CN110811573A - 一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置及方法，包括数据采集单元、中央控制单元、信号输出单元和电源管理单元，所述数据采集单元、所述信号输出单元、所述电源管理单元和所述中央控制单元均为电性连接，所述数据采集单元用于采集用户的生物电信号并将采集到的生物电信号传输至所述中央控制单元，经由所述中央控制单元进行信号解析和数据处理过程，向所述信号输出单元送达相应的信号指令，所述信号输出单元用于接收并执行来自所述中央控制单元的操作指令，所述电源管理单元用于为整个装置提供电能。本发明能够提供更安全高效的人体感官刺激从而提高大脑警觉度。
Description
技术领域
本发明涉及警觉度检测技术领域，具体涉及一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置及方法。
背景技术
警觉度，即有选择的加工某些刺激而忽视其他刺激的倾向。它是人的感觉和知觉同时对一定对象的选择指向和集中。大脑警觉度高时，总是在感知着、记忆着、思考着、想象着或体验着什么。人在同一时间内不能感知很多对象，只能感知环境中的少数对象。而要获得对事物的清晰、深刻和完整的反映，就需要使心理活动有选择地指向有关的对象。大脑警觉度降低意味着注意力不集中，其在实际生活中将会具体表现为：学习成绩差、自理能力差，甚至影响思维敏捷性、速度。提高注意力方法很多但很难坚持。
现有技术不能提供一种通过脉搏监测物理可控刺激装置，通过检测脉搏，反应大脑警觉度的同时做出对应刺激，不能对大脑警觉度进行有效调控。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，包括数据采集单元、中央控制单元、信号输出单元和电源管理单元，所述数据采集单元、所述信号输出单元、所述电源管理单元和所述中央控制单元均为电性连接，所述数据采集单元用于采集用户的生物电信号并将采集到的生物电信号传输至所述中央控制单元，经由所述中央控制单元进行信号解析和数据处理过程，向所述信号输出单元送达相应的信号指令，所述信号输出单元用于接收并执行来自所述中央控制单元的操作指令，所述电源管理单元用于为整个装置提供电能。
在本发明中，优选地，所述中央控制单元还外接有上位机，所述上位机通过蓝牙模块与所述中央控制单元实现数据通讯。
在本发明中，优选地，所述信号采集单元包括温度探测模块、血氧探测模块和电量采集模块，所述温度探测模块、所述血氧探测模块和所述电量采集模块均与所述中央控制单元为电性连接，所述温度探测模块用于采集用户的温度数值，所述血氧探测模块用于采集用户的脉搏信号，所述电量采集模块用于提示用户当前电量信息。
在本发明中，优选地，所述信号输出单元包括告警模块、制冷模块和加热模块，当被采集的生物电信号超出预设数值范围时所述告警模块用于发出告警信号进行提示。
在本发明中，优选地，所述中央控制单元包括温控模块，所述温控模块和所述制冷模块电性连接，所述温控模块用于调节并提供所述制冷模块所需的工作电流。
在本发明中，优选地，所述电源管理单元包括锂电池、稳压模块、LDO模块和开关机电路，所述锂电池和所述电量采集模块电性连接，所述锂电池和所述稳压模块、所述LDO模块均为电性连接，分别经由所述稳压模块输出3.3V电压为所述开关机电路供电，经由所述LDO模块转换电压输出为所述中央控制单元供电，所述LDO模块和所述制冷模块电性连接。
在本发明中，优选地，所述温控模块设置为负温度系数热敏电阻。
在本发明中，优选地，所述告警模块设置为蜂鸣器，所述制冷模块设置为制冷片，所述加热模块设置为加热片。
在本发明中，优选地，所述上位机设置为手持移动终端设备。
在本发明中，优选地，所述生物电信号包括温度信号、心率信号、血氧信号和血压信号，所述温度探测模块采用温度传感器，所述血氧探测模块采用血氧脉搏检测仪。
一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控方法，该方法的具体步骤为首先通过血氧探测模块采集并获得人体的脉搏信号，然后血氧探测模块将脉搏信号经由中央控制单元通过蓝牙模块上传至上位机，上位机采用判断趋势方法寻找主波波峰位置，并通过寻找由脉搏波波形由增变为减的点得到脉搏波的波峰、脉搏波相邻波峰之间的间隔以及当前瞬时脉率，进而得到用户的脉率，通过中央控制单元对应查询数据库列表，得到用户当前的大脑警觉度，最后控制信号输出单元执行相应的操作指令。
本发明具有的优点和积极效果是：通过数据采集单元、中央控制单元、信号输出单元和电源管理单元之间的相互配合，数据采集单元对用户的生物电信号进行采集并传输至中央控制单元，中央控制单元将获取到的脉搏波与大脑警觉度建立对应关系，通过脉搏波来反应大脑警觉度，控制信号输出单元制冷或加热以刺激用户指尖或腕部的体感温度，提供更安全高效的人体感官刺激从而提高大脑警觉度，进而实现对大脑警觉度的调控过程，通过可调控的外界物理刺激改善用户的注意力集中问题，提高并改善用户感知生活的能力，提高用户的思维敏捷性及思维反应速度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置的整体框图；
图2是本发明的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置的稳压模块的电路图；
图3是本发明的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置的温度探测模块的电路图；
图4是本发明的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置的血氧探测模块的电路框图；
图5是本发明的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控方法的上位机脉率计算过程示意图。
图中：1-数据采集单元；2-中央控制单元；3-信号输出单元；4-电源管理单元；5-上位机；6-蓝牙模块；7-温度探测模块；8-血氧探测模块；9-电量采集模块；10-告警模块；11-制冷模块；12-加热模块；13-锂电池；14-稳压模块；15-LDO模块；16-开关机电路；21-温控模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图5所示，本发明提供一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，包括数据采集单元1、中央控制单元2、信号输出单元3和电源管理单元4，所述数据采集单元1、所述信号输出单元3、所述电源管理单元4和所述中央控制单元2均为电性连接，所述数据采集单元1用于采集用户的生物电信号并将采集到的生物电信号传输至所述中央控制单元2，经由所述中央控制单元2进行信号解析和数据处理过程，向所述信号输出单元3送达相应的信号指令，所述信号输出单元3用于接收并执行来自所述中央控制单元2的操作指令，所述电源管理单元4用于为整个装置提供电能。数据采集单元1的各个传感器可设置在用户的指尖或腕部，分别检测各生物电信号，通过采集人体温度数值、脉搏波信号，与中央控制单元1预设的正常数据范围进行比较，若超出正常范围数值，中央控制单元1控制信号输出单元3进行蜂鸣报警，通过中央控制单元1将获取到的脉搏波与大脑警觉度建立对应关系，通过脉搏波来反应大脑警觉度，同时将检测到的脉搏波数据通过分析、处理，控制信号输出单元3制冷或加热以刺激用户指尖或腕部的体感温度，提供更安全高效的人体感官刺激从而提高大脑警觉度，进而实现对大脑警觉度调控过程。
在本实施例中，进一步地，所述中央控制单元2还外接有上位机5，所述上位机5通过蓝牙模块6与所述中央控制单元2实现数据通讯。通过信号采集单元1采集到的用户各个信号值传输至中央控制单元2实现数据解析和信号处理过程，通过蓝牙模块6同步上传到上位机5，便于用户及时查看。
在本实施例中，进一步地，所述信号采集单元1包括温度探测模块7、血氧探测模块8和电量采集模块9，所述温度探测模块7、所述血氧探测模块8和所述电量采集模块9均与所述中央控制单元2为电性连接，所述温度探测模块7用于采集用户的温度数值，所述血氧探测模块8用于采集用户的脉搏信号，所述电量采集模块9用于提示用户当前电量信息，将采集到的用户各个信号值传输至中央控制单元2进行数据解析和信号处理，并上传到上位机5，便于用户及时查看。
在本实施例中，进一步地，所述信号输出单元3包括告警模块10、制冷模块11和加热模块12，当被采集的生物电信号超出预设数值范围时所述告警模块10用于发出告警信号进行提示。
在本实施例中，进一步地，所述中央控制单元2包括温控模块21，所述温控模块21和所述制冷模块11电性连接，所述温控模块21用于调节并提供所述制冷模块11所需的工作电流。温控模块21利用NTC测温原理对制冷模块11的温度进行调控。
在本实施例中，进一步地，所述电源管理单元4包括锂电池13、稳压模块14、LDO模块15和开关机电路16，所述锂电池13和所述电量采集模块9电性连接，所述锂电池13和所述稳压模块14、所述LDO模块15均为电性连接，分别经由所述稳压模块14输出3.3V电压为所述开关机电路16供电，经由所述LDO模块15转换电压输出为所述中央控制单元2供电，所述LDO模块15和所述制冷模块11电性连接。开关机电路16启动锂电池工作，电量采集模块9随之启动工作，用来提示用户当前电量，可充电的锂电池经由LDO模块15转换电压输出为中央控制单元2所需供电电压，稳压模块14为开关机电路16提供3.3V直流电压。
在本实施例中，进一步地，所述温控模块21设置为负温度系数热敏电阻，利用NTC测温原理得到当前工作实际温度，便于对制冷模块11的温度进行调控。
在本实施例中，进一步地，所述告警模块10设置为蜂鸣器，所述制冷模块11设置为制冷片，所述加热模块12设置为加热片。制冷片和加热片用于提高或降低人体温度，进而实现对大脑警觉度的高低进行调控。
在本实施例中，进一步地，所述上位机5设置为手持移动终端设备，用户通过简单操作手持移动终端设备的APP界面就能对装置进行控制，手持移动终端设备通过蓝牙模块6与MCU微控制器实现数据通讯，用户能够显示屏界面及时查看同步上传的数据信息。
在本实施例中，进一步地，所述生物电信号包括脉搏信号，所述温度探测模块7采用温度传感器，所述血氧探测模块8采用血氧脉搏检测仪，血氧脉搏检测仪的型号设置为WI102636，血氧脉搏检测仪包括恒流源驱动电路、脉搏传感器、放大电路、滤波电路和A/D转换电路，通过按键唤醒功能，通过启动恒流源驱动电路驱动脉搏传感器工作，脉搏传感器根据血液的变化能够引起光透的变化，被接收器接收后转变为光电信号，利用放大电路对脉搏电压进行放大，从而对脉搏信号进行放大，再经过A/D转换电路将调制的脉搏信号解调出来，便于还原脉搏信号，为以后同步采集做准备，该血氧脉搏检测仪还可以检测用户的心率信号、血氧信号和血压信号。
一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控方法，该方法的具体步骤为首先通过血氧探测模块8采集并获得人体的脉搏信号，然后血氧探测模块8将脉搏信号经由中央控制单元2通过蓝牙模块6上传至上位机5，上位机5采用判断趋势方法寻找主波波峰位置，并通过寻找由脉搏波波形由增变为减的点得到脉搏波的波峰、脉搏波相邻波峰之间的间隔以及当前瞬时脉率，进而得到用户的脉率，通过中央控制单元2对应查询数据库列表，得到用户当前的大脑警觉度，最后控制信号输出单元3执行相应的操作指令。
本发明的工作原理和工作过程如下：装置包括数据采集单元1、中央控制单元2、信号输出单元3和电源管理单元4，数据采集单元1、信号输出单元3、电源管理单元4和中央控制单元2均为电性连接，数据采集单元1用于采集用户的生物电信号并将采集到的生物电信号传输至中央控制单元2，可通过ADC采集锂电池电压，利用NTC测温原理得到当前工作实际温度，通过采集脉搏波得到当前大脑警觉度，经由中央控制单元2进行信号解析和数据处理过程，向信号输出单元3送达相应的信号指令，信号输出单元3用于接收并执行来自中央控制单元2的操作指令，电源管理单元4用于为整个装置提供电能。其中，电源管理单元4包括锂电池13、稳压模块14、LDO模块15和开关机电路16，锂电池13和电量采集模块9电性连接，锂电池13和稳压模块14、LDO模块15均为电性连接，开关机电路16启动锂电池工作，电量采集模块9随之启动工作，用来提示用户当前电量，可充电的锂电池经由LDO模块15转换电压输出为中央控制单元2所需供电电压，LDO模块15也就是线性直流稳压电源，具体工作原理是通过调整管的阻抗变化使输出电压保持稳定，当输出电压由于输入电压升高或负载电流减小而出现输出电压偏离设定值而升高的趋势时，通过负反馈使调整管的阻抗增大，从而降低输出电压使之恢复设定值而保持稳定，当输入电压降低或负载电流增大而出现输出电压偏离设定值而降低的趋势时，则通过负反馈使调整管的阻抗减小，从而提高输出电压使之恢复设定值而保持稳定。稳压模块14最大能够输出1500mA的电流，在大电流输出时压降小，在lA电流下压降为1.2V，在100mA输出时，压降小于35mV，具体电路构成可参见图2，温控模块21设置为负温度系数热敏电阻(NTC)，MCU微控制器采集到脉搏波后给出的动作进行调控，中央控制单元2采用MCU微控制器，MCU微控制器包括温控模块21，温控模块21用于调节并提供制冷模块11所需的工作电流，在屏蔽温控模块21调控时，可通过数据采集单元1的脉搏波来调控温度，温度探测模块7采用的是温度传感器，该温度传感器的测量范围为-40℃～150℃，在-10℃～85℃范围内，测量精度可达±0.2℃，测量误差典型值仅为0.0016℃。该温度传感器使用I2C总线进行通讯，可以直接输出高精度温度测量值的数字信号，使用方便，具体可参见图3，通过采集人体指尖温度数值，与MCU微控制器预设的正常温度进行比较，若超出正常范围数值MCU微控制器启动蜂鸣器报警，血氧探测模块8采集用户的脉搏信号，该脉搏信号传输至MCU微控制器。
由于心脏的心室肌每一次的收缩都会有大量的血液在压力下向人体的脏器和四肢散发，心脏的舒张阶段又将大量的血液从脏器和四肢收回，这种节律性的变化可以引起血管壁规律性的收缩和舒张，我们在体表所能感觉到的就是脉搏。脉搏波的产生是由前进波和返回波共同作用产生的，脉搏波通过脉搏传感器获取，脉搏传感器采用体积较小的发光二极管作为光源，红光发射管的波长为600nm，红外光发射管波长为940nm，进行了必要的遮光处理，减少外界光的干扰，使得发光二极管能够以额定的功率工作。脉搏传感器采用红光和红外光段，其波长长，衍射能力强，穿透性好。人体的血红细胞富含二价铁离子呈现红色，恰好能够吸收红光，利用心脏的节律性收缩和舒张带来的脉搏周期性波动，使得血红细胞在检测点的含量也会出现节律性的增加和减少。那么，对红光的吸收能力也会出现节律性的增强和减弱，因此利用红光对指尖脉搏进行检测效果良好。脉搏信号的采集和心电信号一样，血氧探测模块8采用血氧脉搏检测仪，血氧脉搏检测仪包括恒流源驱动电路、脉搏传感器、放大电路、滤波电路和A/D转换电路，恒流源驱动电路和脉搏传感器电性连接，脉搏传感器和放大电路电性连接，放大电路和滤波电路电性连接，滤波电路和A/D转换电路电性连接，具体可参加图4，通过按键唤醒令恒流源驱动电路启动，使得恒流源驱动电路驱动脉搏传感器工作，由于脉搏传感器的本质是一个光电传感器，采集设备上有2kHz的方波发生器来满足光电传感器的要求。脉搏传感器根据血液的变化能够引起光透的变化，被接收器接收后转变为光电信号。同心电信号一样，脉搏信号也是微弱的电信号，因此必须利用放大电路对脉搏电压进行放大，从而对脉搏信号进行放大，具体采用10倍放大、高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的集成运放电路。通过滤波电路的滤波去噪，与背景噪声相抵消，消除环境光与电子噪声的干扰。A/D转换电路用于将调制的脉搏信号解调出来，便于还原脉搏信号，为以后同步采集做准备。
脉搏信号是周期性强的准周期信号，人体的脉率是人体的一个重要并容易测得的生理指标，血氧探测模块8准确采集并获得人体的脉搏波，上位机5采用阈值判断法来计算人体脉率，该方法需要确定一个固定的阈值或阈值范围，当脉搏波信号幅值达到阈值，判定其为波峰或波谷，两次判定间的间隔时间印为脉搏周期。对理想的脉搏波信号阈值检测法是一个简单易行的方法。但是不同人体的脉搏波波形差异较大，采集的数据也会有干扰存在，设定固定的阈值或阈值范围会出现无法正确识别波峰或波谷的情况。本系统中采用判断趋势的方法来寻找主波波峰位置，具体步骤可参见图5。该方法模拟了人寻找波峰的过程，通过寻找由脉搏波波形由增变为减的点，找到脉搏波的波峰，进而推出脉搏波相邻波峰之间的间隔，以及被试的瞬时脉率，具有计算方法简单，能够准确找到脉搏波主波波峰位置的优点。
通过MCU微控制器解析脉搏数据，查询并与数据库列表对应，得到当前大脑警觉度，根据对比得到的大脑警觉度控制制冷模块11开启工作，制冷片进行制冷，通过外界的物理刺激调节用户的大脑警觉度，从而提高用户的注意力，实现了用户思维敏捷性及思维敏捷速度的提高。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，包括数据采集单元(1)、中央控制单元(2)、信号输出单元(3)和电源管理单元(4)，所述数据采集单元(1)、所述信号输出单元(3)、所述电源管理单元(4)和所述中央控制单元(2)均为电性连接，所述数据采集单元(1)用于采集用户的生物电信号并将采集到的生物电信号传输至所述中央控制单元(2)，经由所述中央控制单元(2)进行信号解析和数据处理过程，向所述信号输出单元(3)送达相应的信号指令，所述信号输出单元(3)用于接收并执行来自所述中央控制单元(2)的操作指令，所述电源管理单元(4)用于为整个装置提供电能。
2.根据权利要求1所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，所述中央控制单元(2)还外接有上位机(5)，所述上位机(5)通过蓝牙模块(6)与所述中央控制单元(2)实现数据通讯。
3.根据权利要求1所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，所述信号采集单元(1)包括温度探测模块(7)、血氧探测模块(8)和电量采集模块(9)，所述温度探测模块(7)、所述血氧探测模块(8)和所述电量采集模块(9)均与所述中央控制单元(2)为电性连接，所述温度探测模块(7)用于采集用户的温度数值，所述血氧探测模块(8)用于采集用户的脉搏信号，所述电量采集模块(9)用于提示用户当前电量信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，所述信号输出单元(3)包括告警模块(10)、制冷模块(11)和加热模块(12)，当被采集的生物电信号超出预设数值范围时所述告警模块(10)用于发出告警信号进行提示。
5.根据权利要求4所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，所述中央控制单元(2)包括温控模块(21)，所述温控模块(21)和所述制冷模块(11)电性连接，所述温控模块(21)用于调节并提供所述制冷模块(11)所需的工作电流。
6.根据权利要求5所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，所述电源管理单元(4)包括锂电池(13)、稳压模块(14)、LDO模块(15)和开关机电路(16)，所述锂电池(13)和所述电量采集模块(9)电性连接，所述锂电池(13)和所述稳压模块(14)、所述LDO模块(15)均为电性连接，分别经由所述稳压模块(14)输出3.3V电压为所述开关机电路(16)供电，经由所述LDO模块(15)转换电压输出为所述中央控制单元(2)供电，所述LDO模块(15)和所述制冷模块(11)电性连接。
7.根据权利要求5所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，所述温控模块(21)设置为负温度系数热敏电阻。
8.根据权利要求4所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，所述告警模块(10)设置为蜂鸣器，所述制冷模块(11)设置为制冷片，所述加热模块(12)设置为加热片。
9.根据权利要求2所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，其特征在于，所述上位机(5)设置为手持移动终端设备。
10.一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的一种基于光电脉搏反馈的大脑警觉度调控装置，所述方法的具体步骤为首先通过血氧探测模块(8)采集并获得人体的脉搏信号，然后血氧探测模块(8)将脉搏信号经由中央控制单元(2)通过蓝牙模块(6)上传至上位机(5)，上位机(5)采用判断趋势方法寻找主波波峰位置，并通过寻找由脉搏波波形由增变为减的点得到脉搏波的波峰、脉搏波相邻波峰之间的间隔以及当前瞬时脉率，进而得到用户的脉率，通过中央控制单元(2)对应查询数据库列表，得到用户当前的大脑警觉度，最后控制信号输出单元(3)执行相应的操作指令。
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