CN109195282B - 基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，微动敏感坐垫包括设于座椅上的坐垫，设于坐垫中的PVDF膜；还包括与PVDF膜电连接的信号采集处理电路和用于采集敲击信号的声音传感器；信号采集处理电路和声音传感器均与具有A/D转换功能的信号处理芯片电连接；本发明具有用敲击信号和心率变异性控制智能灯发出的管的颜色，为手机及遥控器控制不方便者提供了便利的特点。

Description

基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法
技术领域
本发明涉及灯具控制技术领域，尤其是涉及一种基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法。
背景技术
随着物联网技术的发展，智能家居逐步走进普通家庭。就智能灯而言，现在市场上的智能灯均通过手机APP或遥控器实现灯泡的开关和色彩控制，如果不能熟练操作手机及遥控器，智能灯将蜕变成普通灯，降低了智能灯的体验效果，限制了智能灯的推广使用。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的智能灯操作不便的不足，提供了一种基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，微动敏感坐垫包括设于座椅上的坐垫，设于坐垫中的PVDF膜；还包括与PVDF膜电连接的信号采集处理电路和用于采集敲击信号的声音传感器；信号采集处理电路和声音传感器均与具有A/D转换功能的信号处理芯片电连接；包括如下步骤：
(1-1)人坐在坐垫上，PVDF膜获得人体的体动信号；
(1-2)信号采集处理电路位于坐垫侧面、底部或其它不易被触碰到的位置，信号采集处理电路采集到体动信号的模拟信号；
(1-3)模拟信号经过信号采集处理电路处理后进行了放大，处理后的信号记为：bcg[k]，k＝0，1，2，……，N-1；其中，N为数据的长度；信号采集处理电路将bcg[k]输送到信号处理芯片中，信号处理芯片对bcg[k]进行去均值和归一化处理；
(1-4)声音传感器检测敲击信号，信号处理芯片提取bcg[k]去均值和归一化处理后的信号的Q个RR间期的标准差，用敲击信号和标准差控制智能灯的灯光色彩。
本发明提出的利用人体生物信号(比如呼吸、心率)实现智能灯泡的自动色彩调节技术，可以彻底解放人的双手。
随着传感器技术的进步，使得通过微动敏感压力传感器测量呼吸、心搏和其他身体运动所产生的压力变化成为可能，心率和心率变异性除了可以作为医学指标判断人多的健康状况，进行疾病检测外，对健康人而言，心率和心率变异性则实时反应了当事人的状态，如心态平和、紧张、愤怒等情绪。因此可以根据当事人实时心率变异性改变灯光的颜色。
作为优选，还包括倍率自动调节的步骤：
由于人的体重、呼吸、心跳力度有较大的差异，利用如下公式对信号采集处理电路中的放大电路的放大倍率进行自适应反馈调节：
(2-1)对bcg[k]进行去均值处理，去均值后的信号计算公式如下：
(2-2)求去均值后的信号的均方根包络；
假设计算包络时窗口的长度为W，W为奇数；
(2-2-1)对前(W-1)/2个点，即0≤i≤(W-1)/2时，则均方
根包络按如下公式计算：
(2-2-2)对于最后的(W-1)/2个点，即N-(W-1)/2≤i≤N-1，则均方根包络按如下公式计算：
(2-2-3)对中间的点，即(W-1)/2＜i＜N-(W-1)/2时，则均方根包络按下式计算：
(2-3)计算包络信号均值
如果env_m大于预设门限上限，则表明放大倍率太大，将放大倍率降低为原放大倍率的一半；
如果env_m小于预设门限下限，则表明放大倍率太小，将放大倍率升高为原放大倍率的2倍；
否则，保持现在的放大倍率不变。
作为优选，对bcg[k]进行去均值和归一化处理包括如下步骤：将去均值和归一化的信号分别记为bcg_rm[k]和bcg_nm[k]，其计算方式如下：
bcg_nm[k]＝bcg_rm[k]/std_rm
其中，
作为优选，(1-4)包括如下步骤：
(4-1)设定如下高通滤波器[bh_HP，ah_HP]和低通滤波器[bh_LP，ah_LP]：
[bh_HP，ah_HP]＝butter(5，0.0106667，’high’)；
[bh_LP，ah_LP]＝butter(7，0.05167959)；
其中，5和7分别表示高通滤波器和低通滤波器的阶数，0.0106667为滤波器的通带起始频率，0.05167959为滤波器的阻带起始频率；bh_HP，ah_HP分别为高通滤波器的滑动平均系数和自回归系数，bh_LP，ah_LP分别为低通滤波器滑动平均系数和自回归系数；
(4-2)利用如下公式对bcg[k]去均值和归一化处理后的信号进行正、反双向滤波处理，提取心率信号，实现滤波后信号与原信号的零相移；
tmp＝filtfilt(bh_LP，ah_LP，bcg_nm)
heartsig＝filtfilt(bh_HP，ah_HP，tmp)
其中，tmp为中间变量，heartsig为提取的心率信号；
(4-3)heartsig信号的长度为L秒，heartsig信号至少包含一个完整的间期；
利用如下公式计算heartsig信号的自相关系数：
其中，S＝Fs×L为L秒时间心率信号的点数；τ为取值范围限定在min_interval和max_interval之间的正整数；
min_interval和max_interval计算公式如下：
其中，Min_HeartBeat、Max_HeartBeat为普通人最小和最大心率；
(4-4)在xc[τ]组成的数组xc中找出所有的局部最大值点，对局部最大值点进行排序并保留其中最大的Z个，设定保留下来的局部最大值点在原数组xc中的位置索引为loc[o]，其中，o＝0，1，……，Z-1；
如果只有2个局部最大值点，则计算得到的RR间期为：
如果局部最大值点的点数大于2，则RR间期为：
(4-5)计算最近Q个RR间期的标准差，得到心率变异性SDNN：
其中，(4-6)信号处理芯片中设有与SDNN对应的智能灯颜色，当前声音传感器检测到敲击信号时，信号处理芯片根据SDNN控制智能灯切换成不同的颜色。
作为优选，信号采集处理电路包括依次电连接的第一放大电路、第一陷波电路、第二放大电路和第二陷波电路；PVDF膜的正极、负极和接地端均与第一放大电路电连接，第二陷波电路与信号处理芯片电连接。
作为优选，所述第一放大电路包括接口J4，放大器U5-1，电容C14、电容C12、电容C13、电容C17、电容C18、电容C43、电容C44和电容C15，电阻R23、电阻R17、电阻R18、电阻R42和电阻R27，电容C14两端均与接口J4电连接，电容C12一端分别与电阻R23和电容C14一端电连接，电容C12另一端分别与电阻R23另一端和电阻R28一端电连接，电阻R28另一端分别与电容C18一端、电阻R18一端和放大器U5-1反相输入端电连接，电容C18和电阻R18另一端均与放大器U5-1输出端和电阻R27一端电连接，电容C43和电容C44一端均接地，电容C43和电容C44另一端均接电源VCC-OP，电容C13、电阻R42、电容C17一端均接地，电容C13另一端分别接电源VDD33和电阻R17一端，电阻R17另一端分别与电阻R42另一端、电容C17另一端和放大器U5-1同相输入端电连接。
作为优选，所述第一陷波电路包括电容C28，电容C27，电容C29，电容C30，电容C31，放大器U5-2，电阻R32，电阻R34，电阻R38，电阻R29，电阻R35和电阻R39；电容C28一端与电阻R32一端电连接，电容C28另一端分别与电容C27一端和电阻R38一端电连接，电阻R32另一端分别与电容C29、电容C30和电阻R34一端电连接，电容C29、电容C30和电阻R38另一端均分别与电阻R35和电阻R39一端电连接，电阻R39另一端接地，电阻R35另一端分别与电阻R29一端、放大器U5-2的反相输入端和放大器U5-2的输出端电连接，电阻R34另一端分别与电容C27另一端和放大器U5-2的同相输入端电连接，电阻R29另一端与电容C31一端电连接，电容C31另一端接地。
因此，本发明具有如下有益效果：可以用敲击信号和心率变异性控制智能灯发出的光的颜色，从而使智能灯发能够改善使用者的心情，使用者心情逐渐变得平静、快乐，间接的促进使用者恢复健康，可以提供与心率变异性相对应的多种灯管颜色，用户可以有更好的使用体验；可以彻底解放人的双手，为手机及遥控器控制不方便者提供了便利。
附图说明
图1是本发明的一种流程图；
图2是本发明的信号采集处理电路的第一放大电路的一种电路图；
图3是本发明的第一陷波电路的一种电路图；
图4是本发明的一种原理框图。
图中：信号采集处理电路1、声音传感器2、信号处理芯片3、PVDF膜4、第一放大电路11、第一陷波电路12、第二放大电路13、第二陷波电路14。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1、图4所示的实施例是一种基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，微动敏感坐垫包括设于座椅上的坐垫，设于坐垫中的PVDF膜4；还包括与PVDF膜电连接的信号采集处理电路1和用于采集敲击信号的声音传感器2；信号采集处理电路和声音传感器均与具有A/D转换功能的信号处理芯片3电连接；包括如下步骤：
步骤100，人坐在坐垫上，PVDF膜获得人体的体动信号；
步骤200，信号采集处理电路位于坐垫侧面、底部或其它不易被触碰到的位置，信号采集处理电路采集到体动信号的模拟信号；
步骤300，模拟信号经过信号采集处理电路处理后进行了放大，处理后的信号记为：bcg[k]，k＝0，1，2，……，N-1；其中，N为数据的长度；信号采集处理电路将bcg[k]输送到信号处理芯片中，信号处理芯片对bcg[k]进行去均值和归一化处理；
对bcg[k]进行去均值和归一化处理包括如下步骤：
将去均值和归一化的信号分别记为bcg_rm[k]和bcg_nm[k]，其计算方式如下：
bcg_nm[k]＝bcg_rm[k]/std_rm
其中，
步骤400，声音传感器检测敲击信号，信号处理芯片提取bcg[k]去均值和归一化处理后的信号的Q个RR间期的标准差，用敲击信号和标准差控制智能灯的灯光色彩。
步骤410，设定如下高通滤波器[bh_HP，ah_HP]和低通滤波器[bh_LP，ah_LP]：
[bh_HP，ah_HP]＝butter(5，0.0106667，’high’)；
[bh_LP，ah_LP]＝butter(7，0.05167959)；
其中，5和7分别表示高通滤波器和低通滤波器的阶数，0.0106667为滤波器的通带起始频率，0.05167959为滤波器的阻带起始频率；bh_HP，ah_HP分别为高通滤波器的滑动平均系数和自回归系数，bh_LP，ah_LP分别为低通滤波器滑动平均系数和自回归系数；
步骤420，利用如下公式对bcg[k]去均值和归一化处理后的信号进行正、反双向滤波处理，提取心率信号，实现滤波后信号与原信号的零相移；
tmp＝filtfilt(bh_LP，ah_LP，bcg_nm)
heartsig＝filtfilt(bh_HP，ah_HP，tmp)
其中，tmp为中间变量，heartsig为提取的心率信号；
步骤430，heartsig信号的长度为L秒，heartsig信号至少包含一个完整的间期；
利用如下公式计算heartsig信号的自相关系数：
其中，S＝Fs×L为L秒时间心率信号的点数；τ为取值范围限定在min_interval和max_interval之间的正整数；
min_interval和max_interval计算公式如下：
其中，Min_HeartBeat、Max_HeartBeat为普通人最小和最大心率；
步骤440，在xc[τ]组成的数组xc中找出所有的局部最大值点，对局部最大值点进行排序并保留其中最大的Z个，设定保留下来的局部最大值点在原数组xc中的位置索引为loc[o]，其中，o＝0，1，……，Z-1；
如果只有2个局部最大值点，则计算得到的RR间期为：
如果局部最大值点的点数大于2，则RR间期为：
步骤450，计算最近Q个RR间期的标准差，得到心率变异性SDNN：
其中，
步骤460，如表1所示，信号处理芯片中设有与SDNN对应的智能灯颜色，当前声音传感器检测到敲击信号时，信号处理芯片根据SDNN控制智能灯切换成不同的颜色。
SDNN区间 <100 [100，115) [115，130) [130，150) [150，165) [165，180] >180
颜色索引 0 1 2 3 4 5 6
具体颜色 红色 粉 橘色 黄色 绿色 蓝色 紫色
表1
另外，还包括倍率自动调节的步骤：
由于人的体重、呼吸、心跳力度有较大的差异，利用如下公式对信号采集处理电路中的放大电路的放大倍率进行自适应反馈调节：
(2-1)对bcg[k]进行去均值处理，去均值后的信号计算公式如下：
(2-2)求去均值后的信号的均方根包络；
假设计算包络时窗口的长度为W，W为奇数；
(2-2-1)对前(W-1)/2个点，即0≤i≤(W-1)/2时，则均方根包络按如下公式计算：
(2-2-2)对于最后的(W-1)/2个点，即N-(W-1)/2≤i≤N-1，
则均方根包络按如下公式计算：
(2-2-3)对中间的点，即(W-1)/2＜i＜N-(W-1)/2时，则均方根包络按下式计算：
(2-3)计算包络信号均值
如果env_m大于预设门限上限，则表明放大倍率太大，将放大倍率降低为原放大倍率的一半；
如果env_m小于预设门限下限，则表明放大倍率太小，将放大倍率升高为原放大倍率的2倍；
否则，保持现在的放大倍率不变。
如图4所示，信号采集处理电路包括依次电连接的第一放大电路11、第一陷波电路12、第二放大电路13和第二陷波电路14；PVDF膜的正极、负极和接地端均与第一放大电路电连接，第二陷波电路与信号处理芯片电连接。
如图2所示，第一放大电路包括接口J4，放大器U5-1，电容C14、电容C12、电容C13、电容C17、电容C18、电容C43、电容C44和电容C15，电阻R23、电阻R17、电阻R18、电阻R42和电阻R27，电容C14两端均与接口J4电连接，电容C12一端分别与电阻R23和电容C14一端电连接，电容C12另一端分别与电阻R23另一端和电阻R28一端电连接，电阻R28另一端分别与电容C18一端、电阻R18一端和放大器U5-1反相输入端电连接，电容C18和电阻R18另一端均与放大器U5-1输出端和电阻R27一端电连接，电容C43和电容C44一端均接地，电容C43和电容C44另一端均接电源VCC-OP，电容C13、电阻R42、电容C17一端均接地，电容C13另一端分别接电源VDD33和电阻R17一端，电阻R17另一端分别与电阻R42另一端、电容C17另一端和放大器U5-1同相输入端电连接。
如图3所示，第一陷波电路包括电容C28，电容C27，电容C29，电容C30，电容C31，放大器U5-2，电阻R32，电阻R34，电阻R38，电阻R29，电阻R35和电阻R39；电容C28一端与电阻R32一端电连接，电容C28另一端分别与电容C27一端和电阻R38一端电连接，电阻R32另一端分别与电容C29、电容C30和电阻R34一端电连接，电容C29、电容C30和电阻R38另一端均分别与电阻R35和电阻R39一端电连接，电阻R39另一端接地，电阻R35另一端分别与电阻R29一端、放大器U5-2的反相输入端和放大器U5-2的输出端电连接，电阻R34另一端分别与电容C27另一端和放大器U5-2的同相输入端电连接，电阻R29另一端与电容C31一端电连接，电容C31另一端接地。
第二放大电路与第一放大电路的结构相同；第二陷波电路与第一陷波电路的结构相同。信号处理芯片的型号为STM32F103C8T6。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，其特征是，微动敏感坐垫包括设于座椅上的坐垫，设于坐垫中的PVDF膜(4)；还包括与PVDF膜电连接的信号采集处理电路(1)和用于采集敲击信号的声音传感器(2)；信号采集处理电路和声音传感器均与具有A/D转换功能的信号处理芯片(3)电连接；包括如下步骤：
(1-1)人坐在坐垫上，PVDF膜获得人体的体动信号；
(1-2)信号采集处理电路位于坐垫侧面、底部或其它不易被触碰到的位置，信号采集处理电路采集到体动信号的模拟信号；
(1-3)模拟信号经过信号采集处理电路处理后进行了放大，处理后的信号记为：bcg[k]，k＝0，1，2，……，N-1；其中，N为数据的长度；信号采集处理电路将bcg[k]输送到信号处理芯片中，信号处理芯片对bcg[k]进行去均值和归一化处理；
还包括倍率自动调节的步骤：
由于人的体重、呼吸、心跳力度有较大的差异，利用如下公式对信号采集处理电路中的放大电路的放大倍率进行自适应反馈调节：
(1-3-1)对bcg[k]进行去均值处理，去均值后的信号计算公式如下：
(1-3-2)求去均值后的信号的均方根包络；
假设计算包络时窗口的长度为W，W为奇数；
(1-3-2-1)对前(W-1)/2个点，即0≤i≤(W-1)/2时，则均方根包络按如下公式计算：
(1-3-2-2)对于最后的(W-1)/2个点，即N-(W-1)/2≤i≤N-1，
则均方根包络按如下公式计算：
(1-3-2-3)对中间的点，即(W-1)/2＜i＜N-(W-1)/2时，则均方根包络按下式计算：
(1-3-3)计算包络信号均值
如果env_m大于预设门限上限，则表明放大倍率太大，将放大倍率降低为原放大倍率的一半；
如果env_m小于预设门限下限，则表明放大倍率太小，将放大倍率升高为原放大倍率的2倍；
否则，保持现在的放大倍率不变；
(1-4)声音传感器检测敲击信号，信号处理芯片提取bcg[k]去均值和归一化处理后的信号的Q个RR间期的标准差，用敲击信号和标准差控制智能灯的灯光色彩。
2.根据权利要求1所述的基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，其特征是，对bcg[k]进行去均值和归一化处理包括如下步骤：
将去均值和归一化的信号分别记为bcg_rm[k]和bcg_nm[k]，其计算方式如下：
bcg_nm[k]＝bcg_rm[k]/std_rm
其中，
3.根据权利要求1所述的基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，其特征是，(1-4)包括如下步骤：
(1-4-1)设定如下高通滤波器[bh_HP，ah_HP]和低通滤波器[bh_LP，ah_LP]：
[bh_HP，ah_HP]＝butter(5，0.0106667，’high’)；
[bh_LP，ah_LP]＝butter(7，0.05167959)；
其中，5和7分别表示高通滤波器和低通滤波器的阶数，0.0106667为滤波器的通带起始频率，0.05167959为滤波器的阻带起始频率；bh_HP，ah_HP分别为高通滤波器的滑动平均系数和自回归系数，bh_LP，ah_LP分别为低通滤波器滑动平均系数和自回归系数；
(1-4-2)利用如下公式对bcg[k]去均值和归一化处理后的信号进行正、反双向滤波处理，提取心率信号，实现滤波后信号与原信号的零相移；
tmp＝filtfilt(bh_LP，ah_LP，bcg_nm)
heartsig＝filtfilt(bh_HP，ah_HP，tmp)
其中，tmp为中间变量，heartsig为提取的心率信号；
(1-4-3)heartsig信号的长度为L秒，heartsig信号至少包含一个完整的间期；
利用如下公式计算heartsig信号的自相关系数：
其中，S＝Fs×L为L秒时间心率信号的点数；τ为取值范围限定在min_interval和max_interval之间的正整数；
min_interval和max_interval计算公式如下：
其中，Min_HeartBeat、Max_HeartBeat为普通人最小和最大心率；
(1-4-4)在xc[τ]组成的数组xc中找出所有的局部最大值点，对局部最大值点进行排序并保留其中最大的Z个，设定保留下来的局部最大值点在原数组xc中的位置索引为loc[o]，其中，o＝0，1，……，Z-1；
如果只有2个局部最大值点，则计算得到的RR间期为：
如果局部最大值点的点数大于2，则RR间期为：
(1-4-5)计算最近Q个RR间期的标准差，得到心率变异性SDNN：
其中，
(1-4-6)信号处理芯片中设有与SDNN对应的智能灯颜色，当前声音传感器检测到敲击信号时，信号处理芯片根据SDNN控制智能灯切换成不同的颜色。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，其特征是，信号采集处理电路包括依次电连接的第一放大电路(11)、第一陷波电路(12)、第二放大电路(13)和第二陷波电路(14)；PVDF膜的正极、负极和接地端均与第一放大电路电连接，第二陷波电路与信号处理芯片电连接。
5.根据权利要求4所述的基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，其特征是，所述第一放大电路包括接口J4，放大器U5-1，电容C14、电容C12、电容C13、电容C17、电容C18、电容C43、电容C44和电容C15，电阻R23、电阻R17、电阻R18、电阻R42和电阻R27，电容C14两端均与接口J4电连接，电容C12一端分别与电阻R23和电容C14一端电连接，电容C12另一端分别与电阻R23另一端和电阻R28一端电连接，电阻R28另一端分别与电容C18一端、电阻R18一端和放大器U5-1反相输入端电连接，电容C18和电阻R18另一端均与放大器U5-1输出端和电阻R27一端电连接，电容C43和电容C44一端均接地，电容C43和电容C44另一端均接电源VCC-OP，电容C13、电阻R42、电容C17一端均接地，电容C13另一端分别接电源VDD33和电阻R17一端，电阻R17另一端分别与电阻R42另一端、电容C17另一端和放大器U5-1同相输入端电连接。
6.根据权利要求4所述的基于微动敏感坐垫和敲击信号的智能灯色彩控制方法，其特征是，所述第一陷波电路包括电容C28，电容C27，电容C29，电容C30，电容C31，放大器U5-2，电阻R32，电阻R34，电阻R38，电阻R29，电阻R35和电阻R39；电容C28一端与电阻R32一端电连接，电容C28另一端分别与电容C27一端和电阻R38一端电连接，电阻R32另一端分别与电容C29、电容C30和电阻R34一端电连接，电容C29、电容C30和电阻R38另一端均分别与电阻R35和电阻R39一端电连接，电阻R39另一端接地，电阻R35另一端分别与电阻R29一端、放大器U5-2的反相输入端和放大器U5-2的输出端电连接，电阻R34另一端分别与电容C27另一端和放大器U5-2的同相输入端电连接，电阻R29另一端与电容C31一端电连接，电容C31另一端接地。
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