CN113100724A - 一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统 - Google Patents

一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统 Download PDF

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CN113100724A CN202110394146.9A CN202110394146A CN113100724A CN 113100724 A CN113100724 A CN 113100724A CN 202110394146 A CN202110394146 A CN 202110394146A CN 113100724 A CN113100724 A CN 113100724A
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张翼
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Abstract

本发明提供了一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，该多功能智能服饰系统包括：服饰本体、传感器系统、云端系统和客户端；所述传感器系统安装在服饰本体上，用于实现人体实时定位、姿态检测、心率检测及体温检测的功能，所述云端系统用于接收汇总传感器系统发送的数据，并将根据所述数据得到的对应的显示指令发送给客户端，客户端则根据该显示指令实现定位地图和数据显示，以便进行用户的位置及健康提示和报警，所述传感器系统包括主控制器、体温检测单元、姿态检测单元、心率检测单元、定位单元和通讯单元。本发明的有益效果是：监测成本低，实施方便，提高了对无监护人群的定位及健康监测功能，大大降低了无监护人群的不能及时就医和走失的概率。

Description

一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统
技术领域
本发明涉及智能服装领域，尤其涉及一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统。
背景技术
近些年来，随着经济的发展和文化的交流，人口的流动性越来越大，使得很多儿童的父母及老人的子女不在身边，导致出现了越来越多的留守儿童和空穴老人。而儿童和老人往往认知能力有限，自身很难有效监测自身的体温、姿态、所在位置等信息，因此常常导致老人及儿童出现受寒生病、摔倒、走丢失等问题。一旦老人儿童这类无监护人群发生意外情况，很可能会产生严重的后果，给整个家庭带来沉重的负担。另一方面，随着现代科技不断融入我们的日常生活，纺织和时装设计越来越难满足消费者日益增长的物质需求，人们已不再满足于服饰的保暖或美观需求，而在不断地研发新的、可满足人体全方位监测功能的智能服饰。
现有的智能服装技术往往只考虑到了人体参数的一种或两种，如位置或姿态信息，无法完成人体多方面的生理监测，具有一定的局限性。针对现有智能服饰功能单一的问题，本发明提出了一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，将无监护人群的各种生理参数进行量化，通过比较客观的方法对他们的生活习惯进行监督，对一些常见的突发情况进行及时的发现与报警，从而最大程度避免严重后果的发生。针对老人、儿童经常出现的受寒生病、摔倒、迷路丢失等问题，本发明通过设计传感器系统并将其融入到传统服饰中，实现对老人、儿童姿态的感知、定位、体温测量、心率测量等功能。同时使用云端系统对智能服装穿着者进行全方位的数据分析，并远程传输给客户端，方便老人子女，儿童父母实时获取亲人状态，可极大提高对无监护人群的安全监护能力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，该多功能智能服饰系统包括：服饰本体、传感器系统、云端系统和客户端；所述传感器系统安装在服饰本体上，用于实现人体实时定位、姿态检测、心率检测及体温检测的功能，所述云端系统用于接收汇总传感器系统发送的数据，并将根据所述数据得到的对应的显示指令发送给客户端，客户端则根据该显示指令实现定位地图和数据显示，以便进行用户的位置及健康提示和报警，所述传感器系统包括主控制器、体温检测单元、姿态检测单元、心率检测单元、定位单元和通讯单元；
所述主控制器和体温检测单元、姿态检测单元、心率检测单元及定位单元通过柔性电路板进行电连接，体温检测单元与主控制器双向连接，姿态检测单元、心率检测单元及定位单元单向连接于主控制器；
所述主控制器位于服饰本体的背部中央区域，用于获取体温检测单元、姿态检测单元、心率检测单元及定位单元采集的信息，并将该信息通过通讯单元传输至云端系统；
所述体温检测单元位于服饰本体的两腋下处，用于实时检测人体的体温信息，并将该体温信息传输至主控制器；
所述姿态检测单元位于服饰本体的人体左胸口下方对应处，用于实时检测人体的姿态、速度及加速度信息，并传输至主控制器；
所述心率检测单元位于服饰本体的左胸口对应处，用于实时检测用户的心率信息，并将该心率信息传输至主控制器；
所述定位单元位于服饰本体的背部中上方位置处，用于实时定位用户位置。
进一步地，所述主控制器为80C51系列单片机或STM32系列单片机的微处理器。
进一步地，所述体温检测单元为DS18B20型号或MAX612型号的接触式温度传感器。
进一步地，所述姿态检测单元为MPU6050型号和MPU9250型号的惯性传感器。
进一步地，所述心率检测单元为RT-H001型号或MAX30102型号的心率传感器。
进一步地，所述通讯单元为GSM通信单元，以GPRS的形式将主控制器处理后的数据传输至云端系统。
进一步地，所述传感器系统还包括电源单元，该电源单元由一节4.2V的锂离子电池和LM117系列的稳压芯片构成，位于服饰本体的左口袋处，用于为该传感器系统中的各个单元供电。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：监测成本低，实施方便，提高了对无监护人群的定位及健康监测功能，大大降低了无监护人群的不能及时就医和走失的概率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统的示意图；
图2是本发明实施例中一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统的结构图；
图3是本发明实施例中传感器系统的结构图；
图4是本发明实施例中心率数据处理流程图；
图5是本发明实施例中人体姿态数据处理流程图；
图6是本发明实施例中体温数据处理流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统。
请参考图1-3，图1是本发明实施例中一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统的示意图，图2是本发明实施例中一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统的结构图，图3是本发明实施例中传感器系统的结构图，具体包括：服饰本体100、传感器系统、云端系统和客户端；所述传感器系统安装在服饰本体100上，用于实现人体实时定位、姿态检测、心率检测及体温检测的功能，所述云端系统用于接收汇总传感器系统发送的数据，并在完成数据分析处理后，将根据所述数据得到的相应指令发送给客户端，客户端则根据该指令实现定位地图和数据的显示，以便在特殊情况下进行用户的位置及健康提示和报警，所述传感器系统包括心率检测单元1、姿态检测单元2、电源单元3、通讯单元4、定位单元5、主控制器6和体温检测单元7；
所述主控制器6和体温检测单元7、姿态检测单元2、心率检测单元1及定位单元5通过柔性电路板进行电连接，体温检测单元7与主控制器6双向连接，姿态检测单元2、心率检测单元1及定位单元5单向连接于主控制器6；
所述主控制器6位于服饰本体100的背部中央区域，用于获取体温检测单元7、姿态检测单元2、心率检测单元1及定位单元5采集的信息，并将该信息进行处理后通过通讯单元4传输至云端系统；所述主控制器6为80C51系列单片机或STM32系列单片机等高性能微处理器。
所述体温检测单元7位于服饰本体的两腋下处，用于实时检测人体的体温信息，并将该体温信息传输至主控制器6；所述体温检测单元7为DS18B20型号或MAX612型号的接触式温度传感器。
所述姿态检测单元2位于服饰本体的人体左胸口下方对应处，用于实时检测人体的姿态、速度及加速度信息，并将检测到的相应信息传输至主控制器6；所述姿态检测单元2为MPU6050型号和MPU9250型号的惯性传感器。
所述心率检测单元1位于服饰本体的左胸口对应处，用于实时检测用户的心率信息，并将该心率信息传输至主控制器6；所述心率检测单元1为RT-H001型号或MAX30102型号的心率传感器。
所述定位单元5位于服饰本体的背部中上方位置处，用于实时定位用户位置。定位单元5由GPS定位芯片或北斗定位芯片组成，客户端设置有电子围墙，当老人或者孩子的位置超出设定范围时，客户端将进行自动报警。
所述通讯单元4为GSM通信单元，以GPRS的形式将主控制器6处理后的数据传输至云端系统，之后云端系统进行自动分析和计算。
所述电源单元3由一节4.2V的锂离子电池和LM117系列的稳压芯片构成，位于服饰本体的左口袋处，用于为该传感器系统中的各个单元供电。
所述云端系统主要由一台高性能服务器组成，主要功能为获取传感器系统上传的数据、并进行数据汇总与分类，分析和指令传达。数据分析是其云端系统的核心，处理的内容包括心率数据、姿态数据、定位数据、体温数据几部分。具体地：
心率数据处理：
由于人体经常处于运动状态且由于佩戴不正确等原因，心率检测单元1检测到的心率是不断变化的，因此主控制器6需要对心率检测单元1测得的心率数据进行滤波处理，如图4所示，当心率低于30次/秒或高于180次/秒时，认为是无效数据，需要重新进行心率数据采集。当心率数据在上述范围之内时，主控制器6对获取的心率数据进行均值滤波处理，之后判断处理后的心率信息是否在正常范围(60-100次/分)之内。若在该正常范围之内，则认为用户的心率正常，进行远程传输并保存，否则将认为用户的心率异常，将心率异常信息发送到客户端，用以提醒用户心率异常。
姿态数据处理：
人体的运动具有高度复杂性和不确定性，但每种运动过程都包含自己的运动状态，并且具备一定的规律。因此本发明利用惯性传感器结合相关数据算法进行人体姿态的分析。具体来说，人体姿态数据检测分人体姿态角解算、特征选取、运动状态判别三部分，具体说明如下：
人体姿态角解算
本实施例中以所述姿态检测单元2以MPU9250惯性传感器为例，首先利用MPU9250惯性传感器采集人体的原始姿态信息，利用欧拉角与四元数解算方法，求解出人体相对姿态角，然后根据MPU9250惯性传感器采集的加速度计和磁力计信号，利用重力场和地磁场在地理坐标系与载体坐标系之间的方向余弦转换，解算出绝对姿态角，即航向角Yaw、俯仰角Pitch以及横滚角Roll。
特征选取
以人体姿态角及加速度信息作为姿态特征。在不同运动状态下，人体各方向加速度会呈现不同的变化规律。实际分析发现MPU9250惯性传感器中加速度计的Y方向加速度对于区分人体基本姿态效果显著。因此提取Y方向加速度的一阶差分信号的幅值M作为区分人体姿态的基本特征之一，特征M的计算公式如公式(1)所示：
Figure BDA0003017928880000051
上式中，Acc_y[i]为第i时刻的Y轴加速度。同时，以合加速度A作为运动强度的度量指标，合加速度A的计算公式如公式(2)所示：
Figure BDA0003017928880000061
其中，Acc_x、Acc_y、Acc_z为MPU9250惯性传感器三个正交方向的加速度信号，均由n次采样数据的平均值所得。
运动状态判别
特征M和合加速度A可用于区分基本的动和静两种相对状态，静止状态下的站和躺两种状态可用Pitch角以及Roll角来区分。因为躺又分为平躺、侧躺等不同的细分姿态，所以应该结合Pitch和Roll两个角度设定站与躺的阈值来区分二者。行走和跌倒两种状态下M和A的幅度明显不同，并且当跌倒发生时，Pitch角会有明显的突发性变化。如图5所示，利用上述条件构建姿态判别模型完成对人体姿态的识别。首先判断特征M的绝对值是否大于0.3g；若是，则判断合加速度A的绝对值是否大于1.6g；若合加速度A的绝对值大于1.6g，则判断2s后的人体姿态是否为躺，若是，则得出用户跌倒的结论，若否，则得出用户是在行走的结果。若合加速度A的绝对值不大于1.6g，则可直接得出用户是在行走的结果。若特征M的绝对值是否不大于0.3g，则判断Pitch角是否大于60°，若是，则判断出用户现在的状态是躺者，若否，则判断出用户现在的状态是站着或者走着。g表示重力加速度，典型值为9.8m/s2。当云端系统检测到某个ID的智能服饰穿戴者发生摔倒后，便发送数据到监护者客户端，提醒监护者进行及时处理。
定位数据
由于老人和儿童这种无监护的人群容易出现迷路丢失的情况，因此云客户端设置有电子围栏，以对室内外的老人及儿童进行实时的定位与位置分析。当目标的地点脱离正常工作生活区域时，便发送提示信息给客户端，方便监护者进行及时的处理。
体温数据处理
当用户未正确佩戴智能服饰时，会产生大量无效的体温数据，需对其进行抛弃处理；同时，由于温度具有一定的延迟性，因此常需要在云端系统中使用中值滤波或均值滤波算法对温度传感器获得的温度数据进行滤波，从而得到更为精确检测的体温数据。如图6所示，在采集到温度数据后，判断该温度T是否大于预设温度(32℃)，若是，则需要进行均值滤波处理，若否，则该温度数据无效，重新进行温度数据的采集；在完成温度数据的滤波后，当采集到的温度在人体正常温度范围内(36.1℃-37℃)时，云端系统则将体温历史曲线发送到客户端中；若温度在正常范围外，则发送相关温度警告信息至客户端进行提示。
所述客户端包括电脑和手机APP等，该客户端具有数据可视化、历史数据查询、报警等功能。该部分涉及客户端后台程序的编写和前台界面的设计，以用于实现人机交互功能。老人的子女和儿童的父母这类监管者，通过这类专用的客户端，可实现在电脑、手机等移动端对本发明的智能服饰ID进行绑定，并从云端系统实时获取当前智能定位服饰的位置和姿态信息，从而了解亲人的当前健康状态和定位信息。
通过定位单元5、姿态检测单元2，对无监护人群的健康检测能力及定位能力更强，更加方便，也更加科学。通过将一个智能服饰系统所必须的“监测”、“处理”、“人机交互”三部分进行单元化分离，使得一个单元、单条电路的损坏不会影响整个智能服饰系统的正常工作，系统稳定性更强。
本发明的有益效果是：监测成本低，实施方便，提高了对无监护人群的定位及健康监测功能，大大降低了无监护人群的不能及时就医和走失的概率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，其特征在于：该多功能智能服饰系统包括：服饰本体、传感器系统、云端系统和客户端；所述传感器系统安装在服饰本体上，用于实现人体实时定位、姿态检测、心率检测及体温检测的功能，所述云端系统用于接收汇总传感器系统发送的数据，并将根据所述数据得到的对应的显示指令发送给客户端，客户端则根据该显示指令实现定位地图和数据显示，以便进行用户的位置及健康提示和报警，所述传感器系统包括主控制器、体温检测单元、姿态检测单元、心率检测单元、定位单元和通讯单元；
所述主控制器和体温检测单元、姿态检测单元、心率检测单元及定位单元通过柔性电路板进行电连接，体温检测单元与主控制器双向连接，姿态检测单元、心率检测单元及定位单元单向连接于主控制器；
所述主控制器位于服饰本体的背部中央区域，用于获取体温检测单元、姿态检测单元、心率检测单元及定位单元采集的信息，并将该信息通过通讯单元传输至云端系统；
所述体温检测单元位于服饰本体的两腋下处，用于实时检测人体的体温信息，并将该体温信息传输至主控制器；
所述姿态检测单元位于服饰本体的人体左胸口下方对应处，用于实时检测人体的姿态、速度及加速度信息，并传输至主控制器；
所述心率检测单元位于服饰本体的左胸口对应处，用于实时检测用户的心率信息，并将该心率信息传输至主控制器；
所述定位单元位于服饰本体的背部中上方位置处，用于实时定位用户位置。
2.如权利要求1所述的一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，其特征在于：所述主控制器为80C51系列单片机或STM32系列单片机的微处理器。
3.如权利要求1所述的一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，其特征在于：所述体温检测单元为DS18B20型号或MAX612型号的接触式温度传感器。
4.如权利要求1所述的一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，其特征在于：所述姿态检测单元为MPU6050型号和MPU9250型号的惯性传感器。
5.如权利要求1所述的一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，其特征在于：所述心率检测单元为RT-H001型号或MAX30102型号的心率传感器。
6.如权利要求1所述的一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，其特征在于：所述通讯单元为GSM通信单元，以GPRS的形式将主控制器处理后的数据传输至云端系统。
7.如权利要求1所述的一种针对无监护人群的多功能智能服饰系统，其特征在于：所述传感器系统还包括电源单元，该电源单元由一节4.2V的锂离子电池和LM117系列的稳压芯片构成，位于服饰本体的左口袋处，用于为该传感器系统中的各个单元供电。
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