CN104622454A - 一种多功能手环式人体智能监控器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能手环式人体智能监控器系统，具体包括心率传感器、人体姿态传感器、按键模块、微型振动马达、GPS模块、GSM模块、电源模块、系统处理器、存储模块以及数据服务器和智能终端。尤其所述系统处理器可通过按键模块设置心率危险值α和报警值β，并采用三级监测机制，用以判断人体跌倒、正常行走和睡眠三级运动状态；所述GSM模块中的SIM卡预设报警电话号码110、当地医院救助电话号码以及亲属电话号码。采用此系统，可以针对心脏突发和人体跌倒情况实现自动报警，以及能够精确预判跌倒状态并可传输至用户智能终端。

Description

一种多功能手环式人体智能监控器系统

技术领域

本发明涉及一种多功能手环式人体智能监控器系统，具体包括心率传感器、人体姿态传感器、按键模块、微型振动马达、GPS模块、GSM模块、电源模块、系统处理器、存储模块以及数据服务器和智能终端。

背景技术

可穿戴健康设备可在日常生活中监测人体的健康状态，并反馈人体健康状态给用户，使用户通过智能终端能够随时了解和掌控自己的身体健康状况。可穿戴健康设备具有实时性高、智能化程度高和便捷等特点。但是，目前市场很多电子医疗器械通常只能独立工作，被动地反馈用户健康状况信息，无法实现用户对自身健康状况或者被监测者的远程监控。

心脏病是生活中常见的一种疾病，严重危害着人们的生命健康和生活质量。尤其是独居的或者家人经常不在老人身旁的，并患有心脏病史的老年人，一旦家人不在身旁，并且病情突然发生，老年人往往因得不到及时治疗为未能得救。中国专利申请号为201310228221.X，公开了一种健康腕带装置系统，其包括了心率计模块、中央处理模块、GPS模块、存储模块、通信模块和数据终端。该系统基本上很好的解决用户可以通过数据终端设备远程监控被监护者日常的心脏情况好坏的问题。但是，该装置不具备自动报警的功能。如若被监控者发生突发心脏病，用户就不能第一时间了解被监控者突发的情况，且被监控者因此往往得不到及时的治疗而死亡。

中国社会已进入老年化时代。在我国65岁以上的老年居民中，有相当一部 分人曾经跌倒过，跌倒发生率随着年龄的增加而升高。且因跌倒而得不到及时抢救致死的老年人发生率逐年上升。因此对老年人，包括其他年龄段的人体姿态监测是很有必要的。中国专利申请号201120495720.1公开了一种人体姿态监测系统，其包括人体姿态传感器、中央处理器、通信模块和智能终端。该系统很好的解决监测人体姿态防跌倒的问题。但是该装置存在着两个问题：

1.主控芯片对人体姿态传感器采集的信息分析人体是否处于跌倒和正常行走状态所采用的机制是两级机制，存在误判跌倒或者正常行走的可能性。

2.系统跌倒报警功能不够完善。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明目的旨在提供一种能够针对心脏突发和人体跌倒情况实现自动报警，以及能够精确预判跌倒状态并可传输至用户智能终端的多功能手环式人体智能监控器系统。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种多功能手环式人体智能监控器系统，其包括利用红外光反射原理采集人体心率值ρ的心率传感器；人体姿态传感器、按键模块、微型振动马达；实现全球定位的GPS模块；集有SIM卡的GSM模块和GPRS模块；为装置提供电力的电源模块；提供算法支持并可对传来的数据自动生成报告的系统处理器；与所述系统处理器相互连接的存储模块；以及数据服务器和智能终端；

尤其是：所述系统处理器可通过按键模块设置心率危险值α和报警值β；所述系统处理器采用三级监测机制，用以判断人体跌倒、正常行走和睡眠三级运动状态；所述GSM模块中的SIM卡预设报警电话号码110、当地医院救助电话 号码以及亲属电话号码。

进一步，所述系统处理器将生成的报告，通过GSM模块发送至智能终端或者数据服务器。

进一步，所述智能终端包括智能手机、平板电脑和PC电脑。

进一步，还包括无线充电模块。

优选地，所述无线充电模块采用Qi标准。

优选地，所述无线充电模块设置MINI USB接口。

优选地，所述人体姿态传感器包括三轴电子罗盘、加速度计和陀螺仪。

进一步，所述人体姿态传感器监测人体所承受的加速度、人体脊柱与重力加速度方向之间的倾斜角以及人体处于动态、静态环境下的横滚角、俯仰角和航向角，并将监测的数据以电信号形式传输至系统处理器。

优选地，所述电源模块是电池容量为580mA的柔性电池。 

本发明的有益效果：

1.系统处理器对人体姿态传感器所采集的数据采用三级监测机制进行分析，能够精确地预判被监控者的运动状态，比如跌倒、正常行走、运动以及睡眠。

2.通过在GSM模块中的SIM卡预设报警电话号码110、当地医院救助电话号码以及亲属电话号码，如遇人体心率值ρ超过限值或者人体发生跌倒事故，报警和通知信息能够第一时间告知社区人员、医生或者家人。

3.无线充电模块采用Qi标准，能够兼容市面很多无线充电板，并辅助设置MINI USB接口，以满足将该装置和其他设备连接。

4.系统处理器能够通过GSM模块将生成的报告传输至数据服务器或者智能 终端，使用户可以远程掌控被监控者的心率和运动状态。

附图说明

图1是本发明的系统连接框图；

图2是本发明的系统工作流程图；

图3是本发明的具体实施例中坐标系构建示意图。

具体实施方式

以下具体实施例中的g均为重力加速度。

如图1和图2所示，心率传感器利用红外光反射原理采集人体心电信号，并将人体心电信号转换成电信号，发送至系统处理器。本发明的心率传感器紧贴着手腕，但不仅仅限于此，还可设置在手臂、手心和胸部。

人体姿态传感器包括加速度计、陀螺仪和三轴电子罗盘。加速度计可检测人体所承受的加速度。MEMS陀螺仪可检测人体脊柱与重力加速度方向之间的倾斜角。三轴电子罗盘可检测人体处于动态、静态环境下的横滚角、俯仰角和航向角，以此得知用户是否处于睡眠状态、是否在睡觉中翻来覆去，并经过系统处理器对数据的处理，从而分析出用户的睡着时间、清醒时间、深睡时间和浅睡时间。系统处理器采用三级监测机制，根据人体姿态传感器传来的数据，判断人体跌倒、正常行走和睡眠三级运动状态。

无线充电模块采用Qi标准，这是该装置可以兼容市面上多种无线充电板。并无线充电模块辅助设置MINI USB接口，满足该装置和一些设智能备相互连接通信。

电源模块是可以任意弯折的柔性电池。电池的容量为580mA，在待机状态下，多功能手环式人体智能监控器可使用4至5天。

多功能手环式人体智能监控器系统的工作流程：

S1：系统启动，系统处理器从存储器模块中加载配置文件和运行文件，初始化传感器和各个模块，并通过按键模块设置心率危险值α和报警值β；

S2：人体姿态传感器和心率传感器接受指令，并开始采集数据。其中，人体姿态传感器采集的加速度值记为a，倾斜角值记为δ，人体心率值记为ρ；

S3：人体姿态传感器或心率传感器采集完人体生理数据，并持续发送访问系统处理器的信号，咨询系统处理器是否处于“忙碌”或者“休闲”状态。若系统处理器处于“忙碌”状态，则重复S3；若系统处理器处于“休闲”状态，则接下S4；

S4：人体姿态传感器或心率传感器向系统处理器发送采集的人体生理数据；

S5：系统处理器分别分析人体姿态传感器或心率传感器传来的数据。针对心率传感器传来的人体心率值ρ，系统处理器处理如下：

S51、如果人体心率值ρ＜α，则系统处理器自动生成心率报告。紧接S61步骤。

S52、如果人体心率值α＜ρ＜β，则系统处理器不仅自动生成心率报告，而且触发微型振动马达，使微型振动马达产生震动，提醒用户。紧接S61步骤。

S53、如果人体心率值ρ＞β，则系统处理器不仅自动生成心率报告和触发微型振动马达，而且系统处理器会无条件发送报警信息。紧接S62步骤。

针对人体姿态传感器传来的加速度值a和倾斜角值δ，系统处理器处理如下：系统处理器采用三级监测机制分析加速度值a，并以倾斜角值δ为辅助值，预判 被监控者的运动状态。

S533、如果综合判断人体加速度值a和倾斜角值δ符合跌倒姿态值，则系统处理器不仅自动生成人体姿态报告和触发微型振动马达，而且系统处理器会无条件发送报警信息。紧接S63步骤。

S534、如果综合判断人体加速度值a和倾斜角值δ不符合跌倒姿态值，则系统处理器自动生成人体姿态报告。紧接S64步骤。

S6：操作如下： 

S61、符合人体心率值ρ＜α或者α＜ρ＜β条件的，GPRS模块传输从系统处理器传来的心率报告；

S62、符合人体心率值ρ＞β，GSM模块向SIM卡中预设的号码发送报警信息，且传输从系统处理器传来的心率报告；

S63、符合跌倒姿态值，GSM模块向SIM卡中预设的号码发送报警信息，且传输从系统处理器传来的人体姿态报告；

S64、不符合跌倒姿态值，GPRS模块传输从系统处理器传来的人体姿态报告。

S7、数据服务器或者智能终端接收GPRS模块或者GSM模块传来的数据。

人体姿态的三级监测机制采用人体加速度向量幅值SVM和微分加速度幅值的绝对平均值MADS描述人体运动状态，进而作跌倒、睡眠、正常行走状态的判断。

人体姿态的三级监测机制流程如下：

1、检测人体SVM是否超过阀值，对跌倒作出初判断；

2、检测MADS是否超过阀值，对跌倒的判断依据；

3、计算一定时间和加速度中的方差，判断人体姿态的稳定性以防止误判。最后计算人体躯干的水平倾角确定人体姿态作为跌倒报警的辅助信息。

跌倒属于剧烈的运动过程。

如图3所示，对人体建立自然坐标系O-x₁-y₁-z₁和动态坐标系O-x-y-z在自然坐标系O-x₁-y₁-z₁中，人体竖直站立，取人体冠状面法向向前为x₁轴正方向，矢状面法向向左为y₁轴正方向，水平面法向向下为z₁轴正方向。此时，z₁方向与重力加速度g方向一致。 

佩戴装置时，其3个敏感方向分别与动态坐标系的3个轴向一致。因此动态坐标系下3个轴向的加速度分量就是传感器3个相应的敏感方向的加速度输出(a_x，a_y，a_z)，记其合加速度为a。当处于静止状态时，人体只受重力加速度g作用，即a＝g，方向沿z₀正方向。设z轴与水平面(x₁-o-y₁平面)的夹角为θ，则有

|a_z|＝gsinθ

故夹角θ为 

θ＝arcsin(|a_z|/g)

第一级判据为SVM。SVM通过计算加速度幅度表征人体运动的剧烈程度，其值越大表明运动越剧烈。其定义为

$\mathrm{SVM}=\sqrt{\mathrm{}}{a_x}^2+{a_y}^2+{a_z}^2$

跌倒发生时，SVM会明显增大，通常峰值超过1.5g。对于某些老年人而言，正常行走和跌倒时的SVM均会超过1.5g，但是跌倒过程中SVM超过1.5g的持续时间较长。通过实验测定，老年人正常行走时的SVM大于1.5g的持续时间一般不会超过40ms，而跌倒情况SVM超过1.5g的持续时间较长。系统处理器对人 体姿态传感器的采样率是150HZ，可采集时间超过40ms 6个以上的SVM。

第二级计算超过40ms的6个以上的SVM的MADS，并与其阀值作比较。MADS通过计算SVM的微分绝对值的时间平均表征人体运动状态变化的剧烈程度，其值越大表明运动状态变化越剧烈。其定义为

$\mathrm{MADS}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{\mathrm{SVM}}^{\text{'}}|\mathrm{dt}$

实验表明，老年人跌倒时，MADS明显增大，当超过0.36/s，则认为人体跌倒了，反之则否。

第三级辅助判断第二级，降低误判率。系统处理器每间隔10s通过计算最近50个采样点的z轴加速度的方差监测人体状态是否稳定。实验表明，稳定状态下方差小于0.5g。如果10次检测均未稳定，则认为是误判。

人体姿态主要通过计算人体躯干与水平面的倾斜角θ来判别。如果计算得到θ小于40度，则认为确实跌倒。

通过铅垂轴与横轴的平面及与其平行的所有平面都称为冠状面。通过人体(或其他物体)沿垂轴和纵轴的平面(即正中矢状面)及与其平行的所有平面都称为矢状面。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种多功能手环式人体智能监控器系统，其包括

利用红外光反射原理采集人体心率值ρ的心率传感器；

人体姿态传感器、按键模块、微型振动马达；

实现全球定位的GPS模块；

集有SIM卡的GSM模块和GPRS模块；

为装置提供电力的电源模块；

提供算法支持并可对传来的数据自动生成报告的系统处理器；

与所述系统处理器相互连接的存储模块；以及

数据服务器和智能终端；

其特征在于：

所述系统处理器可通过按键模块设置心率危险值α和报警值β；所述系统处理器采用三级监测机制，用以判断人体跌倒、正常行走和睡眠三级运动状态；

所述GSM模块中的SIM卡预设报警电话号码110、当地医院救助电话号码以及亲属电话号码。

2.根据权利要求1所述的一种多功能手环式人体智能监控器系统，其特征在于：所述系统处理器将生成的报告，通过GSM模块发送至智能终端或者数据服务器。

3.根据权利要求2所述的一种多功能手环式人体智能监控器系统，其特征在于：所述智能终端包括智能手机、平板电脑和PC电脑。

4.根据权利要求1所述的一种多功能手环式人体智能监控器系统，其特征在于：还包括无线充电模块。

5.根据权利要求4所述的一种多功能手环式人体智能监控器系统，其特征在于：所述无线充电模块采用Qi标准。

6.根据权利要求4或5所述的一种多功能手环式人体智能监控器系统，其特征在于：所述无线充电模块设置MINI USB接口。

7.根据权利要求1所述的一种多功能手环式人体智能监控器系统，其特征在于：所述人体姿态传感器包括三轴电子罗盘、加速度计和陀螺仪。

8.根据权利要求7所述的一种多功能手环式人体智能监控器系统，其特征在于：所述人体姿态传感器监测人体所承受的加速度、人体脊柱与重力加速度方向之间的倾斜角以及人体处于动态、静态环境下的横滚角、俯仰角和航向角，并将监测的数据以电信号形式传输至系统处理器。

9.根据权利要求1所述的一种多功能手环式人体智能监控器系统，其特征在于：所述电源模块是电池容量为580mA的柔性电池。