CN104759043B - 一种便携式的智能呼吸机及其智能调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式的智能呼吸机及其智能调控系统，所述呼吸机包括智能空气净化器主体和智能手环。本发明的呼吸机通过智能算法实现了对所述呼吸机的输气量的智能调控，减少了人为操控带来的繁琐，提高了使用者的舒适性。本发明的系统通过手机APP可以显示使用者的实时心率、历史心率数据、当前呼吸通气量、记步等信息。实现了良好的用户体验。

Description

一种便携式的智能呼吸机及其智能调控系统

技术领域

本发明涉及一种便携式的智能空气净化装置及其智能调控系统，具体涉及一种便携式的智能呼吸机及其智能调控系统。

背景技术

随着环境污染的日趋严重，空气质量的不断恶化，人们对生存环境的诉求也在不断增加，对生活品质的追求也在不断提升。近年来热销的各种空气净化器无疑成了人们用来净化空气的新宠，但绝大多数的净化器是安装在室内，用来净化室内相对较大空间内的空气。当人们不得不走出房门在室外活动，例如户外锻炼、上下班、路边等车等等。

目前适合个人使用的，便于携带的空气净化装置，除了最常用的各种口罩，就是功能简易的空气净化器。这种净化器存在以下缺陷：首先，净化器供气量的调节只能通过手动按键操作，无法实现根据使用者在不同状态下对供气量大小的需求变化智能调节，舒适性不够，操作不便；其次，现有的便携式净化器无法实现把供气量信息与用户的心率等身体状况、指标实时显示，用户体验较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提出一种新型的便携式的智能呼吸机及其智能调控系统，能根据用户的身体特征和心率数据，实时调控净化器的输气量而且可以实时显示。

本发明通过如下技术方案实现：

一种便携式的智能呼吸机，包括：智能空气净化器主体和智能手环。

根据本发明，所述呼吸机还包括一面罩。

根据本发明，所述面罩底部有进气孔，通过输气软管与净化器主体相连。

根据本发明，所述智能空气净化器主体内包括MCU+BLE一体控制器，所述BLE低功耗蓝牙，实时接收所述智能手环的供气量数据；所述MCU微控制器根据此供气量数据控制净化器的输气量。

根据本发明，所述智能空气净化器主体包括外壳和由所述外壳形成的封闭的过滤腔体，所述过滤腔体内设置有控制主板、涡轮风扇和滤网，所述MCU+BLE一体控制器设置在所述控制主板上。

根据本发明，所述MCU微控制器根据所述供气量数据控制所述涡轮风扇调节转速，输送净化后的洁净空气通过所述输气软管，最终到面罩供使用者呼吸。

根据本发明，所述智能手环的主板包含MCU微控制器和心率传感器，可以实现以下主要功能：心率监测、计步，以及根据心率等身体状况信息计算净化器合适的供气量，从而实现对净化器供气量的智能调控。

根据本发明，所述智能手环发送的供气量数据，是根据不同使用者，或某位使用者的身体特征、心率变化计算得出。具体说明、算法描述如下：

医学研究表明，人体的心肺机能、呼吸频率、心率变化跟年龄、性别、身高、体重、活动状态等诸多因素有关。临床医学在实践中总结出了这些人体指标与呼吸通气量、心率的相关性。我们参考了相关的研究成果并结合大量实验总结出以下公式：

----(公式1)

其中：

MRV(Minute Respiratory Volume)：每分钟通气量。此产品中实际输送到面罩的供气量。

MVV(Maximum Ventilation Volume)：分钟最大通气量。有公式：

男性：MVV＝[86.4-(0.522×AGE)]×SA，----(公式2)

女性：MVV＝[71.3-(0.474×AGE)]×SA，----(公式3)

其中：AGE为年龄(岁)；SA为体表面积(单位m2)，有公式:

男性：SA＝0.0061×H+0.0128×W-0.1529，----(公式4)

女性：SA＝0.00586×H+0.0126×W-0.0461，----(公式5)

其中：H为身高(cm)，W为体重(Kg)。

TV(Tidal Volume)：潮气量(L/min)。平静呼吸时每次吸入或呼出的气量。有公式：

TV＝W×0.01，其中W为体重(kg)。----(公式6)

RR(Respiratory rate)：呼吸频率(次/min)。有公式：

RR＝HR/4，----(公式7)

其中：

HR(Heart Rate)：心率(次/min)，心脏每分钟跳动的次数。

MHR(Maximum Heart Rate)：最大心率(次/min)。

有公式：MHR＝220-AGE----(公式8)

RHR(Resting Heart Rate)：静息心率(次/min)。平静呼吸时的心率。

VE(Minute Ventilation VE)：静息通气量(L/min)。平静呼吸时每分钟吸入或呼出的气量。有公式：

VE＝TV×RR，此处RR＝RHR/4----(公式9)

THR(Target Heart Rate)：靶心率(次/min)。适宜锻炼的最大心率。有公式：

THR＝(MHR-RHR)×0.75+RHR----(公式10)

通过以上10个公式，可以得出某位使用者随心率变化所需供气量值。

公式1中为与使用者年龄、性别、体重、身高相关的常量。每位使用者在使用前输入自己的身体指标到手机APP，会得出适合自己的一条“通气量-心率”曲线。

公式8中MHR是使用者在特定年龄时能承受的最大心率理论值。通常，心率达到公式10中的THR靶心率值时，不应继续增加运动负荷。否则会引起身体不适。

根据本发明，所述智能手环的主板还包括BLE低功耗蓝牙控制器及天线。

根据本发明，所述心率传感器应用绿光反射式原理，对使用者腕部血管中血流速的变化采样，MCU微控制器对采样原始数据进行实时运算得出当前心率数据，心率数据作为上述公式1中的变化量，得出使用者所需输气量值。由于输气量与净化器主体的涡轮风扇的转速线性相关，可以同时得出风扇转速值。MCU微控制器通过BLE低功耗蓝牙控制器将当前风扇转速值发送到净化器主体，从而达到智能调控净化器主体的输气量的目的。

本发明还提供了一种上述便携式的智能呼吸机的智能调控系统，包括上述的便携式的智能呼吸机和手机APP。

根据本发明，所述手机APP主要功能包括：

1、设置使用者身体指标数据并上传到智能手环，作为算法的输入因子；

2、显示使用者身体指标数据、手环和净化器电池状态等；

3、提醒用户给手环或净化器充电；

4、手机与手环通过蓝牙连接的情况下，可以定时上传数据到云服务器。

根据本发明，上述功能1中，所述使用者身体指标数据包括当前的实时数据，或已上传到云服务器的历史数据。优选地，历史数据至少可保存一年。优选的，上述身体指标数据包括年龄、性别、身高、体重、心率、输气量等。

根据本发明，上述功能4中，如果手环在使用中但未连接手机，数据会在手环中暂存，直到与手机建立连接并上传到手机，进而上传到云服务器。优选地，暂存时间最长24小时。

根据本发明，所述手机APP支持iOS和Android手机平台。

根据本发明，所述云服务器为阿里云。云数据库为MySQL。手机APP以固定格式上传数据到云服务器，为每位用户在数据库中建立独立账号。用户的数据在云服务器中至少保留一年。

本发明的有益效果如下：

1、产品通过智能算法实现了对所述呼吸机的输气量的智能调控，减少了人为操控带来的繁琐，提高了使用者的舒适性。

2、通过手机APP可以显示使用者的实时心率、历史心率数据、当前呼吸通气量、记步等信息。实现了良好的用户体验。

3、可随身携带，固定在腰带或上臂上，便于使用者在室外活动或运动时使用。

附图说明

图1为本产品的系统结构示意图。

图2为智能手环操作示意图。

图3为净化器主体操作示意图。

图4为手机APP设置操作、数据显示示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的便携式的智能呼吸机及其智能调控系统，包括智能空气净化器主体、面罩、智能手环和手机APP。

其中，所述智能空气净化器主体包括外壳和由所述外壳形成的封闭的过滤腔体。

其中，所述过滤腔体内设置有控制主板、涡轮风扇和滤网。另外，所述过滤腔体内还设置有电池。

其中，所述外壳上设置有多用途复用按键和三色LED指示灯。控制主板上的MCU+BLE一体控制器通过PWM占空比的变化实现对涡轮风扇的转速调控；同时可以监控转速变化并反馈到MCU微控制器。BLE低功耗蓝牙控制器部分，通过PCB蓝牙天线与智能手环通信，接收智能手环的数据指令或上传涡轮风扇的输气量信息到手环。

其中，所述涡轮风扇最大转速为6100RPM，供气量最大值为192L/min。外界空气通过外壳进气孔进入到封闭的过滤腔体，再通过滤网过滤后被吸入涡轮风扇。整个过滤腔体使控制主板、电池等部分与外界完全隔离，避免滤后气体二次污染。

其中，所述滤网采用自主研发的多层次过滤系统，可以滤除最小0.3μm直径的细微颗粒物，滤除效果达99.97％。滤网系统为抽屉式可更换结构，抽出后可随时更换产品自带的滤网插片，也可另行购买。所述滤网系统底层含纳米银滤网，可有效去除多种有害细菌。

其中，所述电池为3.7V/3200mAh可充电锂离子电池，可通过净化器主体下方的MicroUSB接口充电，与主流手机充电器接口兼容。最大充电电流可达2A，可在3小时左右为电池充满电。控制主板内置电源管理系统，防止电池过冲、过放，保证使用过程中的安全性，增加电池的使用寿命。

其中，所述面罩可包合口鼻，有单向出气阀门，避免从外界直接吸入未净化空气。所述面罩底部有进气孔，通过输气软管与净化器主体相连。

其中，所述智能手环作为智能空气净化器主体的控制器，也可独立使用。所述智能手环包含手环主体和腕带两部分。所述手环主体为可拆装设计，便于拆下主体为其充电。充电接口为MicroUSB，与主流手机充电器兼容。所述手环主体包括外壳、主板和电池。

其中，所述手环主体的外壳包括下壳和上盖，为防水设计，防水等级为IP67。下壳装载主板和电池。上盖为半透明设计，有LED导光结构，可显示主板上的三色LED灯来指示多种状态。

其中，所述手环主体的主板包含MCU微控制器、心率传感器。还包括G-sensor、BLE低功耗蓝牙控制器及天线。其中，所述心率传感器应用绿光反射式原理，对使用者腕部血管中血流速的变化采样，MCU微控制器对采样原始数据进行实时运算得出当前心率数据。心率数据作为上述公式1中的变化量，得出使用者所需输气量值。由于输气量与净化器主体的涡轮风扇的转速线性相关，可以同时得出风扇转速值。MCU微控制器通过BLE将当前风扇转速值发送到净化器，从而达到智能调控净化器输气量的目的。

其中，净化器主体内的风扇的初始转速，需要根据使用者在手机APP中输入的年龄、性别、身高、体重等身体指标信息计算出来，并自动设置在手环程序中。第一次使用时，需要首先配对智能净化器主机和智能手环的蓝牙BLE。配对成功后智能手环与智能净化器主机始终绑定。开机后主机会根据使用者的心率状况智能调控输气量。由于个人使用习惯或喜好不同，使用者也可以通过调整净化器主体外壳上的“Ο”、“－”按键微调输气量。“Ο”为微调增加，“－”为微调减少。微调后的转速(即微调变化量)上传到手环，作为输气量算法的输入因子并保存到手环中。

上述微调输气量功能，在智能手环上可以通过按“Ο”、“－”键操作，实现完全相同的功能。

所述G-sensor通过对3轴加速度运动的检测、运算，实现计步器功能。

所述手机APP主要功能：

1、设置使用者身体指标数据并上传到智能手环，作为算法的输入因子；

2、显示使用者身体指标数据、手环和净化器电池状态等。所述使用者身体指标数据包括当前的实时数据，或已上传到云服务器的历史数据。历史数据至少可保存一年。

3、提醒用户给手环或净化器充电；

4、手机与手环通过蓝牙连接的情况下，可以定时上传数据到云服务器。如果手环在使用中但未连接手机，数据会在手环中暂存，直到与手机建立连接并上传到手机，进而上传到云服务器。暂存时间最长24小时。

上述身体指标数据包括年龄、性别、身高、体重、心率、输气量。

手机APP支持iOS和Android手机平台。

所述云服务器为阿里云。云数据库为MySQL。手机APP以固定格式上传数据到云服务器，为每位用户在数据库中建立独立账号。用户的数据在云服务器中至少保留一年。

图2中示出了智能手环的具体结构，其操作说明具体如下：

1、按键操作功能：

①长按“－”键约5s，进行蓝牙配对，如果已配对，则用于唤醒蓝牙

②长按“O”键约5s，设备关机；长按“O”键约3S，设备开机

③短按“－”键，减小净化器进风量

④短按“O”键，增加净化器进风量

⑤连续短按“－”键两次，唤醒心律传感器

2、指示灯状态说明：

①蓝牙配对成功，绿灯快速闪烁3s

②电量过低提醒，红灯闪烁

③充电过程指示灯，红色指示40％以下电量，黄色指示40％-95％电量，绿色指示≥95％电量

④按下风量增加键，LED灯闪亮一次洋红色

⑤按下风量减小键，LED灯闪亮一次蓝色

⑥开机指示，红绿黄等交替闪烁3次

⑦关机指示，蓝牙黄灯闪烁1s

3、心率检测说明：

①将LED灯紧贴皮肤，即可测量心率。

②若接触皮肤，心率处于睡眠状态，可通过连续短按“－”键两次，唤醒心率传感器

图3中示出了净化器主体的结构，其操作说明如下：

1、按键操作说明：

O：长按-开机，短按-风量加；

-：长按-关机，短按-风量减。

2、指示灯工作状态说明：

R:闪烁5次-低电量报警；

G：闪烁5次-风量调节合适；

B：闪烁5次-蓝牙连接成功。

Claims (17)

1.一种便携式的智能呼吸机，包括：智能空气净化器主体和智能手环；

所述智能空气净化器主体内包括MCU+BLE一体控制器，所述BLE低功耗蓝牙，实时接收所述智能手环的供气量数据；所述MCU微控制器根据此供气量数据控制净化器的输气量；

所述智能手环的主板包含MCU微控制器和心率传感器，可以实现以下主要功能：心率监测、计步，以及根据包括心率的身体状况信息计算净化器合适的供气量，从而实现对净化器供气量的智能调控；

所述智能手环发送的供气量数据，是根据不同使用者，或某位使用者的身体特征、心率变化计算得出，说明、算法描述如下：

公式1：

其中：

MRV(Minute Respiratory Volume)：每分钟通气量，也是实际输送到面罩的供气量；

MVV(Maximum Ventilation Volume)：分钟最大通气量，有公式：

男性：MVV＝[86.4-(0.522×AGE)]×SA，----(公式2)

女性：MVV＝[71.3-(0.474×AGE)]×SA，----(公式3)

其中：AGE为年龄，单位：岁；SA为体表面积，单位m²，有公式:

男性：SA＝0.0061×H+0.0128×W-0.1529，----(公式4)

女性：SA＝0.00586×H+0.0126×W-0.0461，----(公式5)

其中：H为身高，单位：cm，W为体重，单位：kg；

TV(Tidal Volume)：潮气量，单位：L/min，是平静呼吸时每次吸入或呼出的气量，有公式：

TV＝W×0.01，----(公式6)

其中W为体重，单位：kg；

RR(Respiratory rate)：呼吸频率，单位：次/min，有公式：

RR＝HR/4，----(公式7)

其中：HR(Heart Rate)：心率，单位：次/min，即心脏每分钟跳动的次数；

MHR(Maximum Heart Rate)：最大心率，单位：次/min，有公式：

MHR＝220-AGE----(公式8)

其中，AGE为年龄，单位：岁；

RHR(Resting Heart Rate)：静息心率，单位：次/min，即平静呼吸时的心率；

VE(Minute Ventilation VE)：静息通气量，单位：L/min，即平静呼吸时每分钟吸入或呼出的气量，有公式：

VE＝TV×RR，----(公式9)

其中，TV和RR的定义同上；

THR(Target Heart Rate)：靶心率，单位：次/min，即适宜锻炼的最大心率，有公式：

THR＝(MHR-RHR)×0.75+RHR----(公式10)

其中，MHR和RHR的定义同上；

通过以上10个公式，可以得出某位使用者随心率变化所需供气量值。

2.根据权利要求1所述的智能呼吸机，其特征在于，公式1中，为与使用者年龄、性别、体重、身高相关的常量；每位使用者在使用前输入自己的身体指标到手机APP，会得出适合自己的一条“通气量-心率”曲线。

3.根据权利要求1所述的智能呼吸机，其特征在于，公式8中，MHR是使用者在特定年龄时能承受的最大心率理论值，心率最大值为公式10中的THR靶心率值。

4.根据权利要求1-3任一项所述的智能呼吸机，其特征在于，所述呼吸机还包括一面罩。

5.根据权利要求4所述的智能呼吸机，其特征在于，所述面罩底部有进气孔，通过输气软管与净化器主体相连。

6.根据权利要求1-3任一项所述的智能呼吸机，其特征在于，所述智能空气净化器主体包括外壳和由所述外壳形成的封闭的过滤腔体，所述过滤腔体内设置有控制主板、涡轮风扇和滤网，所述MCU+BLE一体控制器设置在所述控制主板上。

7.根据权利要求6所述的智能呼吸机，其特征在于，所述MCU微控制器根据所述供气量数据控制所述涡轮风扇调节转速，输送净化后的洁净空气通过所述输气软管，最终到面罩供使用者呼吸。

8.根据权利要求1-3任一项所述的便携式的智能呼吸机，其特征在于，所述智能手环的主板还包括BLE低功耗蓝牙控制器及天线。

9.一种权利要求1至8任一项所述的便携式的智能呼吸机的智能调控系统，所述系统包括上述的便携式的智能呼吸机和手机APP。

10.根据权利要求9所述的智能调控系统，其特征在于，所述手机APP主要功能包括：

1)设置使用者身体指标数据并上传到智能手环，作为算法的输入因子；

2)显示使用者身体指标数据、手环和净化器电池状态；

3)提醒用户给手环或净化器充电；

4)手机与手环通过蓝牙连接的情况下，可以定时上传数据到云服务器。

11.根据权利要求10所述的智能调控系统，其特征在于，上述功能1中，所述使用者身体指标数据包括当前的实时数据，或已上传到云服务器的历史数据。

12.根据权利要求11所述的智能调控系统，其特征在于，历史数据至少可保存一年。

13.根据权利要求11所述的智能调控系统，其特征在于，上述身体指标数据包括年龄、性别、身高、体重、心率、输气量。

14.根据权利要求10所述的智能调控系统，其特征在于，上述功能4中，如果手环在使用中但未连接手机，数据会在手环中暂存，直到与手机建立连接并上传到手机，进而上传到云服务器。

15.根据权利要求14所述的智能调控系统，其特征在于，暂存时间最长24小时。

16.根据权利要求9至15任一项所述的智能调控系统，其特征在于，所述手机APP支持iOS和Android手机平台。

17.根据权利要求10至15任一项所述的智能调控系统，其特征在于，所述云服务器为阿里云；云数据库为MySQL；手机APP以固定格式上传数据到云服务器，为每位用户在数据库中建立独立账号；用户的数据在云服务器中至少保留一年。