CN112006667B - 一种基于智能手环的信息采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于智能手环的信息采集系统,该信息采集系统包括智能手环、本地控制终端、以及远程云服务器,智能手环与本地控制终端之间通过无线网络相连接,本地控制终端与远程云服务器之间通过有线或者无线网络相连接,本地控制终端接收智能手环采集的数据,经过封装处理后上传至远程云服务器。本发明中的智能手环佩戴时可用于采集用户的运动状态、体征等数据,未佩戴时还能作为环境光线的亮度采集设备,对所在空间内的光线强度进行采集,丰富了智能手环的使用场景。

Description

一种基于智能手环的信息采集系统
技术领域
本申请涉及信息采集技术领域,尤其涉及一种基于智能手环的信息采集系统。
背景技术
智能可穿戴设备于二十世纪六十年代被麻省理工学院提出,是利用穿戴技术对日常穿戴用品进行智能化设计、开发并完成相应需求的设备。随着mini化智能独立芯片的出现、移动物联网的普及以及商品加工工艺的提升,智能可穿戴设备更加便携化。目前市面上相对活跃的穿戴设备体现形式主要为腕带、手表、眼镜、服饰以及手环,其中智能手环作为智能可穿戴设备领域中最核心的产品一直深受市场的追捧。目前大多数智能手环的产品以运动检测为核心,其组成结构多为显示屏加陀螺仪,功能局限于睡眠检测、心率监测、计步测量与状态分析,并通过蓝牙同步手机APP以实现智能化显示。
我国在智能可穿戴设备的研究、设计、制造行业于2013年起步,智能手环的快速发展得益于多种因素的推动,是技术、产业、用户需求共振的结果。综合以上国内外的智能手环产品,得知市场上大多数智能手环的设计功能均是针对较为年轻的群体,且其产品重心放在运动监测方面,经过一段时间的发展,功能单一,应用范围有限已经成为了制约智能手环发展的瓶颈。如何扩展智能手环的功能以及应用场景,已成为了智能手环发展过程中亟需解决的问题。
发明内容
本申请提供了一种基于智能手环的信息采集系统,该信息采集系统能够监测使用者的体温、心率、血氧、血压等重要体征数据。
本申请采用了的技术方案如下:
一种基于智能手环的信息采集系统,信息采集系统包括智能手环、本地控制终端、以及远程云服务器;
智能手环与本地控制终端之间通过无线网络相连接,本地控制终端与远程云服务器之间通过有线或者无线网络相连接,本地控制终端接收智能手环采集的数据,经过封装处理后上传至远程云服务器;
智能手环由第一手环带、保护外壳、功能电路、第二手环带组成;
功能电路设置在中空的保护外壳内部,并与保护外壳有机结合,实现对人体冷热感的检测、使用状态的检测、计步与睡眠的检测,并通过蓝牙接口与用户的手机 APP 通讯,将检测数据同步至用户的手机;
功能电路由控制单元、无线通信单元、信息采集单元、供电单元、显示单元以及振动提醒单元组成,其中信息采集单元包括使用状态检测模块、运动检测模块、体征检测模块以及亮度采集模块;
第一手环带的一端设置有手环带穿孔,另一端通过信号传输触点与功能电路相连,第一手环带上设置有多个卡扣穿孔,其内侧表面上设置有吸汗织物层,手环带穿孔为横向宽、纵向窄的椭圆形,椭圆形的横轴宽于第一手环带的宽度,以使得第二手环带从手环带穿孔中穿过;手环带穿孔的靠外侧部分的内表面上设置有穿孔内壁磁吸,穿孔内壁磁吸的长度小于手环带穿孔的椭圆周长的一半,在穿孔内壁磁吸中间内嵌设置有亮度采集触点,亮度采集触点通过设置在第一手环带中的连接线与信号传输触点相连,当亮度采集触点与纽扣电池仓外侧壁接触时,亮度采集模块与功能电路中的控制单元相连;
第二手环带的一端设置有亮度采集模块,亮度采集模块通过设置在第二手环带上的安装孔固定在第二手环带上,并且亮度采集模块能够沿安装孔的方向移动;
亮度采集模块从上之下依次是亮度采集窗口和LED灯环、纽扣电池仓以及卡扣,亮度采集窗口和LED灯环均为圆形,LED灯环环绕设置在亮度采集窗口外侧,亮度采集电路由纽扣电池仓供电,并设置于亮度采集窗口中,通过亮度采集窗口采集环境光亮度信息;
第一手环带和第二手环带中均内嵌有磁性片,将第二手环带穿过手环带穿孔,并将卡扣卡入卡扣穿孔中时,第一手环带的外侧表面与第二手环带的内侧表面相互吸合。
进一步的,LED灯环也由纽扣电池仓供电,通过旋转卡扣进行LED灯环的点亮和关闭操作。
进一步的,亮度采集模块能够沿安装孔的方向移动,具体包括:将亮度采集模块沿安装孔上移,纽扣电池仓从安装孔中露出,通过将手环带穿孔的穿孔内壁磁吸中内嵌设置的亮度采集触点与纽扣电池仓侧壁相连,将亮度采集模块与功能电路中的控制单元相连。
进一步的,将亮度采集模块沿安装孔下移,卡扣从安装孔中露出,将第二手环带穿过手环带穿孔,并将卡扣卡入卡扣穿孔中,第一手环带的外侧表面与第二手环带的内侧表面相互吸合,亮度采集模块未与功能电路中的控制单元相连。
进一步的,控制单元采用STM32F103RBT6芯片,分别与无线通信单元、信息采集单元、供电单元、显示单元以及振动提醒单元相连接,获取并处理信息采集单元发送的数据信息。
进一步的,供电单元包括充电电路、稳压电路以及锂电池,其中充电电路采用TP4056作为主芯片通过USB口给锂电池充电,稳压电路采用TPS7333Q和SGM2019-3.3稳压芯片,锂电池采用4.2V400mAh锂电池作为智能手环供电电源。
进一步的,状态检测模块采用电容检测芯片CY8CMBR3108,通过检测用户皮肤与智手环之间接触产生的接触容值来判断智能手环是否处于佩戴状态。
进一步的,通过检测用户皮肤与智手环之间接触产生的接触容值来判断智能手环是否处于佩戴状态,具体包括:
步骤1、获取未佩戴参考值,并每隔预定时间读取一个周期内的用户皮肤与智能手环之间接触产生的接触容值,计算接触容值与未佩戴参考值之间的差值;
步骤2、若在预定佩戴检测次数内差值均满足佩戴预设范围,则判定智能手环处于佩戴状态。
进一步的,当控制单元根据状态检测模块的检测结果判断出目前智能手环处在未佩戴状态,则会将当前智能手环所处的未佩戴状态发送给本地控制终端,并由本地控制终端进行数据处理后上报至远程云服务器。
进一步的,远程云服务器通过向智能手环绑定用户的手机APP推送提醒消息的方式,提醒用户当前智能手环出于未佩戴状态,通过将手环带穿孔的穿孔内壁磁吸中内嵌设置的亮度采集触点与纽扣电池仓侧壁相连的方式来启用智能手环的环境亮度采集功能。
通过本申请实施例,可以获得如下技术效果:本申请中的智能手环佩戴时可用于采集用户的运动状态、体征等数据,未佩戴时还能作为环境光线的亮度采集设备,对所在空间内的光线强度进行采集,丰富了智能手环的使用场景,而不像现有的智能手环智能在用户佩戴时才能发挥作用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本申请的一些实施例,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,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请的基于智能手环的信息采集系统的组成结构示意图;
图2为本申请的智能手环的组成结构示意图;
图3为智能手环中控制单元的电路示意图;
图4为智能手环中供电单元的电路示意图;
图5为智能手环中超宽带无线通信模块的电路示意图;
图6为智能手环中蓝牙模块的电路示意图;
图7为体征检测模块中体温部分的电路示意图;
图8为智能手环中状态检测模块的电路示意图;
图9为体征检测模块中心率血压部分的电路示意图;
图10为体征检测模块中血氧部分的电路示意图;
图11为智能手环中运动检测模块的电路示意图;
图12为智能手环中状态检测模块的工作流程图。
附图说明
101 第一手环带、102 保护外壳、103 功能电路、104 亮度采集窗口、105 手环带穿孔、106 吸汗织物层、107 穿孔内壁磁吸、108第二手环带、109 亮度采集触点、110 LED灯环、111 纽扣电池仓、112 卡扣。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例,都属于本申请保护的范围。
图1为本申请的基于智能手环的信息采集系统的组成结构示意图。所述信息采集系统包括智能手环、本地控制终端、以及远程云服务器。
智能手环与本地控制终端之间通过无线网络相连接,本地控制终端与远程云服务器之间通过有线或者无线网络相连接,本地控制终端接收智能手环采集的数据,经过封装处理后上传至远程云服务器。
智能手环是数据采集载体,并通过无线通信来实现对采集数据的传输。智能手环所实现的主要功能如下:1)体征和运动数据检测功能,包括温度检测功能、睡眠检测与运动检测功能;2)无线通信功能,通过蓝牙接口实现与用户终端(例如手机)的数据交互;3)佩戴检测功能,通过检测当前智能手环是否处于佩戴状态,以进行不同工作模式的切换,并当智能手环处于未佩戴状态时,启用智能手环的环境光检测功能,对所在空间的环境光亮度进行检测;4)自动充电功能,通过可充电锂电池进行自动充电,以保证15天以上的待机时间;5)显示功能,采用 OLED 集成显示模块,实现日期、时间、温度,计步,电池电量等数据的实时显示;6)按键功能,通过配置触摸按键,实现智能手环的功能配置以及手动控制。
图2为本申请的智能手环的组成结构示意图。智能手环由第一手环带、保护外壳、功能电路、第二手环带组成;
功能电路设置在中空的保护外壳内部,并与保护外壳有机结合,实现对人体冷热感的检测、使用状态的检测、计步与睡眠的检测,并通过蓝牙接口与用户的手机 APP 通讯,将检测数据同步至用户的手机;
功能电路由控制单元、无线通信单元、信息采集单元、供电单元、显示单元以及振动提醒单元组成,其中所述信息采集单元包括使用状态检测模块、运动检测模块、体征检测模块以及亮度采集模块;
所述第一手环带的一端设置有手环带穿孔,另一端通过信号传输触点与功能电路相连,所述第一手环带上设置有多个卡扣穿孔,其内侧表面上设置有吸汗织物层,所述手环带穿孔为横向宽、纵向窄的椭圆形,所述椭圆形的横轴宽于所述第一手环带的宽度,以使得第二手环带从手环带穿孔中穿过;所述手环带穿孔的靠外侧部分的内表面上设置有穿孔内壁磁吸,所述穿孔内壁磁吸的长度小于所述手环带穿孔的椭圆周长的一半,在所述穿孔内壁磁吸中间内嵌设置有亮度采集触点,所述亮度采集触点通过设置在所述第一手环带中的连接线与所述信号传输触点相连,当所述亮度采集触点与纽扣电池仓外侧壁接触时,所述亮度采集模块与功能电路中的控制单元相连;
所述第二手环带的一端设置有亮度采集模块,所述亮度采集模块通过设置在所述第二手环带上的安装孔固定在所述第二手环带上,并且所述亮度采集模块能够沿安装孔的方向移动;
所述亮度采集模块从上之下依次是亮度采集窗口和LED灯环、纽扣电池仓以及卡扣,亮度采集窗口和LED灯环均为圆形,所述LED灯环环绕设置在所述亮度采集窗口外侧,亮度采集电路由纽扣电池仓供电,并设置于所述亮度采集窗口中,通过所述亮度采集窗口采集环境光亮度信息;所述LED灯环也由纽扣电池仓供电,通过旋转卡扣进行所述LED灯环的点亮和关闭操作;
所述第一手环带和所述第二手环带中均内嵌有磁性片,将第二手环带穿过所述手环带穿孔,并将所述卡扣卡入所述卡扣穿孔中时,所述第一手环带的外侧表面与所述第二手环带的内侧表面相互吸合。
在上述设计中,通过在第一手环带内侧设置吸汗织物层106,能够增加用户佩戴的舒适性。将手环带穿孔设置为横宽纵窄的椭圆形,一方面是为了方便第二手环带,另一方面是为了防止手环带穿孔因为向外的拉力而变形,影响第二手环带的固定。第一手环带的一端通过信号传输触点与功能电路相连,可以通过机械卡扣和/或磁吸部件来确保第一手环带与功能电路连接的牢固性。
通过在手环带穿孔的靠外侧部分的内表面上设置穿孔内壁磁吸,是为了将亮度采集触点与纽扣电池仓外侧壁更牢固的接触,而不会因为手环带的轻微移动而中断连接。在保证接触牢固的同时,为了能够一定程度上方便连接的断开,将穿孔内壁磁吸的长度设置为小于手环带穿孔的椭圆周长的一半。当亮度采集触点与纽扣电池仓外侧壁接触时,亮度采集模块与功能电路中的控制单元相连,控制单元能够通过亮度采集模块来获取环境光线的亮度数据。
通过将亮度采集模块沿安装孔的方向移动来选择不同的工作模式:
1)未佩戴智能手环:将亮度采集模块沿安装孔上移,由于卡扣的直径大于安装孔的直径,因此,在亮度采集模块沿安装孔上移的过程中,卡扣将起到限位的作用,将亮度采集模块上移之后,纽扣电池仓从安装孔中露出,此时可以通过将手环带穿孔的穿孔内壁磁吸中内嵌设置的亮度采集触点与纽扣电池仓侧壁相连,将亮度采集模块与功能电路中的控制单元相连,穿孔内壁磁吸与纽扣电池仓侧壁之间的吸合力能够确保连接的稳定不断线;
2)佩戴智能手环:将亮度采集模块沿安装孔下移,由于亮度采集窗口的直径大于安装孔的直径,因此,在亮度采集模块沿安装孔下移的过程中,亮度采集窗口将起到限位的作用,将亮度采集模块下移之后,卡扣从安装孔中露出,将第二手环带穿过手环带穿孔,并将卡扣卡入卡扣穿孔中,第一手环带的外侧表面与第二手环带的内侧表面相互吸合,亮度采集模块未与功能电路中的控制单元相连,仅对使用状态、以及用户的运动状态、体征进行检测;
除了上述两种方式之外,用户也可以选择将手环带穿孔的穿孔内壁磁吸中内嵌设置的亮度采集触点与纽扣电池仓侧壁相连的佩戴方式,对于这样的佩戴方式,用户将不能对手环带的环绕口径进行调节,此时由于环绕口径较大,已经不适合带在手腕上(对于普通人而言),可以带在大臂、小腿等位置。
LED灯环的设置是为了起到提示的作用,通过旋转卡扣进行LED灯环的点亮和关闭操作,当用户在户外进行夜跑时,发光的LED灯环加上被LED灯环所环绕的亮度采集窗口对灯环光亮的反射,在起到提示效果的同时,也不需要更大面积的LED灯环,也能节省电量,延长纽扣电池的工作时长。
本申请中的智能手环佩戴时可用于采集用户的运动状态、体征等数据,未佩戴时还能作为环境光线的亮度采集设备,对所在空间内的光线强度进行采集,丰富了智能手环的使用场景,而不像现有的智能手环智能在用户佩戴时才能发挥作用。
接下来重点介绍本申请智能手环中的功能电路。
图3为智能手环中控制单元的电路示意图。控制单元采用STM32F103RBT6芯片,分别与无线通信单元、信息采集单元、供电单元、显示单元以及振动提醒单元相连接,获取并处理信息采集单元发送的数据信息。控制单元主要用于控制信息采集单元的数据采集、数据处理与数据传输,由于智能手环连接的传感器数目较多,所以控制单元需要有较高的处理速度与足够的I/O引脚。根据心率血压传感器、血氧传感器、体温传感器、显示屏、陀螺仪、蓝牙模块、超宽带无线通信模块的数据传输协议,在综合考虑价格、性能的情况下选择意法半导体公司的STM32F103RBT6型号单片机作为主控MCU。STM32F103RBT6是以Cortex-M3为内核的32位处理器,64-LQFP封装,片内有2组SPI接口、2组硬件IIC接口、3组UART,满足传感器接口要求。
STM32F103RBT6最小系统电路设计选择HES晶振8MHZ、20pF负载电容,晶振电路为主控MCU提供时钟基准。STM32单片机供电电压由锂电池经TPS7333Q稳压后得到。为了降低电源端噪声,选取4个100nF的电源去耦电容,电容不仅可以提供较为稳定的电源还能减小其他元件受此噪声的影响。STM32是低电平复位,VCC串联一个10K电阻和0.1uF电容接地,按键接到电容两端。
图4为智能手环中供电单元的电路示意图。供电单元包括充电电路、稳压电路以及锂电池,其中充电电路采用TP4056作为主芯片通过USB口给锂电池充电,稳压电路采用TPS7333Q和SGM2019-3.3稳压芯片给各个单元提供3.3V稳定工作电压,锂电池采用4.2V400mAh锂电池作为智能手环供电电源。
对目前市场上的智能手环、智能手表进行调查统计后,本智能手环决定用4.2V锂电池供电,通过USB口进行程序下载、调试和充电,充电芯片选用TP4056。考虑电路负载情况选用两个3.3V稳压芯片,TPS7333Q芯片稳压后电源用于给各单元供电。TP4056是一款完整的单节锂电池恒定电流线性充电器,可以配合适配器电源、USB电源工作。TP4056采用内部PMOSFET架构,含有防倒冲电路可以自动调节充电电流,防止芯片在高温或大功率环境下烧毁。TP4056的预设充电电压固定为4.2V,精度为1%,TP4056还有欠压闭锁、电池温度检测、涓流充电、自动再充电等功能。其中TEMP引脚为电池温度检测输入端,使用时需接电池NTC传感器的输出端,本申请中将该引脚直接接地;PROG引脚为恒流充电电流设置端用于设置充电电流,不启用该功能则接地;VCC引脚为输入电压正输入端,此管脚的电压为内部电路的工作电压,与USB口的电压输入正端相连;CE引脚为芯片使能端高电平使TP4056处于工作状态,低电平将禁止充电芯片充电;CHRG和STDBY引脚为充电状态指示灯引脚,通过1K电阻连接到D3、D4发光二极管,当充电器向电池充电时CHRG管脚被内部开关拉到低电平,此时D3二极管点亮表示正在充电,当充电完成时CHRG管脚处于高阻态,STDBY管脚内部电平拉低,D4二极管亮,D3二极管灭;BAT引脚为电池连接端,通过自锁开关K1连接到锂电池正极。TPS7333Q低压差稳压器能将3.77-10V之间的输入电压转化为3.3V输出,其中芯片的3、4引脚为电源输入端,接电池VBAT,RESET引脚为复位引脚,当芯片处于欠压状态时输出启动复位引脚。
无线通信单元包括蓝牙模块和超宽带无线通信模块,蓝牙模块采用TICC254X蓝牙4.0无线模组进行数据透传,超宽带无线通信模块采用ATxmega384C3-MH微控制芯片配合双向测距芯片DW1000-ES与本地控制终端进行信号通信。
本申请采用超宽带技术进行无线数据传输的其中一个原因是,超宽带技术是对冲激脉冲进行直接调制,使信号具有千兆赫兹量级带宽的新型无线通信技术,超宽带技术因具有传输速率高、通信带宽大、功耗小等特点被广泛用于近距离高速率通信、低速率传感器网络、成像、车载雷达等多个领域。图5为智能手环中超宽带无线通信模块的电路示意图。本申请中的超宽带无线通信模块包括DW1000超宽带无线通信芯片、TPS62202与TCR2EF30稳压芯片和ATxmega384C3-MH微控制芯片组成。
微控制芯片ATxmega384C3-MH与智能手环的控制单元通过UART3通信,ATxmega384C3-MH与DW1000-ES通信协议为SPI,超宽带无线通信模块以3S时间间隔将智能手环的数据信息发送至本地控制终端。ATxmega384C3-MH是高性能低功耗的8位微控制器,它有384KB系统自编程闪存、4KB的EEPROM两声道DMA控制器、一个USB设备接口、3个USART、50个可编程I/O引脚。DW1000芯片的兼容IEEE802.15.4-2011协议的超宽带无线收发芯片,理想情况下最远传输距离为300m,最小定位误差为10cm,芯片供电电压为2.8V-3.6V,需外接外部38.4MHz晶振。芯片支持SPI通信,数据传输速率最高可达6.8Mb/s,DW1000超宽带无线收发芯片电路选用3.0V作为芯片供电电压,1.8V作为VDDLDOA引脚的供电电压,选用TPS62202芯片,其输入电压范围为2.5-6V输出电压稳定在1.8V,输出电流为300mA。选用TCR2EF30低压差稳压器获得3V供电电压。
图6为智能手环中蓝牙模块的电路示意图,蓝牙模块采用TICC254X蓝牙4.0无线模组,目前常用无线传输方式有WIFI传输与蓝牙传输,考虑到WIFI传输需要借助于路由器等接入热点,在使用场景的选择中会受到一定限制,因此选用蓝牙无线传输方式。TICC254X蓝牙4.0无线模组是根据TI公司的CC2541F256芯片研发的射频模块,具有功耗低、体积小、抗干扰性强等特点,能实现模块与手机之间的数据透传、模块与模块的数据透传。TICC254X蓝牙模组配置有多余的I/O引脚,可用于功能拓展。使用低功耗蓝牙时只需接其中几个I/O口。模组的GND端与外部控制单元共地,芯片电源引脚VCC接TPS7333Q的输出电压。P0_0为串口功能使能引脚,默认为高电平,当与外部控制单元(例如用户的手机)通信时必须置为低电平;P0_1为透传命令控制引脚,该引脚置于高电平则表示蓝牙处于数据透传模式,置于低电平为发送命令模式,本申请中将该引脚电平拉高;P0_2为蓝牙串口接收端与控制单元的PA9相连,P0_3为蓝牙模组串口发送端与控制单元的PA10相连。
信息采集单元包括使用状态检测模块、运动检测模块、体征检测模块以及亮度采集模块。
图8为智能手环中状态检测模块的电路示意图。状态检测模块采用电容检测芯片CY8CMBR3108,通过检测用户皮肤与所述智手环之间接触产生的接触容值来判断智能手环是否处于佩戴状态;
状态检测模块的原理是基于导电布中间有手环背壳后才有外界空气或者用户皮肤进行接触,具有比普通电容检测距离稍大的特点;且要求系统功耗足够低,基于如此特点,本申请采用电容检测芯片CY8CMBR3108,CY8CMBR3xxx系列支持多达两个接近感应传感器,其检测距离高达30cm。CY8CMBR3xxx系列具有强大的CSDPLUS电容式感应算法,并具有耐水性设计,可避免由潮湿条件(水滴、潮敏、水雾、蒸汽,甚至湿手)引起的误触摸。
图12为智能手环中状态检测模块的工作流程图。所述通过检测用户皮肤与所述智手环之间接触产生的接触容值来判断智能手环是否处于佩戴状态,具体包括:
步骤1、获取未佩戴参考值,并每隔预定时间读取一个周期内的用户皮肤与所述智能手环之间接触产生的接触容值,计算所述接触容值与所述未佩戴参考值之间的差值;
在获取到未佩戴参考值后,可以每隔10s读取一个周期内的用户皮肤与智能手环之间接触产生的接触容值,并计算读取的接触容值与未佩戴参考值之间的差值,根据差值的大小范围来确定智能穿戴设备的穿戴状态,如佩戴状态或未佩戴状态。
步骤2、若在预定佩戴检测次数内所述差值均满足佩戴预设范围,则判定所述智能手环处于佩戴状态。
在上述步骤1之前,还包括初始化步骤,具体如下:
启动智能手环,在开机预定时间后,自动进入初始化程序,待初始化完成,读取首个周期内的接触容值,并将该接触容值作为未佩戴参考值,在一个预设周期内读取3次用户皮肤与所述智能手环之间的接触容值,并将3次获取的接触容值进行加和运算得到佩戴预设范围。
预定佩戴次数可以设定为20次等,具体不作限定;而差值M满足的预设范围可以是:差值M>800或300<M≤800,当然具体数值范围并不限。为获取智能手表的检测参数,以判断接触容值在多大情况下处于佩戴状态,通过多次试验,当检测的电容值大于5300时,可判断手环处于佩戴状态,多次试验得到的检测数据如下表所示:
序号 测试试验条件 测试结果(电容容值:单位pF)
1 正常未佩戴状态 4850±100
2 放在金属导体上状态 4950±100
3 双手紧触手环两侧状态 5050±100
4 松带手环状态 4850±100
5 松带接触皮肤 5300±200
6 全贴皮肤 5800±100
7 紧贴皮肤 6000±100
当控制单元根据所述状态检测模块的检测结果判断出目前智能手环处在未佩戴状态,则会将当前智能手环所处的未佩戴状态发送给本地控制终端,并由所述本地控制终端进行数据处理后上报至远程云服务器。远程云服务器通过向智能手环绑定用户的手机APP推送提醒消息的方式,可以提醒用户当前智能手环出于未佩戴状态,可以通过将手环带穿孔的穿孔内壁磁吸中内嵌设置的亮度采集触点与纽扣电池仓侧壁相连的方式来启用智能手环的环境亮度采集功能。
图11为智能手环中运动检测模块的电路示意图,运动检测模块采用MPU6050六轴加速度陀螺仪进行运动量计算。MPU6050带有16位ADC和信号调理的三轴MEMS陀螺仪,它可检测XYZ三轴旋转角度,当陀螺仪围绕任何感应轴旋转时,由于科里奥利效应,电容式传感器将会检测到振动,将振动信号经过放大、解调、滤波后产生与角速度成比例的电压,经过单独片内AD转换后输出。本申请中,运动检测模块直接由TPS7333Q稳压得到的3.3V进行供电芯片的SCL和SDA引脚连接MCU的PC10、PC11引脚,外接4.7K上拉电阻,控制器通过这个IIC接口与MPU6050进行数据通信。AD0为从IIC接口连接控制器的地址控制引脚,AD0通过10K下拉电阻与地相连,其中120Ω电阻起保护电路的作用。
图7为体征检测模块中体温部分的电路示意图,图9为体征检测模块中心率血压部分的电路示意图,图10为体征检测模块中血氧部分的电路示意图。体征检测模块体温部分选取非接触式红外传感器MLX90615,血氧部分选取临近光传感器MAX30100获取人体血氧饱和度,心率血压部分选用YK1801光电反射脉搏传感器结合模拟前端芯片MN8802采集人体血液循环信息输出脉搏波数据,通过脉搏波特征点建立回归方程计算血压值。
体温部分传感器的选择上若用接触式传感器,传感器长期接触人体皮肤,皮肤上的汗液与灰尘容易对其精度造成影响。故选用高精度非接触式红外温度传感器MLX90615,其内部集成了信号处理与电热堆芯片,低噪声放大器、ADC和DSP处理单元的高度集成实现了传感器高精度测量。传感器工作温度范围为-40-+125℃、被测目标的温度范围为-70-+380℃、测量值分辨率为0.02℃。传感器数据接口为数字式的PWM和SMBus,MLX90615温度传感器供电电压由SGM2019-3.3稳压得到,电源引脚串联发光二极管D5后接地用作于传感器供电指示灯,SDA、SCL引脚串联4.7K上拉电阻接控制单元的PA5、PA6引脚。其中SCL为SMBus通信协议中的串行时钟输入,SDA为数字输入输出。
显示单元采用1.44寸TFT-LCD显示屏,结合ILI9163V点阵驱动芯片和FT6X06触摸驱动芯片实现触摸屏功能。智能手环中用户通过触摸按键实现功能的切换与数据查询,所以根据智能手环功能设计的界面,一个为时钟界面用来显示实时时间;一个为主菜单界面让用户来自主选择需要的功能;另一个为显示界面实时显示所采集到的数据。综合手环硬件的接口、功耗、像素等各方面情况,选择1.44寸TFT-LCD显示单元结合ILI9163V点阵驱动芯片与FT6X06触摸驱动芯片实现触摸屏功能。显示单元的供电电压为2.8V~3.6V、工作电流为21mA、刷新速率为80Hz、工作温度范围为-20~+85°C,1.44寸LCD显示单元有29Pin接口,其中供电电压为3.3V,TFT_BL接口为显示屏背光接口,TFT_CS为片选端口。显示单元支持SPI协议,本发明使用模拟SPI三线接口,TFT_SCL为时钟信号接口,TFT_DIN为数据信号接口分别与控制单元的PB14、PB15引脚相连。
本申请中采用超宽带无线通信技术的通信模块实现智能手环与本地控制终端之间的通信,并将采集数据发送至本地控制终端。本地控制终端对接收到的采集数据进行处理,进一步包括:
步骤1、当本地控制终端接收到来自智能手环的数据信息后, 对数据信息进行暂存,并将在预设时段内获得的n个数据信息进行集合以得到集合后的数据信息,使用对称加密算法对集合后的数据信息进行加密后,得到对称加密后的集合数据信息T=encry(C),C为一个向量 C=(c1, c2,……, cn)τ
在上述步骤中,考虑到虽然采集到一个数据就传输一个数据的方式时效性较好,但这种做法也非常浪费通信资源, 因此本申请中采用了先进行数据信息暂存,对预设时间段内的暂存数据信息进行集合并统一加密处理的方式, 在预设的有效时间段内将数据信息上报给远程云服务器,有效节省通信资源的同时也保证了数据通信的安全性。
步骤2、所述本地控制终端运行SimEnc()算法对向量C=(c1, c2,……, cn)τ采用如下公式进行加密,生成加密后的密文δ:
并对加密后的后的密文δ生成签名 Sig;
步骤3、将加密后的密文δ和签名 Sig绑定,并使用公钥加密后发送至远程云服务器;
步骤4、结束,并返回步骤1;
本地控制终端通过对称加密和公钥加密两次加密过程,使采集信息的传输更加安全。
关于上述加密过程中所采用的加密SimEnc()算法,作如下说明:
设l、k、s为正整数, 并且满足l = s2 和 k=2l,Fq为有限域,明文为 (x1,……,xl) ∈ Fl q, 密文为 (y1,……, yk) ∈ Fk q,核心映射的包括3个s *s的矩阵:
其中, xi∈ Fq, bi和 ci是集合{x1,……, xl}中元素的随机线性组合,定义 E1=AB, E2=AC, 并设 f(i−1)s+j和fs2+(i−1)s+j∈ Fq[x1,……,xl]为E1和E2中对应座标(i,j)的元素(i,j=1,2,……,s),于是,就可以得到k个多项式f1, f2,……,fk, 则定义如下映射:
随机取两个可逆仿射变换 L1:Fl q→ Fl q和L2:Fk q→ Fk q, 定义如下映射:
上述映射即为加密的过程,并将其记为SimEnc(),在上述加密过程中的参数s即为本申请中数据信息的个数n。解密算法即为上述机密过程的逆运算,即对上述映射求逆运算,再次不做详细说明,解密算法记为SimDec()。
本地控制终端使用加密算法SimEnc()对接收到的数据加密后转发至远程云服务器,远程云服务器使用解密算法SimDec()解密后获得其中的有效数据并进行分析处理。
远程云服务器对接收到的数据进行分析处理,将接收到的数据与预设的体征指标进行比对,当判断出现异常时,将通过本地控制终端向智能手环以及绑定用户的手机APP推送异常提醒,智能手环将通过振动提醒单元,以振动的方式提醒使用者,用户可以通过手机APP主动访问远程云服务器,了解智能手环所采集到的各项数据的分析结果。
关于远程云服务器对数据进行分析处理所采用的算法和分析模型、用户通过手机APP主动访问远程云服务器的流程和具体交互方式、以及针对不同的分析结果如何有效利用并进行用户提醒,不属于本申请的重点内容,在此不做详细描述。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于智能手环的信息采集系统,其特征在于,所述信息采集系统包括智能手环、本地控制终端、以及远程云服务器;
智能手环与本地控制终端之间通过无线网络相连接,本地控制终端与远程云服务器之间通过有线或者无线网络相连接,本地控制终端接收智能手环采集的数据,经过封装处理后上传至远程云服务器;
智能手环由第一手环带、保护外壳、功能电路、第二手环带组成;
功能电路实现对人体冷热感的检测、使用状态的检测、计步与睡眠的检测,并通过无线网络与本地控制终端中的APP通讯,将检测数据同步至本地控制终端;
功能电路由控制单元、无线通信单元、信息采集单元、供电单元、显示单元以及振动提醒单元组成,其中所述信息采集单元包括使用状态检测模块、运动检测模块、体征检测模块以及亮度采集模块;
所述第一手环带的一端设置有手环带穿孔,另一端通过信号传输触点与功能电路相连,所述第一手环带上设置有多个卡扣穿孔,其内侧表面上设置有吸汗织物层,所述手环带穿孔为横向宽、纵向窄的椭圆形,所述椭圆形的横轴宽于所述第一手环带的宽度,以使得第二手环带从手环带穿孔中穿过;所述手环带穿孔的靠外侧部分的内表面上设置有穿孔内壁磁吸,所述穿孔内壁磁吸的长度小于所述手环带穿孔的椭圆周长的一半,在所述穿孔内壁磁吸中间内嵌设置有亮度采集触点,所述亮度采集触点通过设置在所述第一手环带中的连接线与所述信号传输触点相连,当所述亮度采集触点与纽扣电池仓外侧壁接触时,所述亮度采集模块与功能电路中的控制单元相连;
所述第二手环带的一端设置有亮度采集模块,所述亮度采集模块通过设置在所述第二手环带上的安装孔固定在所述第二手环带上,并且所述亮度采集模块能够沿安装孔的方向移动;
所述亮度采集模块包括亮度采集窗口和LED灯环、纽扣电池仓以及卡扣,亮度采集窗口和LED灯环均为圆形,所述LED灯环环绕设置在所述亮度采集窗口外侧,亮度采集电路由纽扣电池仓供电,并设置于所述亮度采集窗口中,通过所述亮度采集窗口采集环境光亮度信息;
所述第一手环带和所述第二手环带中均内嵌有磁性片,将第二手环带穿过所述手环带穿孔,并将所述卡扣卡入所述卡扣穿孔中时,所述第一手环带的外侧表面与所述第二手环带的内侧表面相互吸合。
2.根据权利要求1所述的信息采集系统,其特征在于,所述LED灯环也由纽扣电池仓供电,通过旋转卡扣进行所述LED灯环的点亮和关闭操作。
3.根据权利要求1或2所述的信息采集系统,其特征在于,所述亮度采集模块能够沿安装孔的方向移动,具体包括:将亮度采集模块沿安装孔上移,纽扣电池仓从安装孔中露出,通过将手环带穿孔的穿孔内壁磁吸中内嵌设置的亮度采集触点与纽扣电池仓侧壁相连,将亮度采集模块与功能电路中的控制单元相连。
4.根据权利要求1或2所述的信息采集系统,其特征在于,将亮度采集模块沿安装孔下移,卡扣从安装孔中露出,将第二手环带穿过手环带穿孔,并将卡扣卡入卡扣穿孔中,第一手环带的外侧表面与第二手环带的内侧表面相互吸合,亮度采集模块未与功能电路中的控制单元相连。
5.根据权利要求1所述的信息采集系统,其特征在于,所述控制单元采用STM32F103RBT6芯片,分别与无线通信单元、信息采集单元、供电单元、显示单元以及振动提醒单元相连接,获取并处理信息采集单元发送的数据信息。
6.根据权利要求1所述的信息采集系统,其特征在于,供电单元包括充电电路、稳压电路以及锂电池,其中充电电路采用TP4056作为主芯片通过USB口给锂电池充电,稳压电路采用TPS7333Q和SGM2019-3.3稳压芯片,锂电池采用4.2V400mAh锂电池作为智能手环供电电源。
7.根据权利要求1所述的信息采集系统,其特征在于,所述状态检测模块采用电容检测芯片CY8CMBR3108,通过检测用户皮肤与所述智能手环之间接触产生的接触容值来判断智能手环是否处于佩戴状态。
8.根据权利要求7所述的信息采集系统,其特征在于,所述通过检测用户皮肤与所述智能手环之间接触产生的接触容值来判断智能手环是否处于佩戴状态,具体包括:
步骤1、获取未佩戴参考值,并每隔预定时间读取一个周期内的用户皮肤与所述智能手环之间接触产生的接触容值,计算所述接触容值与所述未佩戴参考值之间的差值;
步骤2、若在预定佩戴检测次数内所述差值均满足佩戴预设范围,则判定所述智能手环处于佩戴状态。
9.根据权利要求8所述的信息采集系统,其特征在于,当控制单元根据所述状态检测模块的检测结果判断出目前智能手环处在未佩戴状态,则会将当前智能手环所处的未佩戴状态发送给本地控制终端,并由所述本地控制终端进行数据处理后上报至远程云服务器。
10.根据权利要求9所述的信息采集系统,其特征在于,远程云服务器通过向智能手环绑定用户的本地控制终端中的APP推送提醒消息的方式,提醒用户当前智能手环出于未佩戴状态,通过将手环带穿孔的穿孔内壁磁吸中内嵌设置的亮度采集触点与纽扣电池仓侧壁相连的方式来启用智能手环的环境亮度采集功能。
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