CN106821312A - 基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法及系统，该方法通过三轴运动传感器获取被监测对象在运动和睡眠状态下人体的运动信号，并将其进行小波变换滤波和数据处理，通过无线通信传输方式将处理后的数据传输出给客户端，客户端通过无线传输的方式进行接收数据，且该后台服务器采用C/S和B/S混合结构对数据进行分析处理，本发明结构简单，操作方便，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及智能穿戴电子设备产品技术领域，尤其是一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法及系统。
背景技术
随着智能穿戴产品的技术发展，各种类型的智能穿戴产品广泛应用于人们的工作以及生活中，运动监测主要被用于计算人体行走或跑步时的步数，为使用者提供基本的运动量评估依据；睡眠检测主要被用于监测使用者的睡眠数据分布情况，为使用者提供基本的睡眠评估依据，在原有医院检测系统中通过脑电波作为睡眠监测的根据，但由于脑电波特别微弱，不适合用于智能穿戴产品设备中检测。
运动监测功能和睡眠监测功能通常包括加速度传感器及该加速度传感器相应的检测电路的设计，加速度传感器响应人体的运动状态过程和睡眠状态过程中由于姿态波动产生加速度信号的变化，检测电路主要对加速度传感器产生的信号进行状态的判定。
人体在运动中无论是行走还是跑步，每个人的姿态和身体运动的幅度都是不相同的，在对于同一个人来说，他行走或者跑步时每一次的加速度值不同，但都是具有准周期性，在不同的运动方向上可以产生相同的基频。
因此，传统智能穿戴产品中的加速度传感器只对于运动状态进行监测，无法区分运动状态与睡眠状态的区别。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单，操作方便的基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法及系统，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：
一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的系统，包括被监测对象，智能穿戴装置安装在背监测对象上，且该智能穿戴装置通过无线连接方式与客户端连接，其中智能穿戴装置包括加速度传感器、数据预处理模块、监测模块、数据存数模块和无线通信传输模块，且该加速度传感器与被监测对象的输出端连接，该无线通信传输模块与客户端的输入端连接，而加速度传感器、数据预处理模块、监测模块、数据存数模块和无线通信传输模块彼此依次连接。
前述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的系统中，所述监测模块包括睡眠监测模块和运动监测模块。
前述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的系统中，所述客户端包括手机端或平板电脑端。
一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法，该方法通过三轴运动传感器获取被监测对象在运动和睡眠状态下人体的运动信号，并将其进行小波变换滤波和数据处理，通过无线通信传输方式将处理后的数据传输出给客户端，客户端通过无线传输的方式进行接收数据，且该后台服务器采用C/S和B/S混合结构对数据进行分析处理。
前述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法中，具体步骤如下：
步骤一、数据采集；采用三轴运动传感器获取被监测对象的三维运动加速度数据，该加速度数据主要采集的是X、Y、Z轴三个方向上的原始加速度值，三轴传感器所测量的三轴方向的加速度值进行综合计算，单轴的加速度值不能直接提供计算此时人体的运动信息和睡眠信息；
步骤二、数据预处理；将被监测对象的数据进行误差校正、数据滤波和数据处理，所述的数据滤波，主要应用小波变换滤波，主要在 傅里叶变换的基础上，同时由母小波和父小波共同组成，其母小波作为平移变量，会随着小波变换所选取的基base进行周期性的变换，其父小波作为尺度函数；
步骤三、运动监测；根据被监测对象运动行走时的姿势不同，摆臂幅值不同，在控制处理装置中对动态阀值进行计算A＝0.5*(Amax+Amin)，设定相关运动范围[Amax，A]或[A,Amin]，与人体运动频谱进行对比，条件符合时，计步加1，反之，继续计算人体加速度值；
步骤四、睡眠监测；将人体睡眠分为深度睡眠和浅度睡眠，浅度睡眠时对其相应的抖动情况进行计时监测；当人体处于深度睡眠时，人体各部位的肌肉和大脑组织都达到放松状态，不会出现身体抖动的情况，并对其相应的情况进行计时监测。
步骤五、无线通信数据传输；将步骤三或步骤四中的数据通过传感网络、网关和公共网络传输至客户端，完成对数据的采集和存储，通信过程采用了OSAL操作系统。
前述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法中，所述三轴运动传感器选择模式分为将人体数据进行运动监测和睡眠监测。
前述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法中，步骤二中具体处理方法是采用小波变换滤波的方式；为了数据的准确性，去除重力加速度的影响，还采用了时域和频域共同滤波，将三维空间中的X、Y、Z三轴投射到水平坐标系上，得到相应的加速度数值，通过小波变换滤波将数据信号进行滤波，便得到ADXL345三轴加速度在水平面上的加速度数值。
前述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法中，步骤三中采取人体加速度值若连续出现2秒的数据时，步与步之间的时间间隔不超过3秒，进入运动检测模式，根据使用者的动态阀值范围的确定，将人体运动阀值与其进行比较，当在此[Amax，A]或[A,Amin]范围时，进行计步加1的步数处理，不在范围内，把人体运动信号当成突发信号处理。
前述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法中，OSAL操作系统为蓝牙通信提供了硬件抽象层，为了方便调用外设接口，可以通过外用接口书写驱动程序，这样可以省下基本的配置工作。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明结构简单，操作方便，实用性强。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是本发明的流程示意图；
附图3是本发明中夹持机构的结构示意图。
具体实施方式
本发明的实施例：
一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法，如附图所示，该方法通过三轴运动传感器获取被监测对象在运动和睡眠状态下人体的运动信号，并将其进行小波变换滤波和数据处理，通过无线通信传输方式将处理后的数据传输出给客户端，客户端通过无线传输的方式进行接收数据，且该后台服务器采用C/S和B/S混合结构对数据进行分析处理。
其中具体步骤如下：
步骤一、数据采集；采用三轴运动传感器获取被监测对象的三维运动加速度数据，该加速度数据主要采集的是X、Y、Z轴三个方向上的原始加速度值；
步骤二、数据预处理；将被监测对象的数据进行误差校正、数据滤波和数据处理；
步骤三、运动监测；根据被监测对象运动行走时的姿势不同，摆臂幅值不同，在控制处理装置中对动态阀值进行计算A＝0.5*(Amax+Amin)，设定相关运动范围[Amax，A]或[A,Amin]，与人体运动频谱进行对比，条件符合时，计步加1，反之，继续计算人体加 速度值；
步骤四、睡眠监测；将人体睡眠分为深度睡眠和浅度睡眠，浅度睡眠时对其相应的抖动情况进行计时监测；当人体处于深度睡眠时，人体各部位的肌肉和大脑组织都达到放松状态，不会出现身体抖动的情况，并对其相应的情况进行计时监测。
步骤五、无线通信数据传输；将步骤三或步骤四中的数据通过传感网络、网关和公共网络传输至客户端，完成对数据的采集和存储，通信过程采用了OSAL操作系统。
其中该三轴运动传感器选择模式分为将人体数据进行运动监测和睡眠监测；步骤二中具体处理方法是采用小波变换滤波的方式；为了数据的准确性，去除重力加速度的影响，还采用了时域和频域共同滤波，将三维空间中的X、Y、Z三轴投射到水平坐标系上，得到相应的加速度数值，通过小波变换滤波将数据信号进行滤波，便得到ADXL345三轴加速度在水平面上的加速度数值；步骤三中采取人体加速度值若连续出现2秒的数据时，步与步之间的时间间隔不超过3秒，进入运动检测模式，根据使用者的动态阀值范围的确定，将人体运动阀值与其进行比较，当在此[Amax，A]或[A,Amin]范围时，进行计步加1的步数处理，不在范围内，把人体运动信号当成突发信号处理；OSAL操作系统为蓝牙通信提供了硬件抽象层，为了方便调用外设接口，可以通过外用接口书写驱动程序，这样可以省下基本的配置工作。
根据上述方法所构建的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的系统，如附图所示，包括被监测对象1，智能穿戴装置安装在背监测对象1上，且该智能穿戴装置通过无线连接方式与客户端2连接， 其中智能穿戴装置包括加速度传感器3、数据预处理模块4、监测模块9、数据存数模块5和无线通信传输模块6，且该加速度传感器3与被监测对象1的输出端连接，该无线通信传输模块6与客户端的输入端连接，而加速度传感器3、数据预处理模块4、监测模块9、数据存数模块5和无线通信传输模块6彼此依次连接，该监测模块9包括睡眠监测模块7和运动监测模块8，该客户端包括手机端或平板电脑端。
优选的，三轴运动加速度传感器为ADXL345；控制预处理器装置为STM32C8T6；数据存储模块为MC9S12UF32；电源模块为STC4054；无线通信传输为蓝牙模块CC2540；客户端包括手机端、电脑端等，该三轴加速度数据采集、小波变换滤波、运动频率设定、计步监测、睡眠监测和无线通信传输；其中，三轴加速度传感器主要是对人体运动数据进行采集，根据人体三维运动空间，分别对X、Y和Z三个轴同步采集；小波变换滤波根据采集的人体运动信号，将其信号在时域和频域间离散化数据滤波；运动频率设定根据人行走的最大速度和最小速度设定的基本频率，可以将突发性信号进行排除；计步监测和睡眠监测对于人体生理数据进行数据算法处理得出此时可观的人体生理数据；无线通信传输将此时处理后数据传输给客户端，三轴运动加速度传感器运动模式和睡眠模式是具有模式选择的，在系统中进行二选一的模式确定，睡眠监测和运动监测装置为三轴传感器进行数据监测，系统整体一体化，各部件不需要数据线进行连接，传感器加控制处理装置一体式连接，当系统在计步监测模式中将对人 体行走步数进行监测，若由计步监测模式切换到睡眠模式时，对于人体睡眠进行监测，分为浅度睡眠和深度睡眠两大类，无线通信模块为蓝牙模块CC2540，在数据传输时，提供蓝牙技术的模块，将802.11b与蓝牙技术结合在一起的解决无线远程传输，为智能穿戴设备提供了体积小和低功耗的优点，大大简化了安装要求，同时解决了在智能穿戴技术中现有技术，将数据发送到远程客户端上的复杂性和限制性。
上述方案的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用的发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施方案做出各种修改，因此，本发明不限于上述实方案，本领域技术人员根据本发明的方法，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的系统，包括被监测对象(1)，其特征在于:智能穿戴装置安装在背监测对象(1)上，且该智能穿戴装置通过无线连接方式与客户端(2)连接，其中智能穿戴装置包括加速度传感器(3)、数据预处理模块(4)、监测模块(9)、数据存数模块(5)和无线通信传输模块(6)，且该加速度传感器(3)与被监测对象(1)的输出端连接，该无线通信传输模块(6)与客户端的输入端连接，而加速度传感器(3)、数据预处理模块(4)、监测模块(9)、数据存数模块(5)和无线通信传输模块(6)彼此依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的系统，其特征在于：所述监测模块(9)包括睡眠监测模块(7)和运动监测模块(8)。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的系统，其特征在于：所述客户端包括手机端或平板电脑端。
4.一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法，其特征在于：该方法通过三轴运动传感器获取被监测对象在运动和睡眠状态下人体的运动信号，并将其进行小波变换滤波和数据处理，通过无线通信传输方式将处理后的数据传输出给客户端，客户端通过无线传输的方式进行接收数据，且该后台服务器采用C/S和B/S混合结构对数据进行分析处理。
5.根据权利要求4所述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、数据采集；采用三轴运动传感器获取被监测对象的三维运动加速度数据，该加速度数据主要采集的是X、Y、Z轴三个方向上的原始加速度值；
步骤二、数据预处理；将被监测对象的数据进行误差校正、数据滤波和数据处理；
步骤三、运动监测；根据被监测对象运动行走时的姿势不同，摆臂幅值不同，在控制处理装置中对动态阀值进行计算A＝0.5*(Amax+Amin)，设定相关运动范围[Amax，A]或[A,Amin]，与人体运动频谱进行对比，条件符合时，计步加1，反之，继续计算人体加速度值；
步骤四、睡眠监测；将人体睡眠分为深度睡眠和浅度睡眠，浅度睡眠时对其相应的抖动情况进行计时监测；当人体处于深度睡眠时，人体各部位的肌肉和大脑组织都达到放松状态，不会出现身体抖动的情况，并对其相应的情况进行计时监测。
步骤五、无线通信数据传输；将步骤三或步骤四中的数据通过传感网络、网关和公共网络传输至客户端，完成对数据的采集和存储，通信过程采用了OSAL操作系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法，其特征在于：所述三轴运动传感器选择模式分为将人体数据进行运动监测和睡眠监测。
7.根据权利要求5所述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法，其特征在于：步骤二中具体处理方法是采用小波变换滤波的方式；为了数据的准确性，去除重力加速度的影响，还采用了时域和频域共同滤波，将三维空间中的X、Y、Z三轴投射到水平坐标系上，得到相应的加速度数值，通过小波变换滤波将数据信号进行滤波，便得到ADXL345三轴加速度在水平面上的加速度数值。
8.根据权利要求5所述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法，其特征在于：步骤三中采取人体加速度值若连续出现2秒的数据时，步与步之间的时间间隔不超过3秒，进入运动检测模式，根据使用者的动态阀值范围的确定，将人体运动阀值与其进行比较，当在此[Amax，A]或[A,Amin]范围时，进行计步加1的步数处理，不在范围内，把人体运动信号当成突发信号处理。
9.根据权利要求5所述的一种基于智能穿戴设备的运动与睡眠监测的方法，其特征在于：OSAL操作系统为蓝牙通信提供了硬件抽象层，为了方便调用外设接口，可以通过外用接口书写驱动程序，这样可以省下基本的配置工作。
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