CN110119107A - 一种食品摄入量检测装置及其检测方法 - Google Patents

一种食品摄入量检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种食品摄入量检测装置及其检测方法。一些科技设备辅助的饮食习惯监督技术，例如摄像头，RFID标记，都是在实验室条件下实施，对人体有害。本发明一种食品摄入量检测装置，包括项带、检测模块和控制模块；控制模块包括电源模块、电压放大模块、滤波模块和主控模块。检测模块包括弯曲壳体、上保护海绵、压电式传感器和下保护海绵。上保护海绵、压电式传感器、下保护海绵依次层叠设置。本发明将压电式传感器在项带上，使用者能够舒适地佩戴，相比入侵式的传感器，本发明安全健康，并且方便携带。本发明结合决策树智能识别算法进行食物种类的判断，进而根据压电式传感器检测到的振动信号确定对应的食物种类。

Description

一种食品摄入量检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属于食品摄入监测技术领域，具体涉及一种便携式的食品摄入量检测装置及其检测方法。
背景技术
目前，人类的很多疾病都与饮食习惯有关，因此保持健康饮食是健康生活的关键因素。健康饮食可以有效地降低与肥胖相关的慢性疾病，如心脏病，癌症，中风和糖尿病。食品的摄入量是检测的重要一步。当前最流行也是最为传统的检测食物摄入量的方法是问卷调查，但问卷调查以自我报告的形式将饮食信息进行人工记录与储存，比较繁琐。
压电传感器，也称为振动传感器，可嵌入可拉伸项链内，通过感测颌和颈部的皮肤运动来记录咀嚼和吞咽模式。与基于麦克风的可穿戴设备相比，这些传感器不仅能够提供更好的用户舒适度并且能够准确地检测软食物，而且还能够抵抗周围的噪音；与在食物包装上安装RFID标签用于识别摄入食物的方法相比，这些传感器不仅减少额外的成本，而且能识别更多饮食习惯的细节；与基于相机的拍摄记录食物摄入量的方法相比，这种方法需要大量的存储空间来存储视频数据，此外，识别精度与环境光线有关，有很大的局限性。因此，本发明提供一种对人体无害的(非入侵式)，操作方便，基于压电传感器的可穿戴式系统检测和识别在日常生活中的食物摄入。
发明内容
本发明的目的在于提供一种食品摄入量检测装置及其检测方法。
本发明一种食品摄入量检测装置，包括项带、检测模块和控制模块；所述的控制模块包括电源模块、电压放大模块、滤波模块和主控模块。电源模块为电压放大模块、滤波模块和主控模块供电。电压放大模块内放大芯片的输入接口与检测模块内的压电式传感器的输出接口连接。电压放大模块通过放大芯片将接收到的电压信号放大后传输给滤波模块。滤波模块通过滤波芯片将对电压放大模块传输来的电压信号进行滤波后，传输给主控模块内的主控芯片。
所述的检测模块包括弯曲壳体、上保护海绵、压电式传感器和下保护海绵。壳体的外侧面上开设有控制容纳腔，内侧面上开设有检测容纳腔。控制模块安装在壳体的控制容纳腔内。相互固定在一起的上保护海绵、压电式传感器、下保护海绵依次层叠设置在壳体的检测容纳腔内。上保护海绵与检测容纳腔固定。下保护海绵的中部开设有开口槽。壳体的两端与项带的两端分别固定。
进一步地，所述的电源模块包括电池、第一电源芯片和第二电源芯片。所述第一电源芯片的型号为LM1117-3.3。所述第二电源芯片的型号为MC34063。第一电源芯片的第一引脚及电池的负极均接地，第三引脚接第一电容CP1的正极及电池的正极，第二引脚及第四引脚均接第二电容CP2的正极。第一电容CP1及第二电容CP2的负极接地。第一电源芯片的第二引脚及第四引脚作为电源模块的正供电输出端。
第二电源芯片的第一引脚、第七引脚及第八引脚均接第三电阻RC3的一端，第六引脚接第三电阻RC3的另一端、第三电容CC1的一端和电池的正极。第三电容CC1的另一端接地。第二电源芯片的第五引脚接第一电阻RC1及第二电阻RC2的一端。第一电阻RC1的另一端接地。第二电阻RC2的另一端接第二电源芯片的第四引脚、第四电容CC2、第五电容CC3的一端及第一二极管DC1的阳极。第五电容CC3的另一端接地。第二电源芯片的第二引脚接第一电感LC1的一端及第一二极管DC1的阴极，第二引脚接第四电容CC2的另一端。第一电感LC1的另一端接地。第一二极管DC1的阳极作为电源模块的负供电输出端。
进一步地，所述的电压放大模块包括放大芯片。所述放大芯片的型号为AD623。放大芯片的第一引脚接第三电阻RA1的一端。第三电阻RA1的另一端接放大芯片的第八引脚。放大芯片的第二引脚接压电式传感器的第一引脚，第三引脚接压电式传感器的第二引脚，第四引脚接电源模块的负供电输出端，第五引脚均接地，第七引脚接第六电容CA1、第七电容CA2的一端及电源模块的正供电输出端。第六电容CA1及第七电容CA2的另一端均接地。放大芯片的第六引脚为电压放大模块的放大输出端。
进一步地，所述的滤波模块包括滤波芯片、第八电容CF1、第九电容CF2、第四电阻RF1和第五电阻RF2。所述滤波芯片的型号为OP07。第四电阻RF1的一端接电压放大模块的放大输出端，另一端接第八电容CF1及第五电阻RF2的一端。第八电容CF1的另一端接滤波芯片的第二引脚及第六引脚。第五电阻RF2的另一端接第九电容CF2的一端及滤波芯片的第三引脚。第九电容CF2的另一端接地。滤波芯片的第四引脚接电源模块的负供电输出端。滤波芯片的第七引脚接电源模块的正供电输出端。第二二极管D2的阳极接滤波芯片的第六引脚，阴极为滤波模块的滤波输出端，与主控模块内的主控芯片的模拟量采集引脚连接。
进一步地，所述的压电式传感器采用PVDF压电薄膜传感器。
进一步地，所述的控制模块还包括蓝牙发送模块；所述的蓝牙发送模块与主控模块内的主控芯片通过UART通信连接。
进一步地，主控模块内的主控芯片采用型号为STM32F103C8T6的单片机。
进一步地，所述的项带采用弹性材料。所述上保护海绵及下保护海绵均采用EVA海绵。所述的上保护海绵、压电式传感器、下保护海绵均弯曲设置。所述的检测模块还包括壳盖。壳盖设置在壳体的外侧面处，且覆盖容纳腔的开口。
该食品摄入量检测装置的检测方法具体如下：
在进行第一次检测前建立用于判断的决策树；其方法为，使用者将项带佩戴至颈部，并使得压电式传感器紧贴咽喉部；使用者依次吃下各种被测食物，压电式传感器分别采集使用者咀嚼、吞咽各种食物时咽喉部产生的振动信号，并将所得振动信号依次经过电压放大模块、滤波模块，传输给主控模块；主控模块根据使用者吃不同食物分别产生的振动信号，建立样本数据库，并根据样本数据库建立决策树；决策树建立完成后执行以下步骤。
步骤一、使用者将项带佩戴至颈部，并使得压电式传感器紧贴咽喉部；当压电式传感器检测到幅值大于阈值的振动信号时，执行步骤二至四。
步骤二、主控模块将检测到的被测振动信号放入决策树的根节点；被测振动信号的决策树中前进，确定该测振动信号是否为无效信号；若该测振动信号是无效信号，则返回步骤一；否则，将决策树中最接近被测振动信号的节点对应的食品种类判定为使用者所吃下食物，并进入步骤三。
步骤三、主控模块根据被测振动信号持续的时间判断使用者咀嚼吞咽对应食物的时长，进而确定该食物的摄入量。
步骤四、主控模块根据使用者所吃下食物的种类和摄入量计算出摄入的总热量。
进一步地，步骤一中所述的阈值为特征信号的幅值的三分之二；特征信号为建立样本数据库时压电式传感器采集到的各振动信号中幅值最小的那个振动信号。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明将压电式传感器在项带上，使用者能够舒适地佩戴，相比入侵式的传感器，本发明安全健康，并且方便携带。
2、本发明结合决策树智能识别算法进行食物种类的判断，进而根据压电式传感器检测到的振动信号确定对应的食物种类。
3、本发明的项带具有弹性，能够调节到使用者的颈部直径，因此不同体型的人均可佩戴本发明，这大大增强了本发明的适应性。
4、本发明利用蓝牙无线的方式与手机或PC端进行通信，进而能够在发生进食异常情况时及时发出报警信息。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明中检测模块的爆炸示意图；
图3为本发明中电源模块中第一电源芯片的外部电路连接图；
图4为本发明中电源模块中第二电源芯片的外部电路连接图；
图5为本发明中电压放大模块的电路原理图；
图6为本发明中滤波模块的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种食品摄入量检测装置，包括项带、检测模块和控制模块。项带采用弹性材料，优选二烯类弹性纤维面料。控制模块包括电源模块1、电压放大模块2、滤波模块3、主控模块4和蓝牙发送模块5。电源模块1通过第一电源芯片及第二电源芯片为电压放大模块2、滤波模块3、主控模块4和蓝牙发送模块5供电。检测模块内的压电式传感器204将振动信号转化为电压信号并传输给电压放大模块2。电压放大模块2通过放大芯片将接收到的电压信号放大后传输给滤波模块3进行滤波。滤波模块3通过滤波芯片将对电压放大模块2传输来的电压信号进行滤波后传输给主控模块4内的主控芯片的模拟量采集引脚。主控模块4将接受到的模拟信号转换为数字信号后，获取进食信息。进食信息包括使用者摄入的食物种类以及摄入量。主控模块4使用UART串口通信的方式将进食信息分帧发送给蓝牙发送模块5。蓝牙发送模块5将进食信息通过蓝牙无线传输的方式，发送至智能手机或PC端上的蓝牙接收模块6，传输速率为150Kbit/s。蓝牙确保可靠的无限数据传输距离为10m。主控模块4内的主控芯片采用STM32F103C8T6单片机。
如图2所示，检测模块包括壳盖201、弯曲壳体202、上保护海绵203、压电式传感器204以及下保护海绵205。压电式传感器204长度为80mm，宽度为20mm。上保护海绵及下保护海绵均采用EVA海绵。压电式传感器204采用PVDF压电薄膜传感器。壳体202呈弧形，以更好地与颈部的贴合。壳体202的外侧面(凸面)上开设有控制容纳腔206。壳体202的内侧面(凹面)上开设有检测容纳腔207。壳盖201设置在壳体202的外侧面处，且嵌入控制容纳腔206，用以封闭控制容纳腔206。控制模块安装在壳体202的控制容纳腔206内。当控制模块发生故障时，取下壳盖201后即可进行快速检修。
黏贴在一起的上保护海绵203、压电式传感器204、下保护海绵205依次层叠设置在壳体202的检测容纳腔207内。上保护海绵203、压电式传感器204、下保护海绵205均弯曲设置。上保护海绵203与检测容纳腔207的底面黏贴固定。下保护海绵205的中部开设有开口槽，使得压电式传感器204更好地贴合颈部。上保护海绵203和下保护海绵205用于支撑和保护压电式传感器204。壳体202的两端均开设有穿带槽208，用于固定项带。项带的两端分别穿过壳体202两端的穿带槽208，并进行固定。压电式传感器204是人在进食时收集颈部振动信号的元件，振动信号包括频率和幅值。
如图3和4所示，电源模块2包括电池、第一电源芯片U1和第二电源芯片U2。电池由两节纽扣电池串联组成。第一电源芯片U1的型号为LM1117-3.3。第二电源芯片U2的型号为MC34063。第一电源芯片U1的第一引脚及电池的负极均接地GND，第三引脚接第一电容CP1的正极及电池的正极VIN，第二引脚及第四引脚均接第二电容CP2的正极。第一电容CP1及第二电容CP2的负极接地GND。第一电源芯片U1的第二引脚及第四引脚作为电源模块2的正供电输出端+V。
第二电源芯片U2的第一引脚、第七引脚及第八引脚均接第三电阻RC3的一端，第六引脚接第三电阻RC3的另一端、第三电容CC1的一端和电池的正极VIN。第三电容CC1的另一端接地GND。第二电源芯片U2的第五引脚接第一电阻RC1及第二电阻RC2的一端。第一电阻RC1的另一端接地GND。第二电阻RC2的另一端接第二电源芯片U2的第四引脚、第四电容CC2、第五电容CC3的一端及第一二极管DC1的阳极。第五电容CC3的另一端接地GND。第二电源芯片U2的第二引脚接第一电感LC1的一端及第一二极管DC1的阴极，第二引脚接第四电容CC2的另一端。第一电感LC1的另一端接地GND。第一二极管DC1的阳极作为电源模块2的负供电输出端-V。
电源模块2的负供电输出端输出的电压-V通过第一电阻RC1的阻值和第二电阻RC2的阻值确定，公式为：在本实施例在，电池由两节3V的纽扣电池串联组成，且所有芯片的供电电压均由该电源模块提供。供正输出端+V的电压为3.3V，负输出端-V的电压为-3.3V。因此，第一电阻RC1为1640Ω，第二电阻RC2为1KΩ。
如图5所示，电压放大模块2包括放大芯片U3。放大芯片U3的型号为AD623。放大芯片U3的第一引脚接第三电阻RA1的一端。第三电阻RA1的另一端接放大芯片U3的第八引脚。放大芯片U3的第二引脚接压电式传感器204的第一引脚P1，第三引脚接压电式传感器204的第二引脚P2，第四引脚接电源模块2的负供电输出端-V，第五引脚均接地GND，第七引脚接第六电容CA1、第七电容CA2的一端及电源模块2的正供电输出端+V。第六电容CA1及第七电容CA2的另一端均接地GND。放大芯片U3的第六引脚为电压放大模块2的放大输出端PE。
电压放大模块2的电压放大倍数由第三电阻RA1确定。本实施例中，压电式传感器产生的峰值电压为15mV，并且该电压放大模块将峰值电压放大至2.5V，则增益倍数可以确定约为167倍。由AD623芯片的增益公式RG＝100kΩ/(G-1)可得，第三电阻RA1的阻值为600Ω，其中，RG为被计算电阻的阻值，G为放大倍数。
如图6所示，滤波模块3包括滤波芯片U4、第八电容CF1、第九电容CF2、第四电阻RF1和第五电阻RF2。滤波芯片U4的型号为OP07。第四电阻RF1的一端接电压放大模块4的放大输出端PE，另一端接第八电容CF1及第五电阻RF2的一端。第八电容CF1的另一端接滤波芯片U4的第二引脚及第六引脚。第五电阻RF2的另一端接第九电容CF2的一端及滤波芯片U4的第三引脚。第九电容CF2的另一端接地GND。滤波芯片U4的第四引脚接电源模块2的负供电输出端-V。滤波芯片U4的第七引脚接电源模块2的正供电输出端+V。第二二极管D2的阳极接滤波芯片U4的第六引脚，阴极为滤波模块5的滤波输出端AD，与主控模块4内的主控芯片的模拟量采集引脚连接。滤波芯片U4的其余引脚均悬空。
滤波模块3的截止频率可以通过第四电阻、第五电阻、第八电容和第九电容确定。截止频率根据被测对象的不同而不同。由于人类在进食时咀嚼频率一般在1～2Hz，因此本实施例设截止频率f0＝150Hz。由该低通滤波器截止频率公式可得，当截止频率设为150Hz时，第八电容CF1、第九电容CF2的容值均取为750nF，第四电阻RF1，第五电阻RF2的阻值均取1kΩ。
该食品摄入量检测装置的检测方法具体如下：
在进行第一次检测前需要建立用于判断的基于决策树的专家系统，其方法如下：使用者将项带佩戴至颈部，并使得压电式传感器204紧贴自身的咽喉部。使用者依次吃下各种被测食物，压电式传感器204分别采集使用者咀嚼、吞咽各种食物时咽喉部产生的振动信号(包括频率和幅值)，并将所得振动信号依次经过电压放大模块2、滤波模块3，传输给主控模块4。主控模块4根据使用者吃不同食物分别产生的振动信号，建立样本数据库，并根据样本数据库建立决策树。决策树建立完成后执行以下步骤。
步骤一、使用者将项带佩戴至颈部，并使得压电式传感器204紧贴自身的咽喉部并进行日常生活。当压电式传感器204检测到幅值大于阈值的振动信号时，执行步骤二至四。阈值为特征信号的幅值的三分之二。特征信号为建立样本数据库时压电式传感器204采集到的各振动信号中幅值最小的那个振动信号。
步骤二、主控模块将检测到的被测振动信号设置为决策树的根节点。被测振动信号在决策树中进行判断，直至找到与被测振动信号最接近的食品种类。若被测振动信号与该食品种类对应的被测信号的匹配的概率大于85％，则以该食品种类作为使用者正在食用的食物，否则，认为该被测振动信号为无效信号，返回步骤一。
步骤三、主控模块根据被测振动信号持续的时间判断使用者咀嚼吞咽对应食物的时长，进而确定该食物的摄入量。
步骤四、主控模块根据使用者所吃下食物的种类和摄入量计算出摄入的总热量。
使用者持续使用本发明，能够获取在一段时间内的饮食次数、食品摄入种类和摄入量，并生成个人饮食数据库和图表。医护人员根据个人饮食数据库和图表能够针对性地提供饮食意见，进而帮助使用者保持稳定和均衡的饮食。此外，本发明还能在使用者咀嚼或吞咽发生异常(如咀嚼过快、噎食或呛水)时，及时发现并向看护者的手机或PC段发送警报信息。

Claims (10)

1.一种食品摄入量检测装置，其特征在于：包括项带、检测模块和控制模块；所述的控制模块包括电源模块、电压放大模块、滤波模块和主控模块；电源模块为电压放大模块、滤波模块和主控模块供电；电压放大模块内放大芯片的输入接口与检测模块内的压电式传感器的输出接口连接；电压放大模块通过放大芯片将接收到的电压信号放大后传输给滤波模块；滤波模块通过滤波芯片将对电压放大模块传输来的电压信号进行滤波后，传输给主控模块内的主控芯片；
所述的检测模块包括弯曲壳体、上保护海绵、压电式传感器和下保护海绵；壳体的外侧面上开设有控制容纳腔，内侧面上开设有检测容纳腔；控制模块安装在壳体的控制容纳腔内；相互固定在一起的上保护海绵、压电式传感器、下保护海绵依次层叠设置在壳体的检测容纳腔内；上保护海绵与检测容纳腔固定；下保护海绵的中部开设有开口槽；壳体的两端与项带的两端分别固定。
2.根据权利要求1所述的一种食品摄入量检测装置，其特征在于：所述的电源模块包括电池、第一电源芯片和第二电源芯片；所述第一电源芯片的型号为LM1117-3.3；所述第二电源芯片的型号为MC34063；第一电源芯片的第一引脚及电池的负极均接地，第三引脚接第一电容CP1的正极及电池的正极，第二引脚及第四引脚均接第二电容CP2的正极；第一电容CP1及第二电容CP2的负极接地；第一电源芯片的第二引脚及第四引脚作为电源模块的正供电输出端；
第二电源芯片的第一引脚、第七引脚及第八引脚均接第三电阻RC3的一端，第六引脚接第三电阻RC3的另一端、第三电容CC1的一端和电池的正极；第三电容CC1的另一端接地；第二电源芯片的第五引脚接第一电阻RC1及第二电阻RC2的一端；第一电阻RC1的另一端接地；第二电阻RC2的另一端接第二电源芯片的第四引脚、第四电容CC2、第五电容CC3的一端及第一二极管DC1的阳极；第五电容CC3的另一端接地；第二电源芯片的第二引脚接第一电感LC1的一端及第一二极管DC1的阴极，第二引脚接第四电容CC2的另一端；第一电感LC1的另一端接地；第一二极管DC1的阳极作为电源模块的负供电输出端。
3.根据权利要求1所述的一种食品摄入量检测装置，其特征在于：所述的电压放大模块包括放大芯片；所述放大芯片的型号为AD623；放大芯片的第一引脚接第三电阻RA1的一端；第三电阻RA1的另一端接放大芯片的第八引脚；放大芯片的第二引脚接压电式传感器的第一引脚，第三引脚接压电式传感器的第二引脚，第四引脚接电源模块的负供电输出端，第五引脚均接地，第七引脚接第六电容CA1、第七电容CA2的一端及电源模块的正供电输出端；第六电容CA1及第七电容CA2的另一端均接地；放大芯片的第六引脚为电压放大模块的放大输出端。
4.根据权利要求1所述的一种食品摄入量检测装置，其特征在于：所述的滤波模块包括滤波芯片、第八电容CF1、第九电容CF2、第四电阻RF1和第五电阻RF2；所述滤波芯片的型号为OP07；第四电阻RF1的一端接电压放大模块的放大输出端，另一端接第八电容CF1及第五电阻RF2的一端；第八电容CF1的另一端接滤波芯片的第二引脚及第六引脚；第五电阻RF2的另一端接第九电容CF2的一端及滤波芯片的第三引脚；第九电容CF2的另一端接地；滤波芯片的第四引脚接电源模块的负供电输出端；滤波芯片的第七引脚接电源模块的正供电输出端；第二二极管D2的阳极接滤波芯片的第六引脚，阴极为滤波模块的滤波输出端，与主控模块内的主控芯片的模拟量采集引脚连接。
5.根据权利要求1所述的一种食品摄入量检测装置，其特征在于：所述的压电式传感器采用PVDF压电薄膜传感器。
6.根据权利要求1所述的一种食品摄入量检测装置，其特征在于：所述的控制模块还包括蓝牙发送模块；所述的蓝牙发送模块与主控模块内的主控芯片通过UART通信连接。
7.根据权利要求1所述的一种食品摄入量检测装置，其特征在于：主控模块内的主控芯片采用型号为STM32F103C8T6的单片机。
8.根据权利要求1所述的一种食品摄入量检测装置，其特征在于：所述的项带采用弹性材料；所述上保护海绵及下保护海绵均采用EVA海绵；所述的上保护海绵、压电式传感器、下保护海绵均弯曲设置；所述的检测模块还包括壳盖；壳盖设置在壳体的外侧面处，且覆盖容纳腔的开口。
9.如权利要求1所述的一种食品摄入量检测装置的检测方法，其特征在于：在进行第一次检测前建立用于判断的决策树；其方法为，使用者将项带佩戴至颈部，并使得压电式传感器紧贴咽喉部；使用者依次吃下各种被测食物，压电式传感器分别采集使用者咀嚼、吞咽各种食物时咽喉部产生的振动信号，并将所得振动信号依次经过电压放大模块、滤波模块，传输给主控模块；主控模块根据使用者吃不同食物分别产生的振动信号，建立样本数据库，并根据样本数据库建立决策树；决策树建立完成后执行以下步骤；
步骤一、使用者将项带佩戴至颈部，并使得压电式传感器紧贴咽喉部；当压电式传感器检测到幅值大于阈值的振动信号时，执行步骤二至四；
步骤二、主控模块将检测到的被测振动信号放入决策树的根节点；被测振动信号的决策树中前进，确定该测振动信号是否为无效信号；若该测振动信号是无效信号，则返回步骤一；否则，将决策树中最接近被测振动信号的节点对应的食品种类判定为使用者所吃下食物，并进入步骤三；
步骤三、主控模块根据被测振动信号持续的时间判断使用者咀嚼吞咽对应食物的时长，进而确定该食物的摄入量；
步骤四、主控模块根据使用者所吃下食物的种类和摄入量计算出摄入的总热量。
10.根据权利要求9所述的一种食品摄入量检测装置的检测方法，其特征在于：步骤一中所述的阈值为特征信号的幅值的三分之二；特征信号为建立样本数据库时压电式传感器采集到的各振动信号中幅值最小的那个振动信号。
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