CN109805909B - 一种坐时人体体征测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种坐时人体体征测量系统及方法，包括体征和坐姿采集模块，采集人体原始体征信号和原始坐姿信号；压力采集模块，采集人体在坐时对座椅产生的原始压力信号；运动状态采集模块，采集人体在坐时对座椅产生的原始运动状态信号；主控制模块，接收、处理各模块所采集的上述信号后得到最终的心跳频率、呼吸频率的体征数据和坐姿数据；电源模块，为各模块供电；包括运行于主控制模块内的用以线性转换、信号剥离原始信号的算法。与现有技术相比，本发明能够适用多种不同情况(如人体身体动作、座椅移动、人体体重、座椅座部厚度等)并能准确、实时监测坐时人体体征，获得最优的人体体征数据(心跳频率、呼吸频率)，同时准确获得坐姿数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种人体体征测量技术领域，具体地，涉及一种坐时人体体征测量系统及方法。
背景技术
随着互联网设备和数字医疗产业的到来，健康办公和健康监测已成为大众日益关注的领域，无论是在办公场合还是家庭场合，监控坐时人体生命体征诸如心率、呼吸率已成为市场的强烈需求；在医疗机构外，跟踪生命体征能让个人将他们的健康状况量化和概念化，帮助个人时刻保持关注他们的健康和健康需要及进度、保持实现健康和健身目标所需的动力。
目前市场上存在一些通过不同类型的传感器实现检测坐时人体体征的测量系统，但是此类系统仍存在较多缺陷：首先，当个人坐时产生身体动作、座椅移动等常见情况时不能准确测量人体体征，其次，当座椅采用不同厚度、材质、软硬度时传感器检测到的信号差异较大，此外，当人体体重较轻时难以通过单纯的压力式传感器准确测量到人体体征，人体压力传导到传感器上的压力较弱情况时无法准确的计算测量，进而导致难以准确地检测人体体征信息。
为了有效解决上述技术问题，本发明提出一种能够适用多种不同情况(如人体身体动作、座椅移动、人体体重不同、座椅座部厚度等)并能准确、稳定、实时监测坐时人体体征的测量系统及方法。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种能够适用多种不同情况(如人体身体动作、座椅移动、人体体重不同、座椅座部厚度等)并能准确、稳定、实时监测坐时人体体征的测量系统及方法；具体包括，体征和坐姿采集模块(第一电容传感模块、第二电容传感模块、第三电容传感模块、电容采集模块、信号放大模块)、压力采集模块(光纤感应垫、光纤收发模块、滤波模块)、运动状态采集模块(三轴加速度传感模块)、主控制模块、电源模块、蓝牙无线通讯模块，其中，光纤感应垫置于座椅座部的中间位置处，第一电容传感模块、第二电容传感模块置于光纤感应垫上方的左右两侧，第三电容传感模块置于座椅靠背处，其余的电容采集模块、信号放大模块、光纤收发模块、滤波模块、三轴加速度传感模块、电源装置、主控制模块、蓝牙无线通讯模块集成在位于座椅上的电路板上。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种坐时人体体征测量系统，包括：
体征和坐姿采集模块，连接主控制模块，用以采集人体原始体征信号和原始坐姿信号；
压力采集模块，连接主控制模块，用以采集人体就坐时对座椅产生的原始压力信号；
运动状态采集模块，连接主控制模块，用以采集人体就坐时对座椅产生的原始运动状态信号；
主控制模块，用以接收、处理各模块所采集的原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号后，得到最终的心跳频率、呼吸频率的体征数据和坐姿数据；
电源模块，连接主控制模块，为各模块供电。
本发明通过设置于座椅的体征和坐姿采集模块、压力采集模块、运动状态采集模块得到对应的人体原始体征信号和原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号，并经过主控制模块的处理和运行，获得精准地、更优的人体体征数据(心跳频率数据、呼吸频率数据)，同时该系统能够准确地获得人体的坐姿数据，包括左倾、右倾、前倾、后倾的坐姿情况。
作为优选，所述体征和坐姿采集模块包括第一电容传感模块、第二电容传感模块、电容采集模块及信号放大模块，所述第一电容传感模块的、第二电容传感模块的输出端均依次连接电容采集模块的输入端、信号放大模块的输入端后连接至主控制模块的输入端。
所述第一电容传感模块、第二电容传感模块均包括面积大小可调的呈平面状或类平面状的导电材料，进而可以灵活的根据实际应用中座椅坐垫、海绵的厚度、硬度、面积进行面积调节，在改变第一电容传感模块、第二电容传感模块面积后利用软件算法方式进行灵敏度调节即可；第一电容传感模块、第二电容传感模块所产生对应的电容值为人体原始体征信号和原始坐姿信号的获取提供基础；基于当人体与第一电容传感模块、第二电容传感模块在同等距离下，不同面积的导电材料与人体接近时所产生的电容值不同，当导电材料同等面积下，人体与第一电容传感模块、第二电容传感模块的距离不同所产生的电容值不同，接触面积越大、距离越近所产生的电容值会越大的原理，当人体距离第一电容传感模块、第二电容传感模块有细微变化时便会产生细微的电容值变化，电容采集模块将连续的不同电容值转换为连续的数字信号，经信号放大模块放大后采集到连续的原始体征信号，由此最终能够更准确、精确地获得体征数据。
作为优选，当人体就坐时，人体坐部与第一电容传感模块之间的距离变化、与第二电容传感模块之间的距离变化会对应产生连续的不同电容值，所述电容采集模块将连续的不同电容值转化为连续的数字信号，经信号放大模块放大后采集到连续的原始体征信号。
当人体就坐时，在人体心脏搏动、呼吸运动情况下，人体与第一电容传感模块之间、与第二电容传感模块之间会产生反作用力使得人体与第一电容传感模块之间的、第二电容传感模块之间的距离存在细微变化进而产生连续的不同电容值，高精度的电容采集模块可将因心脏搏动、呼吸运动情况所产生的细微变化而产生连续的不同电容值并转换为连续的数字信号，由此最终能够更准确地获得体征数据。
作为优选，当人体就坐时，第一电容传感模块和第二电容传感模块采集到各自的电容值，电容采集模块将其各自的电容值转化为数字信号，经信号放大模块放大后采集到原始坐姿信号，在主控制模块内分析对比该原始坐姿信号，采集到人体左倾或右倾的最终坐姿数据。
利用第一电容传感模块、第二电容传感模块各自所采集到的不同电容值在转换后进行对比，判断人体左倾或右倾的坐姿。
作为优选，所述体征和坐姿采集模块还包括第三电容传感模块，第三电容传感模块的输出端依次连接电容采集模块的输入端、信号放大模块的输入端后连接至主控制模块的输入端，在人体靠背作用于第三电容传感模块时，其形成对应的电容值，电容采集模块将该电容值转化为数字信号，经信号放大模块放大后采集到原始坐姿信号，并将该原始坐姿信号与主控制模块内的预设值进行比对，采集到人体前倾或后倾的最终坐姿数据。
所述第三电容传感模块位于座椅靠背上，当人体倚靠靠背时，第三电容传感模块产生电容值，经电容采集模块和信号放大器形成原始坐姿信号并传输至主控制模块，后与主控制模块内的预设值比对，从而能监测出人体前倾或者后倾的坐姿(即是否倚靠靠背的坐姿)；此外，将第一电容传感模块、第二电容传感模块置于座部处来采集因心脏搏动、呼吸运动所产生的电容值(最终采集体征数据)，原因在于人体坐于座部上时，垂直方向上的作用力会更容易采集到因心脏搏动、呼吸运动所产生的细微变化，而第三电容传感模块置于靠背部，而人体背部容易移动，容易受干扰，因此不适宜用以采集上述心脏搏动、呼吸运动的细微变化。
作为优选，所述压力采集模块包括光纤感应垫、光纤收发模块、滤波模块，光纤感应垫与光纤收发模块双向连接，光纤收发模块的输出端连接滤波模块的输入端后连接至主控制模块的输入端，压力采集模块利用光纤感应垫的光纤形变所产生的光损耗来采集人体作用于光纤感应垫的原始压力信号。
所述光纤感应垫利用光纤形变所产生的光损耗变化来采集到人体就坐于座椅上的压力及压力变化情况，光纤感应垫整体呈平面状或类平面状，实现低成本、稳定可靠且精密度极高的面状压力采集，为电容采集模块采集到的数据信号(不同的体重、体征强弱情况)提供灵敏度动态调整(数据信号筛选)的数据参考；利用硅胶底板和硅胶密封盖板将光纤固定和包裹，避免因人体就坐时光纤出现移位或断裂的情况，确保了光纤感应垫的整体性，同时具备了在人体离开座椅后恢复至原始状态的回弹性能，且平面状或类平面状、厚度为4mm～10mm的光纤感应垫厚度很低，适用于座椅使用，且又不影响座椅的舒适性；同时，光纤呈螺旋状或者栅栏状地盘绕并粘胶固定在底板上，使得光纤之间的交叉点可以产生足够多的形变，从而达到能够分辨出压力区别的光损耗数值，同时根据不同的座椅厚度，可灵活改变光纤交叉点的多少进行调节采集灵敏度，此外，更加利于批量机械化生产，降低了光纤感应垫生产的难度和成本；关于第一电容传感模块、第二电容传感模块与光纤感应垫上下叠放的原因在于，因为光纤的感应太灵敏而常有干扰信号，将光纤感应垫置于下方使得光纤相对于第一电容传感模块、第二电容传感模块离人体稍远一些，使得光纤的压力感应趋于正常、更为准确，再者，将第一电容传感模块、第二电容传感模块置于光纤感应垫上方，与人体更近一些，其灵敏性就不会受到下方硅胶密封盖板的影响，检测也更为精准。
作为优选，所述光纤收发模块，其输入端连接主控制模块的输出端，具体包括发光单元和收光单元，主控制模块控制发光单元发光动作，所述发光单元、光纤感应垫、收光单元形成回路，通过发光和收光形成的比对得到光损耗的数值大小，采集到人体作用于光纤感应垫的原始压力信号。
所述发光单元发出的光通过光纤感应垫后回到收光单元至此形成一个回路，当没有压力作用于光纤感应垫时，发光单元和收光单元没有光损耗，当人体坐于光纤感应垫上产生压力时会使光纤产生弯折从而影响光纤传输产生光强损耗，通过发光单元、收光单元的对比后得到光损耗的数值，进而判断出人体作用于光纤感应垫的压力值大小。
作为优选，所述滤波模块，用以将光纤收发模块采集的原始压力信号进行杂波的滤除，并传输至主控制模块形成压力信号。
作为优选，所述运动状态采集模块包括三轴加速度传感模块，与主控制模块双向连接，用以采集人体坐时作用于座椅所产生的横向、纵向方向上的原始运动状态信号并传输至主控制模块处理形成运动状态信号。
当人体就坐时，作用于座椅所产生的横向、纵向方向的运动(如移动、摇晃、升降等动作)会频繁发生，在这种情况下如果电容采集模块仍然按照原有方式进行采集和分析，容易导致体征数据错误，而三轴加速度传感模块可以将座椅横向、纵向方向的运动情况进行采集，在进行分析时可将此时的非正常运动(如移动、摇晃、升降等动作)进行信号弥补、抵消、丢弃等，避免输出错误的体征数据结果，始终得到准确的体征数据测量结果，主控制模块根据运动状态信号和电容采集模块采集的数字信号来动态调整电容采集模块所采集数字信号的灵敏度(数字信号的筛选)；主控制模块对三轴加速度传感模块检测参数的调整。
作为优选，所述主控制模块，与三轴加速度传感模块、电源模块双向连接，主控制模块输出端连接光纤收发模块的输入端，主控制模块的输入端连接滤波模块的输出端、信号放大模块的输出端，主控制模块用以接收和处理各模块传输的原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号后得到最终的心跳频率、呼吸频率的体征数据和坐姿数据。
将原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号通过运行于主控制模块内的算法处理，得到最终准确稳定的体征数据和坐姿数据；其中，主控制模块还可以控制电源模块充电速度等。
作为优选，包括蓝牙无线通讯模块，所述蓝牙无线通讯模块与主控制模块双向连接。
实现交互式连接，有利于体征数据和的发送和用户查看。
作为优选，所述蓝牙无线通讯模块，用以将主控制模块得出的最终体征数据和坐姿数据实时或非实时传输至具备蓝牙传输设备的用户终端或用户终端APP。
便于用户的查看。
作为优选，所述用户终端为智能手机或平板电脑或笔记本电脑。
一种坐时人体体征的测量方法，包括：
电容线性转换算法，用以将原始体征信号转换为连续的体征信号；
光纤压力线性转换算法，用以将原始压力信号转换为压力信号；
体征剥离算法，用以将连续的体征信号进行信号剥离，得到更优的体征数据；
加速度辅助分析算法，用以获知人体就坐时发生横向移动或纵向升降的行进速度得到原始运动状态信号，并将其实时传输至主控制模块内的电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法内；
所述电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法、加速度辅助分析算法均运行于主控制模块内。
通过运行于主控制模块内的电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、加速度辅助分析算法及体征剥离算法将所述原始体征信号、原始压力信号、原始运动状态信号进行线性转换、信号剥离，综合得出精准、更优的心跳频率和呼吸频率的体征数据。
作为优选，当人体就坐时，电容线性转换算法将电容采集模块采集到的第一电容传感模块、第二电容传感模块因人体心脏搏动、呼吸运动所产生连续的不同电容值变化转换为线性压力连续变化，并将线性压力连续变化转换为连续的体征信号。
所述电容线形转换算法原理在于：
1、利用导电材料与第一电容传感模块、第二电容传感模块之间的距离变化会产生电容值不同的原理，利用人体心脏搏动时的作用力与反作用使身体有细微上下振动的原理，利用人体呼吸腔吸气与呼气会使身体细微上升和下沉的原理，在第一电容传感模块的、第二电容传感模块的一端利用高精度的电容采集模块采集两者的电容值，并将电容值采用对应的数值表示，通过如此持续地采集电容值可以获得连续的随身体细微振动而变化的数字信号，然后将连续的数字信号输送至信号放大模块中进行等比例放大，便可以得到连续的、振幅较大的、与人体振动相对应的连续的原始体征信号；
2、在进行电容线性转换算法的过程中，会根据人体坐时的规律性(持续累积的经验值)，自动判断把因身体抖动、动作等导致原始体征信号突然变化很大的部分剔除，或根据人体坐时的规律性(持续累积的经验值)把身体收缩和下压时的信号幅度加大，更有利于做后期的体征剥离。
作为优选，当人体就坐时，光纤压力线性转换算法将因人体作用于座椅的压力所产生的光纤形变线性转换为压力信号。
所述光纤压力线性转换算法原理在于：
1、利用光纤受到形变后光强度会有一定程度衰减的原理，当有人就坐时通过对比光纤发送(即发光单元)和接收的光强(收光单元)则可判断光纤感应垫所受压力的大小趋势；
2、在光纤感应垫上施加不同的压力(或重物)所测量出来的光损耗，可得到一组趋于线形的压力和光损耗的对应信号，压力越大光损耗越大；
3、根据光纤感应垫采集到的不同原始压力信号，主控制模块根据压力信号和电容采集模块采集的数字信号来动态调整电容采集模块所采集数字信号的灵敏度(数字信号的筛选)，原始压力信号越大则身体振动的幅度会越小，则需要电容采集模块越高的采集灵敏度。
作为优选，所述体征剥离算法，是将连续的体征信号进行信号剥离，得到心跳频率、呼吸频率的体征数据。
作为优选，所述体征剥离算法，自动判断根据电容线性转换算法和光纤压力转换算法得到的体征信号和压力信号的信号质量，进行信号的或弥补或叠加或抵消或丢弃，产生综合了体征和坐姿采集模块和压力采集模块所采集的信号，再进行信号剥离，始终得到更优的体征数据。
所述体征剥离算法原理在于：
1、由于人体心脏搏动会产生有规律的细微身体振动，通过第一电容传感模块、第二电容传感模块采集到电容值并进行电容线性转换后得到连续的振动信号曲线(连续的原始体征信号)，利用判断振动信号曲线中相邻两个波峰点的时间间隔，得知该振动信号的振动频率，从而得出心跳频率数值；
2、呼吸腔吸气呼气会产生有规律的细微身体振动，通过第一电容传感模块、第二电容传感模块采集到电容值并进行电容线性转换后会得到连续的振动信号曲线(连续的原始体征信号)，利用判断振动信号曲线中相邻两个波峰点的时间间隔，得知该振动信号的振动频率，从而得出呼吸频率数值。
作为优选，所述加速度辅助分析算法，在三轴加速度传感模块实时、连续采集到原始运动状态信号后，获知人体就坐时发生横向移动或纵向升降的行进速度，并将原始运动状态信号实时传输至主控制模块内的电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法内，通过三种算法的线性转换和信号剥离进行减弱或者加强因横向移动或纵向升降运动而产生的信号变化，避免将不平稳的信号用来体征剥离，最终得到更真实的体征数据。
所述加速度辅助分析算法原理在于：
利用运动状态采集模块(即三轴加速度传感模块)在人体(或座椅)突然移动、晃动、上升或下降会产生不同于座椅平稳时的加速度原理，获知人体是否处于平稳状态，当人体处于平稳状态时，电容线性转换算法将信号的波峰和波谷均采用非线形的拉伸，使信号振幅变大，更利于后续的体征剥离，同样，当人体处于平稳状态时，光纤压力线性转换算法可将信号的波动剔除或减弱；而在三轴加速度传感模块判断到人体处于不稳定状态时，电容线性转换算法和光纤压力线性转换算法将此时的信号抛弃，避免将非平稳的信号用来体征剥离。
采用了上述技术方案的本发明的设计思想及有益效果是：
本发明提供一种能够适用多种不同情况(如人体身体动作、座椅移动、人体体重不同、座椅座部厚度等)并能准确、稳定、实时监测坐时人体体征的测量系统及方法。本发明通过内置于座椅的体征和坐姿采集模块、压力采集模块、运动状态采集模块得到对应的人体原始体征信号和原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号，并通过主控制模块处理得到人体左倾、右倾、前倾、后倾的坐姿数据，并通过运行于主控制模块内的电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、加速度辅助分析算法及体征剥离算法将原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号进行线性转换、信号剥离，综合得出更优的体征数据(心跳频率数据和呼吸频率数据)。具体而言，本发明综合了第一电容传感模块、第二电容传感模块、第三电容传感模块产生电容值，利用光纤感应垫和三轴加速度传感模块进行辅助测量，大大降低电容采集模块的设计难度和精度要求，可以动态的根据实际的姿势、环境、体重等情况进行灵敏度调节(数据信号筛选)，就坐时情况下始终能正确剥离信号并还原出人体的心率、呼吸、坐姿体征，得到更加准确的心跳频率数据和呼吸频率数据体征参数和坐姿数据的体征测量结果，而当光纤感应垫和三轴加速度传感模块不作为体征测量的主要传感器时，光纤感应模垫的精度、加工工艺难度、材料要求都大大低于现有的光纤类传感器。
附图说明
图1为本实施例中系统各个模块间的连接示意图；
图2为本实施例座椅正面(上座部、下座部)、第一电容传感模块、第二电容传感模块、光纤感应坐垫之间剖面位置结构示意图；
图3为本实施例座椅侧面(上座部、下座部)、第一电容传感模块、光纤感应坐垫、第三电容传感模块、靠背之间剖面的结构示意图；
图4为电容线性转换算法中示例的Co曲线图；
图5为电容线性转换算法中示例的Cs曲线图；
图6为体征剥离算法中示例的W_Breath曲线图；
图7为本实施例工作流程的简易示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
实施例：
一种坐时人体体征测量系统，如图1～图3所示，包括
体征和坐姿采集模块，连接主控制模块，用以采集人体原始体征信号和原始坐姿信号；
压力采集模块，连接主控制模块，用以采集人体就坐时对座椅产生的原始压力信号；
运动状态采集模块，连接主控制模块，用以采集人体就坐时对座椅产生的原始运动状态信号；
主控制模块，用以接收、处理各模块所采集的原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号后，得到最终的心跳频率、呼吸频率的体征数据和坐姿数据；
电源模块，连接主控制模块，为各模块供电。
从结构上来讲，系统具体包括，体征和坐姿采集模块(第一电容传感模块、第二电容传感模块、第三电容传感模块、电容采集模块、信号放大器)、压力采集模块(光纤感应垫、光纤收发模块、滤波模块)、运动状态采集模块(三轴加速度传感模块)、主控制模块、电源模块，其中，光纤感应垫4置于座椅座部(包括上座部5、下座部6)再横向方向上的中间位置处，第一电容传感模块1、第二电容传感模块2置于光纤感应垫4上方的左右两侧，第一电容传感模块1、第二电容传感模块2、光纤感应垫4均位于上座部5和下座部6之间，第三电容传感模3块置于座椅靠背7处，其余的电容采集模块、信号放大器、光纤收发模块、滤波模块、三轴加速度传感模块、电源装置、主控制模块集成于位于座椅上的电路板上，其中光纤感应垫呈平面状或类平面状，厚度为6mm，其包括硅胶底板、固定设置在硅胶底板上的光纤、以及用以密封保护所述光纤的硅胶密封盖板，光纤螺旋状或者栅栏状地盘绕并粘胶固定在底板上；第一电容传感器、第二电容传感器、第三电容传感器均包括面积大小可调的呈平面状或类平面状的导电材料。
具体而言，所述体征和坐姿采集模块包括第一电容传感模块、第二电容传感模块、电容采集模块及信号放大模块，所述第一电容传感模块的、第二电容传感模块的输出端均依次连接电容采集模块的输入端、信号放大模块的输入端后连接至主控制模块的输入端。
当人体就坐时，人体坐部与第一电容传感模块之间的距离变化、与第二电容传感模块之间的距离变化会对应产生连续的不同电容值，所述电容采集模块将连续的不同电容值转化为连续的数字信号，经信号放大模块放大后采集到连续的原始体征信号；当人体就坐时，第一电容传感模块和第二电容传感模块采集到各自的电容值，电容采集模块将其各自的电容值转化为数字信号，经信号放大模块放大后采集到原始坐姿信号，在主控制模块内分析对比该原始坐姿信号，采集到人体左倾或右倾的最终坐姿数据；所述体征和坐姿采集模块还包括第三电容传感模块，第三电容传感模块的输出端依次连接电容采集模块的输入端、信号放大模块的输入端后连接至主控制模块的输入端，在人体靠背作用于第三电容传感模块时，其形成对应的电容值，电容采集模块将该电容值转化为数字信号，经信号放大模块放大后采集到原始坐姿信号，并将该原始坐姿信号与主控制模块内的预设值进行比对，采集到人体前倾或后倾的最终坐姿数据。
所述压力采集模块包括光纤感应垫、光纤收发模块、滤波模块，光纤感应垫与光纤收发模块双向连接，光纤收发模块的输出端连接滤波模块的输入端后连接至主控制模块的输入端，压力采集模块利用光纤感应垫的光纤形变所产生的光损耗来采集人体作用于光纤感应垫的原始压力信号；所述光纤收发模块，其输入端连接主控制模块的输出端，具体包括发光单元和收光单元，主控制模块控制发光单元发光动作，所述发光单元、光纤感应垫、收光单元形成回路，通过发光和收光形成的比对得到光损耗的数值大小，采集到人体作用于光纤感应垫的原始压力信号；所述滤波模块，用以将光纤收发模块采集的原始压力信号进行杂波的滤除，并传输至主控制模块形成压力信号。
所述运动状态采集模块包括三轴加速度传感模块，与主控制模块双向连接，用以采集人体坐时作用于座椅所产生的横向、纵向方向上的原始运动状态信号并传输至主控制模块处理形成运动状态信号。
所述主控制模块，与三轴加速度传感模块、电源模块双向连接，主控制模块输出端连接光纤收发模块的输入端，主控制模块的输入端连接滤波模块的输出端、信号放大模块的输出端，主控制模块用以接收和处理各模块传输的原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号后得到最终的心跳频率、呼吸频率的体征数据和坐姿数据。
还包括蓝牙无线通讯模块，所述蓝牙无线通讯模块与主控制模块双向连接；所述蓝牙无线通讯模块，用以将主控制模块得出的最终体征数据和坐姿数据实时或非实时传输至具备蓝牙传输设备的用户终端为手机的APP。
一种坐时人体体征的测量方法，包括：
电容线性转换算法，用以将原始体征信号转换为连续的体征信号；
光纤压力线性转换算法，用以将原始压力信号转换为压力信号；
体征剥离算法，用以将连续的体征信号进行信号剥离，得到更优的体征数据；
加速度辅助分析算法，用以获知人体就坐时发生横向移动或纵向升降的行进速度得到原始运动状态信号，并将其实时传输至主控制模块内的电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法内；
所述电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法、加速度辅助分析算法均运行于主控制模块内。
当人体就坐时，电容线性转换算法将电容采集模块采集到的第一电容传感模块、第二电容传感模块因人体心脏搏动、呼吸运动所产生连续的不同电容值变化转换为线性压力连续变化，并将线性压力连续变化转换为连续的体征信号。
所述电容线形转换算法原理在于：
1、利用导电材料与第一电容传感模块、第二电容传感模块之间的距离变化会产生电容值不同的原理，利用人体心脏搏动时的作用力与反作用使身体有细微上下振动的原理，利用人体呼吸腔吸气与呼气会使身体细微上升和下沉的原理，在第一电容传感模块的、第二电容传感模块的一端利用高精度的电容采集模块采集两者的电容值，并将电容值采用对应的数值表示，通过如此持续地采集电容值可以获得连续的随身体细微振动而变化的数字信号，然后将连续的数字信号输送至信号放大模块中进行等比例放大，便可以得到连续的、振幅较大的、与人体振动相对应的连续的原始体征信号；
2、在进行电容线性转换算法的过程中，会根据人体坐时的规律性(持续累积的经验值)，自动判断把因身体抖动、动作等导致信号突然变化很大的部分剔除，或根据人体坐时的规律性(持续累积的经验值)把身体收缩和下压时的信号幅度加大，更有利于做后期的体征剥离。
举例来讲：
第一电容传感模块、第二电容传感模块采集到的原始电容值为Co，在没有心跳和呼吸时的Co为60左右(单位)，Co会在人体心脏射血或呼气时因身体与第一电容传感模块、第二电容传感模块之间的距离变大而减小，另外Co会在人体心脏收血或吸气时因身体与第一电容传感模块、第二电容传感模块之间的距离变小而增加；因心脏射血或收血产生的距离变化比较小因此对于Co的变化影响也较小，绝大部份在15以内上下变动，因吸气或呼气产生的距离变化比较大因此对于Co的变化影响也较大，绝大部份在40以内上下变动，在持续采集Co后会得到一条连续的未经线性放大的Co曲线图(如图4所示)：
对采样得到的Co进行线性放大，一般情况下放大系数M的取值为(当光纤压力20000<F<40000时为典型值)：M＝3【Co相邻5次采样平均差异在15范围内】、M＝10【Co相邻5次采样平均差异在40范围内】，M的取值判断同样会受光纤感应垫、三轴加速度传感模块的反馈进行调整，当光纤感应垫反馈的压力值9000<F<20000时，M＝3【Co相邻5次采样平均差异在8范围内】、M＝10【Co相邻5次采样平均差异在22范围内】。对Co进行放大后：Cs＝Co*M，得到的Cs曲线图(如图5所示)：
当人体就坐时，光纤压力线性转换算法将因人体作用于座椅的压力所产生的光纤形变线性转换为压力信号。
所述光纤压力线性转换算法原理在于：
1、利用光纤受到形变后光强度会有一定程度衰减的原理，当有人就坐时通过对比光纤发送(即发光单元)和接收的光强(收光单元)则可判断光纤感应垫所受压力的大小趋势；
2、在光纤感应垫上施加不同的压力(或重物)所测量出来的光损耗，可得到一组趋于线形的压力和光损耗的对应信号，压力越大光损耗越大；
3、根据光纤感应垫采集到的不同原始压力信号，主控制模块根据压力信号和电容采集模块采集的数字信号来动态调整电容采集模块所采集数字信号的灵敏度(数字信号的筛选)；
举例来讲：
当无人入座时通过光纤收发模块得到的数值F>60000,当有人入座时光纤压力采集到的数值范围为9000<F<60000,人体越重压力越大则F越小，F反馈到电容值放大的算法中时，会影响Cs曲线拉伸幅度，实现了对不同体重压力的人更好的适应性。
所述体征剥离算法，是将连续的体征信号进行信号剥离，得到心跳频率、呼吸频率的体征数据，进一步地说，自动判断根据电容线性转换算法和光纤压力转换算法得到的体征信号和压力信号的信号质量，进行信号的或弥补或叠加或抵消或丢弃，产生综合了体征和坐姿采集模块和压力采集模块所采集的信号，再进行信号剥离，始终得到更优的体征数据。
所述体征剥离算法原理在于：
1、由于人体心脏搏动会产生有规律的细微身体振动，通过第一电容传感模块、第二电容传感模块采集到电容值并进行电容线性转换后得到连续的振动信号曲线(连续的原始体征信号)，利用判断振动信号曲线中相邻两个波峰点的时间间隔，得知该振动信号的振动频率，从而得出心跳频率数值；
2、呼吸腔吸气呼气会产生有规律的细微身体振动，通过第一电容传感模块、第二电容传感模块采集到电容值并进行电容线性转换后会得到连续的振动信号曲线(连续的原始体征信号)，利用判断振动信号曲线中相邻两个波峰点的时间间隔，得知该振动信号的振动频率，从而得出呼吸频率数值。
人体在心脏搏动和呼吸运动时，会产生不同的两条叠加的、有规律的信号曲线，而体征剥离算法利用了非剧烈运动时人的呼吸频率在8～30次/分钟(经验值)、心跳频率在45～120次/分钟(经验值)的不同频率区间，从而在搜寻相邻波峰时可根据这两个不同的频率区间将心跳和呼吸产生的信号曲线区别开来，使两者的信号不会叠加和相互干扰。
以呼吸举例，利用体征剥离算法在对Cs进行剥离时，对相邻连续100个采样点的数值进行平均得到Cs[1]值,然后再对下一个连续100个采样点进行平均得到Cs[2],如此对连续的Cs曲线进行平均运算会得到Cs[N]，把Cs[1]……Cs[N]的数值按照波形方式绘制，即得到了呼吸曲线W_breath(W_breath曲线图)(如图6所示):通过计算相邻两个波峰时间差，即可得出来呼吸频率BreathRate的数值。
所述加速度辅助分析算法，在三轴加速度传感模块实时、连续采集到原始运动状态信号后，获知人体就坐时发生横向移动或纵向升降的行进速度，并将原始运动状态信号实时传输至主控制模块内的电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法内，通过三种算法的线性转换和信号剥离进行减弱或者加强因横向移动或纵向升降运动而产生的信号变化，避免将不平稳的信号用来体征剥离，最终得到更真实的体征数据。
所述加速度辅助分析算法原理在于：
利用运动状态采集模块(即三轴加速度传感模块)在人体(或座椅)突然移动、晃动、上升或下降会产生不同于座椅平稳时的加速度原理，获知人体是否处于平稳状态，当人体处于平稳状态时，电容线性转换算法将信号的波峰和波谷均采用非线形的拉伸，使信号振幅变大，更利于后续的体征剥离，同样，当人体处于平稳状态时，光纤压力线性转换算法可将信号的波动剔除或减弱；而在三轴加速度传感模块判断到人体处于不稳定状态时，电容线性转换算法和光纤压力线性转换算法将此时的信号抛弃，避免将非平稳的信号用来体征剥离。
所述加速度传感模块采用了高速、高精度(24bit-32bit采样精度)的器件，可采集360度方向的加速度和角度，速度辅助分析算法主要作用是始终在寻找并标记一种稳定的状态(不同的高度、角度、持续的移动速度都可以是一种相对稳定的状态，只要该状态持续时间达到一定长度(根据需要设定所需长度)即为相对稳定的状态)，将是否稳定的状态输出给电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法；在人体静坐时加速度值G在0.05～0.1(单位)之间的正常范围内，当座椅移动、人体大幅度动作(例如横向或纵向方向上的移动)时，可以达到0.4-2左右，加速度值G越大说明动作幅度越大速度越快，所以当加速度值G不在正常范围内时，停止线性放大原始电容值Co，抛弃该时期的异常数据，直到加速度值G恢复到正常范围内。
本发明运作的基本流程(如图7所示)为：
S1：当人体坐在座椅座部时，人体同时作用于第一电容传感模块、第二电容传感模块、光纤感应垫、三轴加速度传感模块、第三电容传感模块；
S2：通过第一电容传感模块、第二电容传感模块，将采集到原始体征信号、左倾或右倾的原始坐姿信号；
通过光纤感应垫，将采集到原始压力信号；
通过三轴加速度传感模块采集到原始运动状态信号；
通过靠背内的第三电容传感模块，将采集到前倾或后倾的原始坐姿信号；
S3：经过主控制模块内部算法来分析和处理S2中的原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号，得到坐姿数据和更优的体征数据；
S4：将主控制模块分析处理所得出的最终体征数据和坐姿数据传输至具备蓝牙传输设备的用户终端，供用户查看和保存。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述坐时人体体征测量系统包括：
体征和坐姿采集模块，连接主控制模块，用以采集人体原始体征信号和原始坐姿信号；所述体征和坐姿采集模块包括第一电容传感模块、第二电容传感模块、电容采集模块及信号放大模块，所述第一电容传感模块的、第二电容传感模块的输出端均依次连接电容采集模块的输入端、信号放大模块的输入端后连接至主控制模块的输入端；当人体就坐时，人体坐部与第一电容传感模块之间的距离变化、与第二电容传感模块之间的距离变化会对应产生连续的不同电容值，所述电容采集模块将连续的不同电容值转化为连续的数字信号，经信号放大模块放大后采集到连续的原始体征信号；
压力采集模块，连接主控制模块，用以采集人体就坐时对座椅产生的原始压力信号；所述压力采集模块包括光纤感应垫、光纤收发模块、滤波模块，光纤感应垫与光纤收发模块双向连接，光纤收发模块的输出端连接滤波模块的输入端后连接至主控制模块的输入端，压力采集模块利用光纤感应垫的光纤形变所产生的光损耗来采集人体作用于光纤感应垫的原始压力信号；
运动状态采集模块，连接主控制模块，用以采集人体就坐时对座椅产生的原始运动状态信号；所述运动状态采集模块包括三轴加速度传感模块，与主控制模块双向连接，用以采集人体坐时作用于座椅所产生的横向、纵向方向上的原始运动状态信号并传输至主控制模块处理形成运动状态信号；
主控制模块，用以接收、处理各模块所采集的原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号后，得到最终的心跳频率、呼吸频率的体征数据和坐姿数据；
电源模块，连接主控制模块，为各模块供电；
所述测量方法包括：
电容线性转换算法，用以将原始体征信号转换为连续的体征信号；电容线性转换算法是利用导电材料与第一电容传感模块、第二电容传感模块之间的距离变化会产生电容值不同的原理，利用人体心脏搏动时的作用力与反作用使身体有细微上下振动的原理，利用人体呼吸腔吸气与呼气会使身体细微上升和下沉的原理，在第一电容传感模块的、第二电容传感模块的一端利用高精度的电容采集模块采集两者的电容值，并将电容值采用对应的数值表示，通过如此持续地采集电容值可以获得连续的随身体细微振动而变化的数字信号，然后将连续的数字信号输送至信号放大模块中进行等比例放大，便可以得到连续的、振幅较大的、与人体振动相对应的连续的原始体征信号；在进行电容线性转换算法的过程中，会根据人体坐时的规律性，自动判断把因身体抖动、动作导致信号突然变化很大的部分剔除，或根据人体坐时的规律性把身体收缩和下压时的信号幅度加大，更有利于做后期的体征剥离；
光纤压力线性转换算法，用以将原始压力信号转换为压力信号；所述光纤压力线性转换算法，是利用光纤受到形变后光强度会有一定程度衰减的原理，当有人在坐时通过对比光纤发送和接收的光强则可判断光纤感应垫所受压力的大小趋势；在光纤感应垫上施加不同的压力所测量出来的光损耗，可得到一组趋于线形的压力和光损耗的对应信号，压力越大光损耗越大；根据光纤感应垫采集到的不同原始压力信号，主控制模块根据压力信号和电容采集模块采集的数字信号来动态调整的电容采集模块采集的灵敏度，原始压力信号越大则身体振动的幅度会越小，则需要电容采集模块越高的采集灵敏度；
体征剥离算法，用以将连续的体征信号进行信号剥离，得到最优的体征数据；所述体征剥离算法原理在于，由于人体心脏搏动会产生有规律的细微身体振动，通过第一电容传感模块、第二电容传感模块采集到电容值并进行电容线性转换后得到连续的振动信号曲线，利用判断振动信号曲线中相邻两个波峰点的时间间隔，得知该振动信号的振动频率，从而得出心跳频率数值；呼吸腔吸气呼气会产生有规律的细微身体振动，通过第一电容传感模块、第二电容传感模块采集到电容值并进行电容线性转换后会得到连续的振动信号曲线，利用判断振动信号曲线中相邻两个波峰点的时间间隔，得知该振动信号的振动频率，从而得出呼吸频率数值；人体在心脏搏动和呼吸运动时，会产生不同的两条叠加的、有规律的信号曲线，而体征剥离算法利用了非剧烈运动时人的呼吸频率在8～30次/分钟、心跳频率在45～120次/分钟的不同频率区间，从而在搜寻相邻波峰时可根据这两个不同的频率区间将心跳和呼吸产生的信号曲线区别开来，使两者的信号不会叠加和相互干扰；
加速度辅助分析算法，用以获知人体就坐时发生横向移动或纵向升降的行进速度得到原始运动状态信号，并将其实时传输至主控制模块内的电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法内；加速度辅助分析算法原理在于：利用运动状态采集模块在人体或座椅突然移动、晃动、上升或下降会产生不同于座椅平稳时的加速度原理，获知人体是否处于平稳状态，当人体处于平稳状态时，电容线性转换算法将信号的波峰和波谷均采用非线形的拉伸，使信号振幅变大，更利于后续的体征剥离，同样，当人体处于平稳状态时，光纤压力线性转换算法可将信号的波动剔除或减弱；而在三轴加速度传感模块判断到人体处于不稳定状态时，电容线性转换算法和光纤压力线性转换算法将此时的信号抛弃，避免将非平稳的信号用来体征剥离；
所述电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法、加速度辅助分析算法均运行于主控制模块内。
2.根据权利要求1所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，当人体就坐时，第一电容传感模块和第二电容传感模块采集到各自的电容值，电容采集模块将其各自的电容值转化为数字信号，经信号放大模块放大后采集到原始坐姿信号，在主控制模块内分析对比该原始坐姿信号，采集到人体左倾或右倾的最终坐姿数据。
3.根据权利要求1所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述体征和坐姿采集模块还包括第三电容传感模块，第三电容传感模块的输出端依次连接电容采集模块的输入端、信号放大模块的输入端后连接至主控制模块的输入端，在人体靠背作用于第三电容传感模块时，其形成对应的电容值，电容采集模块将该电容值转化为数字信号，经信号放大模块放大后采集到原始坐姿信号，并将该原始坐姿信号与主控制模块内的预设值进行比对，采集到人体前倾或后倾的最终坐姿数据。
4.根据权利要求1所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述光纤收发模块，其输入端连接主控制模块的输出端，具体包括发光单元和收光单元，主控制模块控制发光单元发光动作，所述发光单元、光纤感应垫、收光单元形成回路，通过发光和收光形成的比对得到光损耗的数值大小，采集到人体作用于光纤感应垫的原始压力信号。
5.根据权利要求4所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述滤波模块，用以将光纤收发模块采集的原始压力信号进行杂波的滤除，并传输至主控制模块形成压力信号。
6.根据权利要求1所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述主控制模块，与三轴加速度传感模块、电源模块双向连接，主控制模块输出端连接光纤收发模块的输入端，主控制模块的输入端连接滤波模块的输出端、信号放大模块的输出端，主控制模块用以接收和处理各模块传输的原始体征信号、原始坐姿信号、原始压力信号、原始运动状态信号后得到最终的心跳频率、呼吸频率的体征数据和坐姿数据。
7.根据权利要求1所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，包括蓝牙无线通讯模块，所述蓝牙无线通讯模块与主控制模块双向连接。
8.根据权利要求7所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述蓝牙无线通讯模块，用以将主控制模块得出的最终体征数据和坐姿数据实时或非实时传输至具备蓝牙传输设备的用户终端或用户终端APP。
9.根据权利要求8所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述用户终端为智能手机或平板电脑或笔记本电脑。
10.根据权利要求1所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，当人体就坐时，电容线性转换算法将电容采集模块采集到的第一电容传感模块、第二电容传感模块因人体心脏搏动、呼吸运动所产生连续的不同电容值变化转换为线性压力连续变化，并将线性压力连续变化转换为连续的体征信号。
11.根据权利要求1所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于：当人体就坐时，光纤压力线性转换算法将因人体作用于座椅的压力所产生的光纤形变线性转换为压力信号。
12.根据权利要求11所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述体征剥离算法，是将连续的体征信号进行信号剥离，得到心跳频率、呼吸频率的体征数据。
13.根据权利要求12所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于，所述体征剥离算法，自动判断根据电容线性转换算法和光纤压力转换算法得到的体征信号和压力信号的信号质量，进行信号的或弥补或叠加或抵消或丢弃，产生综合了体征和坐姿采集模块和压力采集模块所采集的信号，再进行信号剥离，始终得到最优的体征数据。
14.根据权利要求13所述的一种坐时人体体征测量系统的测量方法，其特征在于：所述加速度辅助分析算法，在三轴加速度传感模块实时、连续采集到原始运动状态信号后，获知人体就坐时发生横向移动或纵向升降的行进速度，并将原始运动状态信号实时传输至主控制模块内的电容线性转换算法、光纤压力线性转换算法、体征剥离算法内，通过三种算法的线性转换和信号剥离进行减弱或者加强因横向移动或纵向升降运动而产生的信号变化，避免将不平稳的信号用来体征剥离，最终得到更真实的体征数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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