝牙4.0(BLE)通信模块。

蓝牙模块与数据中心服务器蓝牙建立连接，可以保证近距离无线通信，学校里的儿童生理数据预警手环都连接到同一台数据中心服务器，数据中心服务器又通过GPRS网络与儿童的家长手机建立连接，将儿童的行为数据上传到家长手机，家长可以远程实时监控自己孩子的运动数据和行为状态，例如运动、跌倒、静止等，同时可以检测自己孩子的血氧数据，了解孩子的饮食情况。

优选地，所述蓝牙模块为蓝牙4.0(BLE)通信模块。蓝牙4.0是蓝牙3.0+HS规范的补充，专门面向对成本和功耗都有较高要求的无线方案，可广泛用于卫生保健、体育健身、家庭娱乐、安全保障等诸多领域。

蓝牙4.0(BLE)通信模块支持两种部署方式：双模式和单模式。双模式中，低功耗蓝牙功能集成在现有的经典蓝牙控制器中，或再在现有经典蓝牙技术(2.1+EDR/3.0+HS)芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，因此成本增加有限。

单模式面向高度集成、紧凑的设备，使用一个轻量级连接层(Link Layer)提供超低功耗的待机模式操作、简单设备恢复和可靠的点对多点数据传输，还能让联网传感器在蓝牙传输中安排好低功耗蓝牙流量的次序，同时还有高级节能和安全加密连接。

本发明的儿童生理数据预警手环还包括DSP处理器，DSP处理器与所述蓝牙模块相连接。内置DSP处理器，便于后期系统的更新，DSP处理器可对软件更新有很强的兼容性。

本发明的儿童生理数据预警手环佩戴在手腕，方便佩戴；外层包覆EVA材质，防水、无毒、无味；内置DSP处理器，便于系统的更新。

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 (2)

1.一种儿童生理数据预警手环，其特征在于，整体为环状，环中位置内嵌仪表盘，仪表盘外表面包覆彩色EVA材质涂层，仪表盘两侧设置链带，通过链带构成环状结构，链带为与所述涂层相同颜色和材质的EVA链带，并与所述涂层整体成型，两侧链带连接处通过针扣缩放；

所述仪表盘包括：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数据中心服务器，数据终端服务器与家长手机端相连接；

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：

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

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

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)

${\mathrm{\β}}_1=\left\{\begin{array}{c}0.99,p\≤2\\ 2/p,2\≤p\≤5\\ 1/p,5\≤p\≤10\\ 2/p,p\≥10\end{array}\right.---\left(6\right)$

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；

所述仪表盘还包括心率计和血氧计，心率计和血氧计分别设置在仪表盘背面与皮肤接触面；

所述心率计包括设置在所述仪表盘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计数器；

所述血氧计包括在皮肤接触部设置的两个LED灯和第二感光元件，两个LED灯输出固定波长的光束，第二感光元件对经过皮肤、组织、血液漫反射回的光进行采集，将代表血氧饱和度值的光强度转换为电信号；

所述DSP处理器对血氧饱和度值和计数器输出的心率值进行处理，输出经过调制的标准格式的心率数据和血氧饱和度数据；

蓝牙模块将所述血氧饱和度数据和心率数据上传至数据中心服务器，数据终端服务器再发送到家长手机端。

2.如权利要求1所述的儿童生理数据预警手环，其特征在于，所述蓝牙模块为蓝牙4.0(BLE)通信模块。