CN108814566A - 智能便携式人体体征传感器 - Google Patents

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CN108814566A CN201810301849.0A CN201810301849A CN108814566A CN 108814566 A CN108814566 A CN 108814566A CN 201810301849 A CN201810301849 A CN 201810301849A CN 108814566 A CN108814566 A CN 108814566A
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桑胜波
陈杰
张博
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吕立程
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Abstract

本发明智能便携式人体体征传感器，属于智能便携式人体体征传感器技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种测量速度快，精度高，便于携带和使用的智能便携式人体体征传感器，可以对人体体温、心率、血氧、血压、脉搏波、心电图等数据进行测量；解决该技术问题采用的技术方案为：包括壳体，所述壳体为柱体结构，所述壳体的柱面设置有LED指示灯，所述壳体的底部设置有体征传感器；所述壳体的内部设置有中央控制器、数据存储模块、无线通信模块和蓄电池，所述中央控制器通过导线分别与LED指示灯、体征传感器、数据存储模块、无线通信模块、蓄电池相连；本发明应用于体征数据检测。

Description

智能便携式人体体征传感器
技术领域
本发明智能便携式人体体征传感器，属于智能便携式人体体征传感器技术领域。
背景技术
体征传感器指的是能测量人体各项生命体征参数的传感器，目前测量的参数类型包括人体体温、血氧浓度、心率值、舒张压、收缩压、模拟心电图、脉搏波形图等信息；常用的电子式心率血氧传感器都是光学传感器，其原理大都采用光电容积脉搏波描记法PPG，目前市面上使用的血压测试仪，采用无创测血压的方法分为柯氏音法和示波法，都需要通过袖带测量，难以达到携带方便和实时测量的效果。
目前使用的便携式电子心率血氧传感器，当LED光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号，通过光电容积脉搏波描记法PPG所测得的PPG信号经过滤波处理，通过时域分析计算出心率值、通过频域分析获得血氧含量值，但是目前很难通过PPG信号建立与血压直接的转换关系，所以很难用光学传感器测量血压值。另外一种红外式体温传感器，所测得的体温温度值与传感器和皮肤表面的距离有关，红外传感器与测量环境光的强度有关，受环境因素影响较大，所测体温数据精度较差。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种测量速度快，精度高，便于携带和使用的智能便携式人体体征传感器，可以对人体体温、心率、血氧、血压、脉搏波、心电图等数据进行测量；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：智能便携式人体体征传感器，包括壳体，所述壳体为柱体结构，所述壳体的柱面设置有LED指示灯，所述壳体的底部设置有体征传感器；
所述壳体的内部设置有中央控制器、数据存储模块、无线通信模块和蓄电池，所述中央控制器通过导线分别与LED指示灯、体征传感器、数据存储模块、无线通信模块、蓄电池相连；
所述中央控制器使用的芯片为控制芯片U1，所述体征传感器使用的芯片为体征模拟前端芯片U2；
所述中央控制器的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚串接电容C3后接地；
所述控制芯片U1的2脚并接晶振Y1的一端后与电容C4的一端相连，所述控制芯片U1的3脚并接晶振Y1的另一端后与电容C5的一端相连，所述电容C4的另一端并接电容C5的另一端后接地；
所述控制芯片U1的8脚与体征模拟前端芯片U2的24脚相连；
所述控制芯片U1的13脚并接电容C6的一端后接VCC输入电源，所述电容C6的另一端接地；
所述控制芯片U1的16脚与体征模拟前端芯片U2的31脚相连；
所述控制芯片U1的17脚与体征模拟前端芯片U2的30脚相连；
所述控制芯片U1的18脚与体征模拟前端芯片U2的29脚相连；
所述控制芯片U1的19脚与体征模拟前端芯片U2的28脚相连；
所述控制芯片U1的30脚并接电容C10的一端后与电阻R7的一端相连；
所述控制芯片U1的31脚并接电容C10的另一端后接地；
所述控制芯片U1的32脚与电容C11的一端相连，所述控制芯片U1的33脚与电容C12的一端相连，所述电容C11的另一端并接电容C12的另一端后接地；
所述控制芯片U1的34脚并接晶振Y2的一端后与电容C13的一端相连，所述控制芯片U1的35脚并接晶振Y2的另一端后与电容C14的一端相连，所述电容C13的另一端并接电容C14的另一端后接地；
所述控制芯片U1的36脚并接电容C15的一端后接VCC输入电源，所述电容C15的另一端接地。
所述体征传感器的电路结构为：
所述体征模拟前端芯片U2的1脚并接电阻R13的一端、电阻R4的一端后与3.3V输入电源相连；
所述体征模拟前端芯片U2的2脚与电阻R13的另一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的4脚与电阻R15的一端相连，所述体征模拟前端芯片U2的7脚与电阻R14的一端相连，所述电阻R15的另一端并接电阻R14的另一端后接地；
所述体征模拟前端芯片U2的9脚并接电容C9的一端后与电阻R12的一端相连，所述电容C9的另一端接地，所述电阻R12的另一端接3.3V输入电源；
所述体征模拟前端芯片U2的11脚并接芯片U2的19脚后与电阻R11的一端相连，所述电阻R11的另一端接地；
所述体征模拟前端芯片U2的17脚与电阻R10的一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的20脚并接电阻R10的另一端后与3.3V输入电源相连；
所述体征模拟前端芯片U2的25脚与电阻R4的另一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的27脚串接电阻R5后接地。
所述蓄电池接入供电充电装置，所述供电充电装置的电路结构为：
所述供电充电装置使用的芯片为供电充电芯片U3；
所述供电充电芯片U3的1脚接地；
所述供电充电芯片U3的2脚串接电阻R1后接地；
所述供电充电芯片U3的3脚接地；
所述供电充电芯片U3的4脚并接有极电容C7的正极后与5V输入电源相连，所述有极电容C7的负极接地；
所述供电充电芯片U3的5脚并接有极电容C8的正极后与蓄电池（7）相连，所述有极电容C8的负极接地；
所述供电充电芯片U3的6脚串接电阻R3、发光二极管D3后接5V输入电源；
所述供电充电芯片U3的7脚串接电阻R2、发光二极管D2后接5V输入电源；
所述供电充电芯片U3的8脚接USB接口。
所述LED指示灯设置在灯罩中，所述灯罩为月牙形结构，包覆在壳体的柱面上。
所述蓄电池的规格为4.2V可充电蓄电池。
所述接触式光学体征传感器的厚度为1mm。
所述控制芯片U1的型号为NRF52832；所述供电充电芯片U3的型号为TP4056。
本发明与现有技术相比具备的效益效果是：本发明提供的体征传感器可以实现对人体体征数据测量的一体化，将光学传感器与半导体热学传感器进行结合，有效解决目前对多类生命体征数据的测量所用的都是光学传感器，而光学传感器检测功能不齐全的问题；本发明提供的光学传感器配合生物模拟前端检测芯片可以提取人体手腕与人体指尖的脉搏波形，通过辨认脉搏波形的特征点，对获取特征点与血压值进行回归分析，建立估测血压的回归方程、得到舒张压和收缩压，通过对原始脉搏波形进行滤波放大并提取心率、血氧与心电信号数据，检测速度快，检测精度高；同时通过底层蓝牙协议，可以将检测数据上传至手持终端或监控计算机，终端将数据进行解码后将得到各个体征数据以及图形，使用方便。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电路结构示意图；
图3为本发明中央控制器的电路图；
图4为本发明体征传感器的电路图；
图5为本发明供电充电装置的电路图；
图中：1为壳体、2为LED指示灯、3为体征传感器、4为中央控制器、5为数据存储模块、6为无线通信模块、7为蓄电池。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明智能便携式人体体征传感器，包括壳体1，所述壳体1为柱体结构，所述壳体1的柱面设置有LED指示灯2，所述壳体1的底部设置有体征传感器3；
所述壳体1的内部设置有中央控制器4、数据存储模块5、无线通信模块6和蓄电池7，所述中央控制器4通过导线分别与LED指示灯2、体征传感器3、数据存储模块5、无线通信模块6、蓄电池7相连；
所述中央控制器4使用的芯片为控制芯片U1，所述体征传感器3使用的芯片为体征模拟前端芯片U2；
所述中央控制器4的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚串接电容C3后接地；
所述控制芯片U1的2脚并接晶振Y1的一端后与电容C4的一端相连，所述控制芯片U1的3脚并接晶振Y1的另一端后与电容C5的一端相连，所述电容C4的另一端并接电容C5的另一端后接地；
所述控制芯片U1的8脚与体征模拟前端芯片U2的24脚相连；
所述控制芯片U1的13脚并接电容C6的一端后接VCC输入电源，所述电容C6的另一端接地；
所述控制芯片U1的16脚与体征模拟前端芯片U2的31脚相连；
所述控制芯片U1的17脚与体征模拟前端芯片U2的30脚相连；
所述控制芯片U1的18脚与体征模拟前端芯片U2的29脚相连；
所述控制芯片U1的19脚与体征模拟前端芯片U2的28脚相连；
所述控制芯片U1的30脚并接电容C10的一端后与电阻R7的一端相连；
所述控制芯片U1的31脚并接电容C10的另一端后接地；
所述控制芯片U1的32脚与电容C11的一端相连，所述控制芯片U1的33脚与电容C12的一端相连，所述电容C11的另一端并接电容C12的另一端后接地；
所述控制芯片U1的34脚并接晶振Y2的一端后与电容C13的一端相连，所述控制芯片U1的35脚并接晶振Y2的另一端后与电容C14的一端相连，所述电容C13的另一端并接电容C14的另一端后接地；
所述控制芯片U1的36脚并接电容C15的一端后接VCC输入电源，所述电容C15的另一端接地。
所述体征传感器3的电路结构为：
所述体征模拟前端芯片U2的1脚并接电阻R13的一端、电阻R4的一端后与3.3V输入电源相连；
所述体征模拟前端芯片U2的2脚与电阻R13的另一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的4脚与电阻R15的一端相连，所述体征模拟前端芯片U2的7脚与电阻R14的一端相连，所述电阻R15的另一端并接电阻R14的另一端后接地；
所述体征模拟前端芯片U2的9脚并接电容C9的一端后与电阻R12的一端相连，所述电容C9的另一端接地，所述电阻R12的另一端接3.3V输入电源；
所述体征模拟前端芯片U2的11脚并接芯片U2的19脚后与电阻R11的一端相连，所述电阻R11的另一端接地；
所述体征模拟前端芯片U2的17脚与电阻R10的一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的20脚并接电阻R10的另一端后与3.3V输入电源相连；
所述体征模拟前端芯片U2的25脚与电阻R4的另一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的27脚串接电阻R5后接地。
所述蓄电池7接入供电充电装置，所述供电充电装置的电路结构为：
所述供电充电装置使用的芯片为供电充电芯片U3；
所述供电充电芯片U3的1脚接地；
所述供电充电芯片U3的2脚串接电阻R1后接地；
所述供电充电芯片U3的3脚接地；
所述供电充电芯片U3的4脚并接有极电容C7的正极后与5V输入电源相连，所述有极电容C7的负极接地；
所述供电充电芯片U3的5脚并接有极电容C8的正极后与蓄电池7相连，所述有极电容C8的负极接地；
所述供电充电芯片U3的6脚串接电阻R3、发光二极管D3后接5V输入电源；
所述供电充电芯片U3的7脚串接电阻R2、发光二极管D2后接5V输入电源；
所述供电充电芯片U3的8脚接USB接口。
所述LED指示灯2设置在灯罩中，所述灯罩为月牙形结构，包覆在壳体1的柱面上。
所述蓄电池7的规格为4.2V可充电蓄电池。
所述接触式光学体征传感器5的厚度为1mm。
所述控制芯片U1的型号为NRF52832；所述供电充电芯片U3的型号为TP4056。
本发明通过设置热电偶材料与体征传感器3，可以做到接触式测量体温，提高了测量精度；其中体温数据的获得是通过热电偶材料采集获得，温度的变化会引起热电偶阻值的变化，从而引起电压的变化，通过电阻阻值的变换区域得到对应的温度值；所述体征传感器3内部设置的环绕式光敏LED二极管可以使发射光源被最大程度的吸收，外加中央控制器4的滤波、去直流、放大处理，并根据脉搏波形特征点与血压建立的回归方程，得到血压值，脉搏波形、心电数据，并将测量处理的数据通过无线通信模块6实时发送；本发明的一体化传感器设计解决了对人体各项基本体征数据检测的问题，弥补了目前市场上该类传感器的空白。
为方便体征传感器的使用，在所述壳体1的侧壁上还设置有传感器开关按钮和USB口，所述USB口与供电充电装置相连，其作用是可以给蓄电池7充电，也可以外接供电电源；所述LED指示灯2为平面月牙形LED灯，分为左右2部分，分别与中央控制器4连接，一边为电源指示灯，一边为传感器使用指示灯；使用时通过操作按钮开关可控制传感器是否运行，左边按钮为电源开关，电源开关开启时左半部分的LED发出蓝光表示传感器正常供电，右边按钮为传感器工作按钮，按钮按下后右半部分LED发出绿光，表示传感器正在采集数据，传感器底部的体征传感器3发出LED绿光，采集各项人体体征，测量体征时需要将体征传感器紧贴人体皮肤表面，防止传感器光源散失。
其中体征传感器3的设计方案集成了1.5mm*1.5mm正方形热电偶材料与4个梯形绿色LED光敏二极管构成，其厚度为1mm，4组梯形光敏二极管的设计能使发射光源被血液充分吸收，光源利用率最大，体征传感器传回的数据通过主电路滤波，在控制芯片U1内部处理采集的体征数据，并将计算得出的血压、心率、血氧、心电、脉搏波等数据通过无线通信模块6实时上传至监控终端。
在中央控制器电路中，所述控制芯片U1的1脚接电容C3的一端，电容C3的另一端接地，其作用为滤波；控制芯片U1的2、3脚分别接电容C4、C5的一端，另一端接地，且在2、3号引脚之间并联一个30MHZ规格的晶振Y1，其作用是为控制芯片U1提供原始的时钟频率；所述控制芯片U1的8脚接体征模拟前端芯片U2的24脚，此IO口是温度数据传输引脚，所述体征传感器3测量体温所用的是单线数据传输模式，控制芯片U1的8脚负责体温数据的接收与转换；所述控制芯片U1的16、17引脚分别接体征模拟前端芯片U2的31、30引脚，其作用是PPG、ECG数据的传输、其传输协议为IIC；所述控制芯片U1的18、19引脚分别接体征模拟前端芯片U2的29、28引脚，作用是通过串口传输心率、血压、血氧的数据值；所述控制芯片U1的23号引脚为芯片的片选端；所述控制芯片U1的30引脚接电阻R7，电阻R7的另一端接射频天线，其作用为底层蓝牙协议发送广播信号，电阻R7的作用是防止电流过大；
控制芯片U1的34、35引脚分别接电容C13、C14的一端，另一端接地，控制芯片U1的34、35脚之间串联一个30MHZ晶振Y2，其作用是为控制芯片U1的RTC部分提供原始的时钟频率信号；控制芯片U1的13、36、48引脚为控制芯片U1为供电引脚，接供电充电装置的电源VCC。
所述体征模拟前端芯片U2的1号引脚为芯片的供电引脚，体征模拟前端芯片U2的2、9、17、25引脚为4组LED的正极引脚，引脚的一端接1K欧的保护电阻，电阻的另一端接3.3V供电电源；体征模拟前端芯片U2的4、11、19、27引脚为4组LED灯的负极驱动引脚，通过接保护电阻接地；所述体征模拟前端芯片U2的31、30、29、28引脚为传感器信号输出引脚，将采集的各项体征数据进行输出；
所述供电充电芯片U3的4号引脚为芯片输入电压正端接USB-5V给充电芯片供电，只有此引脚电压大于BAT电压100mV时才会开始充电，4号引脚的一端接弹性电容C7的正极，电容C7的负极接地，其作用是存储电荷；所述供电充电芯片U3的8号引脚为芯片的使能端，接5V输入电源，高电平时驱动芯片使能；芯片的6、7引脚接1K欧电阻接二极管，另一端接5V电压，6号引脚接充电完成指示灯D3，7号引脚接充电状态指示灯D2；所述供电充电芯片U3的5号引脚为芯片的充电引脚，接4.2V蓄电池的正极，可以给蓄电池充电，5号引脚同时接10uF弹性电容C8的正极，电容C8的负极接地，其作用是存储电荷。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.智能便携式人体体征传感器，其特征在于：包括壳体（1），所述壳体（1）为柱体结构，所述壳体（1）的柱面设置有LED指示灯（2），所述壳体（1）的底部设置有体征传感器（3）；
所述壳体（1）的内部设置有中央控制器（4）、数据存储模块（5）、无线通信模块（6）和蓄电池（7），所述中央控制器（4）通过导线分别与LED指示灯（2）、体征传感器（3）、数据存储模块（5）、无线通信模块（6）、蓄电池（7）相连；
所述中央控制器（4）使用的芯片为控制芯片U1，所述体征传感器（3）使用的芯片为体征模拟前端芯片U2；
所述中央控制器（4）的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚串接电容C3后接地；
所述控制芯片U1的2脚并接晶振Y1的一端后与电容C4的一端相连，所述控制芯片U1的3脚并接晶振Y1的另一端后与电容C5的一端相连，所述电容C4的另一端并接电容C5的另一端后接地；
所述控制芯片U1的8脚与体征模拟前端芯片U2的24脚相连；
所述控制芯片U1的13脚并接电容C6的一端后接VCC输入电源，所述电容C6的另一端接地；
所述控制芯片U1的16脚与体征模拟前端芯片U2的31脚相连；
所述控制芯片U1的17脚与体征模拟前端芯片U2的30脚相连；
所述控制芯片U1的18脚与体征模拟前端芯片U2的29脚相连；
所述控制芯片U1的19脚与体征模拟前端芯片U2的28脚相连；
所述控制芯片U1的30脚并接电容C10的一端后与电阻R7的一端相连；
所述控制芯片U1的31脚并接电容C10的另一端后接地；
所述控制芯片U1的32脚与电容C11的一端相连，所述控制芯片U1的33脚与电容C12的一端相连，所述电容C11的另一端并接电容C12的另一端后接地；
所述控制芯片U1的34脚并接晶振Y2的一端后与电容C13的一端相连，所述控制芯片U1的35脚并接晶振Y2的另一端后与电容C14的一端相连，所述电容C13的另一端并接电容C14的另一端后接地；
所述控制芯片U1的36脚并接电容C15的一端后接VCC输入电源，所述电容C15的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的智能便携式人体体征传感器，其特征在于：所述体征传感器（3）的电路结构为：
所述体征模拟前端芯片U2的1脚并接电阻R13的一端、电阻R4的一端后与3.3V输入电源相连；
所述体征模拟前端芯片U2的2脚与电阻R13的另一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的4脚与电阻R15的一端相连，所述体征模拟前端芯片U2的7脚与电阻R14的一端相连，所述电阻R15的另一端并接电阻R14的另一端后接地；
所述体征模拟前端芯片U2的9脚并接电容C9的一端后与电阻R12的一端相连，所述电容C9的另一端接地，所述电阻R12的另一端接3.3V输入电源；
所述体征模拟前端芯片U2的11脚并接芯片U2的19脚后与电阻R11的一端相连，所述电阻R11的另一端接地；
所述体征模拟前端芯片U2的17脚与电阻R10的一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的20脚并接电阻R10的另一端后与3.3V输入电源相连；
所述体征模拟前端芯片U2的25脚与电阻R4的另一端相连；
所述体征模拟前端芯片U2的27脚串接电阻R5后接地。
3.根据权利要求2所述的智能便携式人体体征传感器，其特征在于：所述蓄电池（7）接入供电充电装置，所述供电充电装置的电路结构为：
所述供电充电装置使用的芯片为供电充电芯片U3；
所述供电充电芯片U3的1脚接地；
所述供电充电芯片U3的2脚串接电阻R1后接地；
所述供电充电芯片U3的3脚接地；
所述供电充电芯片U3的4脚并接有极电容C7的正极后与5V输入电源相连，所述有极电容C7的负极接地；
所述供电充电芯片U3的5脚并接有极电容C8的正极后与蓄电池（7）相连，所述有极电容C8的负极接地；
所述供电充电芯片U3的6脚串接电阻R3、发光二极管D3后接5V输入电源；
所述供电充电芯片U3的7脚串接电阻R2、发光二极管D2后接5V输入电源；
所述供电充电芯片U3的8脚接USB接口。
4.根据权利要求3所述的智能便携式人体体征传感器，其特征在于：所述LED指示灯（2）设置在灯罩中，所述灯罩为月牙形结构，包覆在壳体（1）的柱面上。
5.根据权利要求4所述的智能便携式人体体征传感器，其特征在于：所述蓄电池（7）的规格为4.2V可充电蓄电池。
6.根据权利要求5所述的智能便携式人体体征传感器，其特征在于：所述接触式光学体征传感器（5）的厚度为1mm。
7.根据权利要求6所述的智能便携式人体体征传感器，其特征在于：所述控制芯片U1的型号为NRF52832；所述供电充电芯片U3的型号为TP4056。
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