CN109222975A - 一种基于温度传感的呼吸检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于温度传感的呼吸检测方法，包括接收来自手机的开始呼吸检测的命令后，呼吸检测模块控制下臂电阻选择电路使下臂电阻最小；呼吸检测模块采集温度传感器的电压输出，控制下臂电阻选择电路使下臂电阻的阻值增大直至呼吸检测模块采集温度传感器的电压高于预定电压值，并进行初始化；确定采样周期，获取每隔一定采样周期温度传感器的电压输出且进一步转换成温度，并构建与时间相关联的温度曲线；在温度曲线上，根据当前呼吸检测状态检测极值点以及极值点采样时刻前两个采样时刻和后两个采样时刻的温度，进而计算呼吸参数。实施本发明，能够不受人体运动和环境噪声的影响，通过感知鼻子或嘴呼气引起的温度变化来测量出呼吸参数。

Description

一种基于温度传感的呼吸检测方法

技术领域

本发明涉及呼吸检测技术领域，尤其涉及一种基于温度传感的呼吸检测方法。

背景技术

呼吸是一项重要的生命体征，也是反映基础健康状况、运动强度、睡眠质量的一个重要指标。在运动过程中，心率对于运动强度的反映是滞后，而呼吸不仅能够更及时地反映运动强度，还能够用来主动控制运动强度；比如韵律呼吸法提倡在跑步过程中呼吸应与步调一致(三步一吸、两步一呼，或两步一吸、一步一呼)，并通过调整呼吸与步频的比率控制跑步强度与速度；因此运动过程中的呼吸监测不仅有助于运动者及时了解运动强度，更能通过数据分析帮助运动者找出呼吸控制上的不足并加以改进，以提高运动成绩。

近年来随着物联网技术的快速发展，一些设备和方法已被提出用于个人日常的呼吸监测，根据检测部位的不同，这些设备和方法可以分为检测胸腔运动和检测呼吸气流两大类。

基于胸腔运动的呼吸检测方法根据呼吸引起的胸腔位置或者加速度变化测量呼吸频率。利用加速度计、陀螺仪、磁力计检测呼吸时胸腔运动引起的角速度、加速度、地磁场分量变化可以实现呼吸频率的测量，这些方法要求传感器与人体胸腔紧密接触。基于视频的呼吸监测系统通过单目摄像头或TOF深度摄像头记录胸腔的变化并利用图像处理手段获取呼吸数据，然而记录睡眠中的图像数据存在隐私泄露的可能，不可避免会引起被测者的担忧。基于无线射频信号的睡眠监测系统利用呼吸时胸腔运动对信号接收强度、相位、频率的影响从中提取呼吸频率；呼吸时胸腔运动对ZigBee无线传播路径的改变会影响接收信号强度(RSS)，因此可以用来测量呼吸频率；然而RSS并不能区分多条传播路径，其稳定性和可靠性比较有限，相比之下基于OFDM调制的802.11a/g/n无线网卡提供的信道状态信息(Channel State Information，CSI)可以在一定程度上刻画多径传播，其幅度和相位均可用于呼吸和心跳的检测并可获得比RSS更好的效果；此外，超宽带脉冲雷达利用胸腔与心脏运动对接收脉冲延时调制引起的周期变化检测呼吸，连续波多普勒雷达通过检测胸腔运动导致的回波相位变化获得呼吸频率，相比处于2.4GHz拥挤频段的ZigBee和Wifi，工作于更高频率的雷达具备更高的灵敏度和抗干扰性能。上述基于胸腔运动的呼吸检测方法在人体静止或睡眠时均能获得较好的呼吸检测效果，然而由于很难区分胸腔运动和其他人体动作，这类方法在运动或人体有持续动作时很难取得满意的呼吸检测精度。

基于呼吸气流的检测方法利用呼气和吸气引起的声音变化、温度、空气流量测量呼吸频率。基于声音的呼吸检测方法利用靠近鼻子的耳机麦克风采集呼吸的声音并在手机端通过降噪和包络线检测提取呼吸频率，其测量精度受麦克风位置与环境噪声的影响，难以用于嘈杂的室外环境。基于温度的呼吸检测方法和基于空气流量的呼吸检测方法分别利用贴在鼻子下方的NTC热敏电阻和热模式空气流量传感器感知呼吸引起的气流温度变化和气流体积流率变化检测呼吸频率，其精度不受人体运动和环境噪声的影响，但无法用于用嘴呼吸的场合。

综上所述，现有的呼吸检测设备和方法大都是针对人体动作较少的睡眠场景设计的，难以满足运动时的呼吸检测需求。因此，有必要提出一种可同时适用于鼻子和嘴呼吸场合且不受人体运动和环境噪声影响的呼吸检测方法，能够感知鼻子或嘴呼气引起的温度变化来测量出呼吸频率、吸气时长、呼气时长、温差等呼吸参数。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于温度传感的呼吸检测方法，能够不受人体运动和环境噪声的影响，通过感知鼻子或嘴呼气引起的温度变化来测量出呼吸频率、吸气时长、呼气时长、呼吸强度等呼吸参数。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于温度传感的呼吸检测方法，其在安装于口罩上的呼吸检测模块及与所述呼吸检测模块进行通信的手机上实现；所述呼吸检测模块集成在所述口罩的呼吸阀上，包括温度传感器、下臂电阻选择电路、蓝牙SOC芯片、供电电源、充电电路和天线；

所述呼吸检测方法包括以下步骤：

步骤S1、待通过低功耗蓝牙通信方式接收来自所述手机的开始呼吸检测的命令后，所述呼吸检测模块控制所述下臂电阻选择电路使下臂电阻最小并进入步骤S2，否则待机等待所述手机的呼吸检测命令；

步骤S2、采集温度传感器的电压输出，如果采集的电压低于预定电压值时，则控制所述下臂电阻选择电路使下臂电阻的阻值增大一档，等一定时间待所述温度传感器电压稳定后重复步骤S2；如果采集的电压高于所述预定电压值，则初始化当前呼吸检测状态为检测波峰状态，初始化波峰标记状态和波谷标记状态为未标记状态，初始化最高温度、最低温度及极点检测温度阈值，进入步骤S3；其中，所述检测波峰状态为温度极大值；

步骤S3、确定采样周期，获取每隔一定采样周期温度传感器的电压输出并转换成温度，且进一步构建与时间相关联的温度曲线；

步骤S4、在所述温度曲线上，根据当前呼吸检测状态检测极值点以及极值点采样时刻前两个采样时刻和后两个采样时刻的温度，进而计算呼吸参数；

其中，所述呼吸参数具体计算步骤如下：

步骤S4.1、如果波峰标记状态或波谷标记状态为已标记状态，保存温度为极值点后采样时刻的温度，进入步骤S4.2；

步骤S4.2、如果当前呼吸检测状态为检测波峰状态，则进入步骤S4.3；如果当前呼吸检测状态为检测波谷状态，则进入步骤S4.4；

步骤S4.3、如果温度大于保存的最高温度，则保存温度为最高温度，保存前两个采样时刻的温度，并标记波峰标记状态为已标记状态，否则如果最高温度与温度之差大于极点检测阈值，则标记波峰检测状态为已检测状态，保存温度为最低温度并设置呼吸检测状态为检测波谷状态；进入步骤S4.5；

步骤S4.4、如果温度小于保存的最低温度，则保存温度为最低温度，保存前两个采样时刻的温度，并标记波谷标记状态为已标记状态，否则如果温度与最低温度之差大于极值检测阈值，则标记波谷检测状态为已检测状态，保存温度为最高温度并设置呼吸检测状态为检测波峰状态；进入步骤S4.5；

步骤S4.5、如果波峰检测状态为已检测状态且波峰后两个采样时刻的温度已经获得，则利用波峰前两个采样时刻温度、波峰温度、波峰后两个采样时刻温度共5个点以10ms为时间间隔进行插值，获取所有插值温度的最高温度及对应时刻为真正的波峰温度和吸气开始时间，如果之前已经测得一次吸气开始时间，则计算呼吸周期＝当前吸气开始时间-前一次吸气开始时间，计算吸气时长＝呼气开始时间-前一次吸气开始时间，计算呼气时长＝当前吸气开始时间-呼气开始时间，计算呼吸强度＝波峰温度-波谷温度，通过蓝牙通信方式将上述计算的呼吸参数传输至所述手机的APP上显示；

如果波谷检测状态为已检测状态且波谷后两个采样时刻的温度已经获得，则利用波谷前两个采样时刻温度、波谷温度、波谷后两个采样时刻温度共5个点以10ms为时间间隔进行插值，获取所有插值温度的最低温度及对应时刻为真正的波谷温度和呼气开始时间，计算新的极点检测阈值＝0.5*当前极点检测阈值+0.5*(波峰温度-波谷温度)/8。

其中，所述时间间隔进行插值具体计算步骤如下：

设波峰或波谷前两个采样时刻温度、波峰或波谷温度、波峰或波谷后两个采样时刻温度这5个点的时间和温度值分别为t0、t1、t2、t3、t4和T0、T1、T2、T3、T4；设所述呼吸检测模块的采样周期为Ts；

计算a₁＝(-15T₀+34T₁-24T₂+6T₃-T₄)/56，b₁＝(-15T₀+34T₁-24T₂+6T₃-T₄)/28，a₂＝(-13T₀+22T₁-4T₂-6T₃+T₄)/28，b₂＝(-T₀-2T₁+8T₂-6T₃+T₄)/8，a₃＝(T₀-6T₁+8T₂-2T₃-T₄)/8，b₃＝(T₀-6T₁-4T₂+22T₃-13T₄)/28，a₄＝(-T₀+6T₁-24T₂+34T₃-15T₄)/28，b₄＝(-T₀+6T₁-24T₂+34T₃-15T₄)/56；

在[t0,t1)这采样周期为Ts时间范围内，取t＝t0,t0+10ms,…,t1-10ms，利用公式x＝(t-t₀)/T_s，q₁(t)＝(1-x)T₀+xT₁+x(1-x)[a₁(1-x)+b₁x]，计算[t0,t1)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

在[t1,t2)这采样周期为Ts时间范围内，取t＝t1,t1+10ms,…,t2-10ms，利用公式x＝(t-t₁)/T_s，q₂(t)＝(1-x)T₁+xT₂+x(1-x)[a₂(1-x)+b₂x]，计算[t1,t2)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

在[t2,t3)这采样周期为Ts时间范围内，取t＝t2,t2+10ms,…,t3-10ms，利用公式x＝(t-t₂)/T_s，q₃(t)＝(1-x)T₂+xT₃+x(1-x)[a₃(1-x)+b₃x]，计算[t2,t3)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

在[t3,t4]这采样周期为Ts时间范围内，取t＝t3,t3+10ms,…,t4-10ms,t4，利用公式x＝(t-t₃)/T_s，q₄(t)＝(1-x)T₃+xT₄+x(1-x)[a₄(1-x)+b₄x]，计算[t3,t4)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度。

其中，所述采样周期为Ts为210ms；所述初始化的最高温度为0℃，最低温度为50℃，极点检测温度阈值为0.2℃。

其中，所述方法进一步包括：

所述呼吸检测模块通过低功耗蓝牙通信方式接收到来自所述手机的停止呼吸检测的命令，则控制所述下臂电阻选择电路使下臂电阻最大。

其中，所述温度传感器的输出端与所述下臂电阻选择电路的一端及所述蓝牙SOC芯片相连，用于感知呼吸阀上气流的温度变化情况并转换成电压信号；

所述下臂电阻选择电路包括多个下臂电阻，所述多个下臂电阻的一端分别与所述蓝牙SOC芯片单独相连并由所述蓝牙SOC芯片控制导通或关断接地，所述多个下臂电阻的另一端并接在一起后与所述温度传感器相连及所述蓝牙SOC芯片相连；其中，所述下臂电阻选择电路用于接收所述蓝牙SOC芯片给各个下臂电阻注入的电平信号后选择相应下臂电阻，通过调整电阻值来实现对所述温度传感器的电压信号进行分压及调整所述温度传感器的采集精度；

所述供电电源与所述温度传感器、电阻选择电路及蓝牙SOC芯片均相连，用于给所述呼吸检测模块上的各个部件进行供电；

所述充电电路与所述供电电源相连，用于给所述供电电源充电。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明在安装于口罩呼吸阀上的呼吸检测模块实现，能够根据口罩气流通过引起的温度变化情况来构建温度与时间相关联的曲线，并通过曲线上的各极大值点和各极小值点出现的时间和温度来计算出每一次呼吸的参数，使得本发明不仅不受人体运动和环境噪声的影响，还可在用鼻子或嘴呼吸的场合均能实现呼吸参数的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的基于温度传感的呼吸检测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的基于温度传感的呼吸检测方法中呼吸检测模块和手机通信的系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于温度传感的呼吸检测方法中步骤S4.5的插值方法对于波峰(极大值点)检测精度提升效果的示意图；

图4为本发明实施例提供的基于温度传感的呼吸检测方法中步骤S4采集的10次呼吸的温度数据构建的温度曲线图；

图5为本发明实施例提供的基于温度传感的呼吸检测方法中步骤S4.5计算得到的10次呼吸对应的呼吸参数的对比图；

图6为本发明实施例提供的基于温度传感的呼吸检测方法中为步骤S4.5计算得到的呼吸强度的结果示意图；

图7为本发明实施例提供的基于温度传感的呼吸检测方法中为步骤S4.5计算得到的100次呼吸检测的呼吸参数与真实值的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种基于温度传感的呼吸检测方法，其在安装于口罩呼吸阀上的呼吸检测模块及与所述呼吸检测模块进行通信的手机上实现；

如图2所示，呼吸检测模块集成在口罩的呼吸阀上，包括温度传感器2、下臂电阻选择电路3、蓝牙SOC芯片1、供电电源4、充电电路5和天线6；其中，

温度传感器2的输出端与下臂电阻选择电路3的一端及蓝牙SOC芯片1相连，用于感知呼吸阀上气流的温度变化情况并转换成电压信号；

下臂电阻选择电路3包括多个下臂电阻，且多个下臂电阻的一端分别与蓝牙SOC芯片1单独相连并由蓝牙SOC芯片1控制导通接地或关断，多个下臂电阻的另一端并接在一起后与温度传感器2相连及蓝牙SOC芯片1相连；其中，下臂电阻选择电路3用于接收蓝牙SOC芯片1给各个下臂电阻注入的电平信号后选择相应下臂电阻，通过调整电阻值来实现对温度传感器2的电压信号进行分压及调整温度传感器2的采集精度；

蓝牙SOC芯片1还与天线6相连，用于与所述手机的低功耗蓝牙通讯。供电电源4与温度传感器2、电阻选择电路3及蓝牙SOC芯片1均相连，用于给呼吸检测模块上的各个部件进行供电；

充电电路5与供电电源4相连，用于给供电电源4充电。

该呼吸检测方法包括以下步骤：

步骤S1、呼吸检测模块通过低功耗蓝牙通信方式接收来自手机的开始呼吸检测的命令，控制下臂电阻选择电路使下臂电阻最小并进入步骤S2，否则待机(重复步骤S1)等待呼吸检测命令；

步骤S2、呼吸检测模块采集温度传感器的电压输出，如果采集的电压低于0.8V，则控制下臂电阻选择电路使下臂电阻的阻值增大一档，等30ms待温度传感器电压稳定后重复步骤S2；如果采集的电压高于0.8V，初始化当前呼吸检测状态为检测波峰(温度极大值)状态，初始化波峰标记状态和波谷标记状态为未标记状态，初始化最高温度为0℃，最低温度为50℃，初始化极点检测阈值为0.2℃，进入步骤S3；

步骤S3、确定采样周期，获取每隔一定采样周期(采样周期Ts设置为210ms)温度传感器的电压V输出并转换成温度T，且进一步构建与时间相关联的温度曲线；

步骤S4、在温度曲线上，根据当前呼吸检测状态检测极值点以及极值点采样时刻前两个采样时刻和后两个采样时刻的温度，进而计算呼吸参数；

应当说明的是；呼吸检测模块如果通过低功耗蓝牙通信方式接收到来自手机的停止呼吸检测的命令，则控制下臂电阻选择电路使下臂电阻最大并跳出步骤S3的定时采样循环进入步骤S1；

计算呼吸参数的具体步骤如下：

步骤S4.1、如果波峰标记状态或波谷标记状态为已标记状态，保存温度T为极值点后采样时刻的温度，进入步骤S4.2；

步骤S4.2、如果当前呼吸检测状态为检测波峰状态，则进入步骤S4.3；如果当前呼吸检测状态为检测波谷状态，则进入步骤S4.4；

步骤S4.3、如果温度T大于保存的最高温度，则保存温度T为最高温度，保存前两个采样时刻的温度，并标记波峰标记状态为已标记状态，否则如果最高温度与温度T之差大于极点检测阈值，则标记波峰检测状态为已检测状态，保存温度T为最低温度并设置呼吸检测状态为检测波谷状态；进入步骤S4.5；

步骤S4.4、如果温度T小于保存的最低温度，则保存温度T为最低温度，保存前两个采样时刻的温度，并标记波谷标记状态为已标记状态，否则如果温度T与最低温度之差大于极值检测阈值，则标记波谷检测状态为已检测状态，保存温度T为最高温度并设置呼吸检测状态为检测波峰状态；进入步骤S4.5；

步骤S4.5、如果波峰检测状态为已检测状态且波峰后两个采样时刻的温度已经获得，则利用波峰前两个采样时刻温度、波峰温度、波峰后两个采样时刻温度共5个点以10ms为时间间隔进行插值，获取所有插值温度的最高温度及对应时刻为真正的波峰温度和吸气开始时间，如果之前已经测得一次吸气开始时间，则计算呼吸周期＝当前吸气开始时间-前一次吸气开始时间，计算吸气时长＝呼气开始时间-前一次吸气开始时间，计算呼气时长＝当前吸气开始时间-呼气开始时间，计算呼吸强度＝波峰温度-波谷温度，通过蓝牙通信方式将上述计算的呼吸参数传输至手机的APP上显示；

如果波谷检测状态为已检测状态且波谷后两个采样时刻的温度已经获得，则利用波谷前两个采样时刻温度、波谷温度、波谷后两个采样时刻温度共5个点以10ms为时间间隔进行插值，获取所有插值温度的最低温度及对应时刻为真正的波谷温度和呼气开始时间，计算新的极点检测阈值＝0.5*当前极点检测阈值+0.5*(波峰温度-波谷温度)/8。

在步骤S4.5中，设波峰(波谷)前两个采样时刻温度、波峰(波谷)温度、波峰(波谷)后两个采样时刻温度这5个点的时间和温度值分别为t₀、t₁、t₂、t₃、t₄和T₀、T₁、T₂、T₃、T₄，相应的10ms时间间隔插值步骤如下：

步骤S4.5.1、计算a₁＝(-15T₀+34T₁-24T₂+6T₃-T₄)/56，b₁＝(-15T₀+34T₁-24T₂+6T₃-T₄)/28，a₂＝(-13T₀+22T₁-4T₂-6T₃+T₄)/28，b₂＝(-T₀-2T₁+8T₂-6T₃+T₄)/8，a₃＝(T₀-6T₁+8T₂-2T₃-T₄)/8，b₃＝(T₀-6T₁-4T₂+22T₃-13T₄)/28，a₄＝(-T₀+6T₁-24T₂+34T₃-15T₄)/28，b₄＝(-T₀+6T₁-24T₂+34T₃-15T₄)/56；

步骤S4.5.2、在[t0,t1)这210ms时间范围内，取t＝t0,t0+10ms,…,t1-10ms，利用公式x＝(t-t₀)/T_s，q₁(t)＝(1-x)T₀+xT₁+x(1-x)[a₁(1-x)+b₁x]，计算[t0,t1)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

步骤S4.5.3、在[t1,t2)这Ts(本实施例中为210ms)时间范围内，取t＝t1,t1+10ms,…,t2-10ms，利用公式x＝(t-t₁)/T_s，q₂(t)＝(1-x)T₁+xT₂+x(1-x)[a₂(1-x)+b₂x]计算[t1,t2)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

步骤S4.5.4、在[t2,t3)这Ts(本实施例中为210ms)时间范围内，取t＝t2,t2+10ms,…,t3-10ms，利用公式x＝(t-t₂)/T_s，q₃(t)＝(1-x)T₂+xT₃+x(1-x)[a₃(1-x)+b₃x]，计算[t2,t3)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

步骤S4.5.5、在[t3,t4]这Ts(本实施例中为210ms)时间范围内，取t＝t3,t3+10ms,…,t4-10ms,t4，利用公式x＝(t-t₃)/T_s，q₄(t)＝(1-x)T₃+xT₄+x(1-x)[a₄(1-x)+b₄x]，计算[t3,t4)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

具体过程为，在步骤S1中，手机通过低功耗蓝牙通讯方式将控制参数特性值设置为1，即为发送了开始呼吸检测命令；手机通过低功耗蓝牙通讯方式将控制参数特性值设置为0，即为发送了停止呼吸检测命令；

在步骤S2中，温度传感器的电压值由蓝牙SOC芯片集成的10位ADC(模数转换器)采样，采样值为N时对应的电压输出V＝(N/1024)×V_ref，其中参考电压V_ref为1.2伏特。

在步骤S3中，采用步骤S2相同的方法获得温度传感器输出电压V后，对应的温度T＝298.15B/{298.15ln[(V_p-V)R_d/(R₂₅V)]+B}-273.15,其中B为热敏电阻的B值，V_p为温度传感器供电电压(如3V)，R_d为下臂电阻阻值，R₂₅为25℃时热敏电阻的阻值(如47千欧)。

在本发明实施例中，温度传感器2为NTC热敏电阻，且所述NTC热敏电阻的型号为Murata公司的NCP15WL473J03RC，其对应的B值为4485、标称电阻为47KΩ、实测热时间常数为0.27s；蓝牙SOC芯片1的型号为Dialog Semiconductor的DA14580，其在0dBm发射功率下5.1mA的发射电流和4.8mA的接收电流；多个下臂电阻3有六个，分别对应的电阻值为4MΩ、2MΩ、1MΩ、500KΩ、250KΩ和125KΩ；供电电源4采用100mAh锂聚合物可充电电池；充电电路5由BQ21040线性充电IC形成。

如图3所示，给出了步骤S4.5的插值方法对于波峰(极大值点)检测精度提升效果的示意图，直接用采样的温度进行波峰检测的误差为120ms，而经步骤S4.5进行插值后波峰检测的误差降到了20ms，明显提升了波峰的检测精度。

如图4所示，给出了步骤S4采集的10次呼吸的温度数据、利用检测到的极值点与极值点左右各2个点共5个点插值计算的温度数据、以及最终检测到的极大值点和极小值点。

如图5所示，为步骤S4.5计算得到的10次呼吸对应的吸气时长、呼气时长、呼吸周期、呼吸强度这4个呼吸参数，检测到的吸气时长在1.66s-2.65s之间，平均值为2.236s；呼气时长在1.2-2.27s之间，平均值1.466s；呼吸周期在3.42-4.08s之间，平均值3.702s。

如图6所示，为步骤S4.5计算得到的呼吸强度(温差)，呼吸强度在2.05℃-2.81℃之间，平均值为2.437℃，这说明温度传感器对于呼吸气流温度检测的灵敏度较强，有助于提升呼吸检测的精度。

如图7所示，为100次呼吸检测的吸气时长、呼气时长、呼吸周期与真实值之间的绝对误差，吸气时长的绝对误差在0-0.44s之间，平均值为0.1243s；呼气时长的绝对误差在0-0.43s之间，平均值为0.1203s；呼吸周期的绝对误差在0-0.38s之间，平均值为0.1056s；呼吸周期的平均绝对误差占呼吸周期平均值的比例分别为2.85％，显示了较高的检测精度。

应当说明的是，呼吸阀的核心是一单向的膜片，呼气时气流顶开膜片湿气热气可以有效排除，而吸气时膜片闭合，避免吸入未经过滤的空气，因此呼气时安装于气道上的NTC热敏电阻会被加热温度升高，吸气时因为没有其它流过NTC热敏电阻自然冷却。NTC热敏电阻所感知的温度信号经下臂电阻选择电路后转换为电压信号，在每个采样周期，该电压经蓝牙SOC芯片1的ADC转换获得采样结果。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明在安装于口罩上的呼吸检测模块实现，能够根据口罩气流通过时的温度变化情况来构建温度与时间相关联的曲线，并通过曲线上的各极大值点和各极小值点出现的时间和温度来计算出每一分片时刻段内的呼吸参数，使得本发明不仅不受人体运动和环境噪声的影响，还可适用于鼻子或嘴呼吸场合来实现呼吸参数的测量。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于温度传感的呼吸检测方法，其特征在于，其在安装于口罩上的呼吸检测模块及与所述呼吸检测模块进行通信的手机上实现；所述呼吸检测模块集成在所述口罩的呼吸阀上，包括温度传感器、下臂电阻选择电路、蓝牙SOC芯片、供电电源、充电电路和天线；

所述呼吸检测方法包括以下步骤：

步骤S1、待通过低功耗蓝牙通信方式接收来自所述手机的开始呼吸检测的命令后，所述呼吸检测模块控制所述下臂电阻选择电路使下臂电阻最小并进入步骤S2，否则待机等待所述手机的呼吸检测命令；

步骤S2、采集温度传感器的电压输出，如果采集的电压低于预定电压值时，则控制所述下臂电阻选择电路使下臂电阻的阻值增大一档，等一定时间待所述温度传感器电压稳定后重复步骤S2；如果采集的电压高于所述预定电压值，则初始化当前呼吸检测状态为检测波峰状态，初始化波峰标记状态和波谷标记状态为未标记状态，初始化最高温度、最低温度及极点检测温度阈值，进入步骤S3；其中，所述检测波峰状态为温度极大值；

步骤S3、确定采样周期，获取每隔一定采样周期温度传感器的电压输出并转换成温度，且进一步构建与时间相关联的温度曲线；

步骤S4、在所述温度曲线上，根据当前呼吸检测状态检测极值点以及极值点采样时刻前两个采样时刻和后两个采样时刻的温度，进而计算呼吸参数；

其中，所述呼吸参数具体计算步骤如下：

步骤S4.1、如果波峰标记状态或波谷标记状态为已标记状态，保存温度为极值点后采样时刻的温度，进入步骤S4.2；

步骤S4.2、如果当前呼吸检测状态为检测波峰状态，则进入步骤S4.3；如果当前呼吸检测状态为检测波谷状态，则进入步骤S4.4；

步骤S4.3、如果温度大于保存的最高温度，则保存温度为最高温度，保存前两个采样时刻的温度，并标记波峰标记状态为已标记状态，否则如果最高温度与温度之差大于极点检测阈值，则标记波峰检测状态为已检测状态，保存温度为最低温度并设置呼吸检测状态为检测波谷状态；进入步骤S4.5；

步骤S4.4、如果温度小于保存的最低温度，则保存温度为最低温度，保存前两个采样时刻的温度，并标记波谷标记状态为已标记状态，否则如果温度与最低温度之差大于极值检测阈值，则标记波谷检测状态为已检测状态，保存温度为最高温度并设置呼吸检测状态为检测波峰状态；进入步骤S4.5；

步骤S4.5、如果波峰检测状态为已检测状态且波峰后两个采样时刻的温度已经获得，则利用波峰前两个采样时刻温度、波峰温度、波峰后两个采样时刻温度共5个点以10ms为时间间隔进行插值，获取所有插值温度的最高温度及对应时刻为真正的波峰温度和吸气开始时间，如果之前已经测得一次吸气开始时间，则计算呼吸周期＝当前吸气开始时间-前一次吸气开始时间，计算吸气时长＝呼气开始时间-前一次吸气开始时间，计算呼气时长＝当前吸气开始时间-呼气开始时间，计算呼吸强度＝波峰温度-波谷温度，通过蓝牙通信方式将上述计算的呼吸参数传输至所述手机的APP上显示；

如果波谷检测状态为已检测状态且波谷后两个采样时刻的温度已经获得，则利用波谷前两个采样时刻温度、波谷温度、波谷后两个采样时刻温度共5个点以10ms为时间间隔进行插值，获取所有插值温度的最低温度及对应时刻为真正的波谷温度和呼气开始时间，计算新的极点检测阈值＝0.5*当前极点检测阈值+0.5*(波峰温度-波谷温度)/8。

2.如权利要求1所述的基于温度传感的呼吸检测方法，其特征在于，所述时间间隔进行插值具体计算步骤如下：

设波峰或波谷前两个采样时刻温度、波峰或波谷温度、波峰或波谷后两个采样时刻温度这5个点的时间和温度值分别为t0、t1、t2、t3、t4和T0、T1、T2、T3、T4；设所述呼吸检测模块的采样周期为Ts；

计算a₁＝(-15T₀+34T₁-24T₂+6T₃-T₄)/56，b₁＝(-15T₀+34T₁-24T₂+6T₃-T₄)/28，a₂＝(-13T₀+22T₁-4T₂-6T₃+T₄)/28，b₂＝(-T₀-2T₁+8T₂-6T₃+T₄)/8，a₃＝(T₀-6T₁+8T₂-2T₃-T₄)/8，b₃＝(T₀-6T₁-4T₂+22T₃-13T₄)/28，a₄＝(-T₀+6T₁-24T₂+34T₃-15T₄)/28，b₄＝(-T₀+6T₁-24T₂+34T₃-15T₄)/56；

在[t0,t1)这采样周期为Ts时间范围内，取t＝t0,t0+10ms,…,t1-10ms，利用公式x＝(t-t₀)/T_s，q₁(t)＝(1-x)T₀+xT₁+x(1-x)[a₁(1-x)+b₁x]，计算[t0,t1)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

在[t1,t2)这采样周期为Ts时间范围内，取t＝t1,t1+10ms,…,t2-10ms，利用公式x＝(t-t₁)/T_s，q₂(t)＝(1-x)T₁+xT₂+x(1-x)[a₂(1-x)+b₂x]，计算[t1,t2)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

在[t2,t3)这采样周期为Ts时间范围内，取t＝t2,t2+10ms,…,t3-10ms，利用公式x＝(t-t₂)/T_s，q₃(t)＝(1-x)T₂+xT₃+x(1-x)[a₃(1-x)+b₃x]，计算[t2,t3)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度；

在[t3,t4]这采样周期为Ts时间范围内，取t＝t3,t3+10ms,…,t4-10ms,t4，利用公式x＝(t-t₃)/T_s，q₄(t)＝(1-x)T₃+xT₄+x(1-x)[a₄(1-x)+b₄x]，计算[t3,t4)时间范围内每10ms时间间隔的插值温度。

3.如权利要求1所述的基于温度传感的呼吸检测方法，其特征在于，所述采样周期为Ts为210ms；所述初始化的最高温度为0℃，最低温度为50℃，极点检测温度阈值为0.2℃。

4.如权利要求1所述的基于温度传感的呼吸检测方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

所述呼吸检测模块通过低功耗蓝牙通信方式接收到来自所述手机的停止呼吸检测的命令，则停止呼吸检测并控制所述下臂电阻选择电路使下臂电阻最大。

5.如权利要求1所述的基于温度传感的呼吸检测方法，其特征在于，所述温度传感器的输出端与所述下臂电阻选择电路的一端及所述蓝牙SOC芯片相连，用于感知呼吸阀上气流的温度变化情况并转换成电压信号；

所述下臂电阻选择电路包括多个下臂电阻，所述多个下臂电阻的一端分别与所述蓝牙SOC芯片单独相连并由所述蓝牙SOC芯片控制导通或关断接地，所述多个下臂电阻的另一端并接在一起后与所述温度传感器相连及所述蓝牙SOC芯片相连；其中，所述下臂电阻选择电路用于接收所述蓝牙SOC芯片给各个下臂电阻注入的电平信号后选择相应下臂电阻，通过调整电阻值来实现对所述温度传感器的电压信号进行分压及调整所述温度传感器的采集精度；

所述供电电源与所述温度传感器、电阻选择电路及蓝牙SOC芯片均相连，用于给所述呼吸检测模块上的各个部件进行供电；

所述充电电路与所述供电电源相连，用于给所述供电电源充电。