CN113729676A - 一种智能生命体征监护设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种智能非视觉无接触生命体征监护设备，包括前端设备，其中包括：雷达传感器，雷达传感器包括：雷达信号收发处理单元、信号输出单元；雷达信号收发处理单元包括：雷达芯片、收发天线、程序存储器、时钟晶振；雷达芯片用于前端采集信号，程序存储器用于保存应用程序代码，时钟晶振用于提供时钟信号；雷达信号收发处理单元用于雷达信号的产生、放大、发射、接收、混频和中频信号采集处理，通过中频信号分析频率、相位及幅度特性分析，实现对设备振动特性、位移的实时准确测量。本发明采用非接触式生命体征监测有助于最大程度地减少通过接触点和接触者造成的病毒传播，更好地确保人员接触安全。
Description
技术领域
本发明涉及智能实时监护技术领域，具体而言，涉及一种智能生命体征监护设备。
背景技术
研究表明，静态心率高的人患心脏相关疾病的风险更高，而静态心率低的人未来则有可能需要永久植入起搏器。对患有上述疾病的使用者进行呼吸频率和心率的监测，将有可能挽救其生命。
目前生命体征的测量主要分为接触式和非接触式两种。接触式的测量主要是通过传感器或生物电极提取生理信息，然后通过转化装置就可以得到能表征人体生理活动的电信号或者机械信号。但是这种方法的缺点是必须直接接触人体并且只适合短时间的连续监测，并且在某些特殊的场合比如传染病人、烧伤病人、新生儿等的生命体征监测中较难实施。在当前正流行COVID-19疫情下，尤其需要最大程度地减少通过接触点和接触者造成的病毒传播，更好地确保人员接触安全。
此外，由于冠心病、脑卒中及其他老年慢性病多发生于夜间，且不易察觉。因此夜间成为了老年人的监护盲区，也亟需解决老年人夜间监护盲区的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于在实际临床应用上提供一种非接触式的生命体征监测设备来获取特殊场合的病人的生命体征信息。不需要任何传感器接触人体，可以连续测量病人的体征，也为分析机体的健康状况以及做大数据分析、提前预知各种系统是否发生病变提供帮助。
本发明采用智能生命体征监测代替人力对使用者的心跳、呼吸速率等生命体征数据进行实时监测、回传、处理；并根据不同人体生命体征特点，确定人体安全阈值，当心跳、呼吸速率等数据出现异常（低于或高于阈值）时，实时警报并同步至联系人。情况紧急时同步至联系人及就近医疗机构。
本发明提供一种智能生命体征监护设备，包括：前端设备，其中包括：雷达传感器；所述雷达传感器包括：雷达信号收发处理单元、信号输出单元；
所述雷达信号收发处理单元与所述信号输出单元之间电连接；
所述雷达信号收发处理单元包括：雷达芯片、收发天线、程序存储器、时钟晶振；
所述雷达芯片与所述程序存储器之间电连接，与所述时钟晶振之间电连接；所述雷达芯片用于前端采集信号，所述程序存储器用于保存应用程序代码，所述时钟晶振用于提供时钟信号；
所述雷达信号收发处理单元用于雷达信号的产生、放大、发射、接收、混频和中频信号采集处理，通过中频信号分析频率、相位及幅度特性分析，实现对设备振动特性、位移的实时准确测量。
进一步地，所述前端设备还包括数字信号处理器、单片机处理器，所述雷达芯片与所述数字信号处理器之间电连接，所述数字信号处理器与所述单片机处理器之间电连接，实现雷达信号的产生、雷达信号的处理。
进一步地，所述收发天线为2 发4 收天线，用于雷达信号的发射和接收。
进一步地，所述收发天线采用微带天线设计，引脚的阻抗匹配为50Ω。
进一步地，所述智能生命体征监护设备还包括供电单元，所述供电单元与所述雷达信号收发处理单元之间电连接，为雷达信号收发处理单元以及所述信号输出单元提供电能量。
进一步地，所述智能生命体征监护设备还包括用于信息处理和算法解析的服务器，以及人机交互屏幕；
所述服务器与所述雷达传感器之间电连接，所述服务器与所述人机交互屏幕之间连接。
进一步地，所述雷达芯片为IWR1642，包括2 个发射通道、4 个接收通道的射频发射接收组件。
进一步地，所述数字信号处理器为可编程C674x DSP处理器，所述单片机为ARMCortex-R4F处理器。
进一步地，所述雷达芯片还包括用于模拟数字信号转换的ADC采集滤波组件，所述ADC采集滤波组件包括ADC转换器。
进一步地，所述ADC采集滤波组件还包括用于将噪声和杂波干扰信号滤除掉的的数字滤波器，所述ADC转换器的内部包括用于把高速海量的采样数据缓存下来进行数字处理的ADC数据缓存器。
在需要监测区域的设定位置安装好所述智能生命体征监护设备，设备内的雷达传感器通过发送天线向监测区域内发射连续的调频连续波信号，并通过接收天线不间断地捕获人体胸部反射回来的连续波信号；
具体地，所述反射回来的连续波信号经相位调制，调制涵盖人体胸部运动的所有分量；进行距离快速傅立叶变换FFT，并选择与人的胸部位置相对应的距离档；
优选地，所述人体胸部运动的所有分量包括心跳和呼吸引起的运动；
所述线性调频连续波记录选定的所述相对应的距离档中的信号相位，由此计算出相位变化，并从而得出速度；所获得的速度包括人体胸部运动的所有运动分量，通过执行频谱分析，解析出各种分量，获得生命体征数据；
优选地，所述生命体征数据包括人体的呼吸和心跳数据；
通过对捕获的所述生命体征数据与正常的生命体征数值范围进行比较，综合分析判断被观察者的健康和压力水平，了解心率和呼吸频率从而快速提示某些突发的致命疾病。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用非接触式生命体征监测设备有助于最大程度地减少通过接触点和接触者造成的病毒传播，更好地确保人员接触安全。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明实施例的雷达传感器的组件构成图；
图2是本发明实施例的雷达硬件原理图；
图3是本发明实施例的智能生命体征监护设备的组件构成图；
图4是本发明实施例的微带天线的PCB结构图；
图5是本发明实施例的天线方向增益图；
图6是本发明实施例的HFSS天线仿真曲线图；
图7是本发明实施例的HFSS天线仿真三维图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三来描述各种信号，但这些信号不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信号彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信号也可以被称为第二信号，类似地，第二信号也可以被称为第一信号。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
本发明实施例提供一种智能生命体征监护设备，参见附图图1所示，包括：前端设备，其中包括：雷达传感器；所述雷达传感器包括：雷达信号收发处理单元、信号输出单元；
所述雷达信号收发处理单元与所述信号输出单元之间电连接；
所述雷达信号收发处理单元包括：雷达芯片、收发天线、程序存储器、时钟晶振；
所述雷达芯片与所述程序存储器之间电连接，与所述时钟晶振之间电连接；所述雷达芯片用于前端采集信号，所述程序存储器用于保存应用程序代码，所述时钟晶振用于提供时钟信号；
所述雷达信号收发处理单元用于雷达信号的产生、放大、发射、接收、混频和中频信号采集处理，通过中频信号分析频率、相位及幅度特性分析，实现对设备振动特性、位移的实时准确测量。
所述智能生命体征监护设备还包括用于信息处理和算法解析的服务器，以及人机交互屏幕，参见附图图2所示；
所述服务器与所述雷达传感器之间电连接，所述服务器与所述人机交互屏幕之间连接。
参见附图图3所示，所述前端设备还包括数字信号处理器、单片机处理器，所述雷达芯片与所述数字信号处理器之间电连接，所述数字信号处理器与所述单片机处理器之间电连接，实现雷达信号的产生、雷达信号的处理。
具体地，所述收发天线为2 发4 收天线，用于雷达信号的发射和接收，参见附图图4所示，所述收发天线采用微带天线设计，引脚的阻抗匹配为50Ω；
本发明实施例的天线方向增益参见附图图5所示；HFSS天线仿真曲线参见附图图6所示； HFSS天线仿真三维图参见附图图7所示。
所述智能生命体征监护设备还包括供电单元，所述供电单元与所述雷达信号收发处理单元之间电连接，为雷达信号收发处理单元以及所述信号输出单元提供电能量；
本实施例中，供电单元基于电源管理芯片LP8752 和两个线性稳压模块TPS7A8101和TPS7A8801，其中LP8752 芯片具有过压保护、欠压锁定、输出短路和过载保护功能功能；两线性稳压模块TPS7A8101 和TPS7A8801 同样具备低噪声和耐高温的性能，该供电单元可以满足环境复杂的工业环境使用。
具体地，所述雷达芯片为IWR1642，包括2 个发射通道、4 个接收通道的射频发射接收组件，。
具体地，所述数字信号处理器为可编程C674x DSP处理器，所述单片机为ARMCortex-R4F处理器。
所述雷达芯片还包括用于模拟数字信号转换的ADC采集滤波组件，所述ADC采集滤波组件包括ADC转换器。
所述ADC采集滤波组件还包括用于将噪声和杂波干扰信号滤除掉的的数字滤波器，所述ADC转换器的内部包括用于把高速海量的采样数据缓存下来进行数字处理的ADC数据缓存器。
在需要监测区域的设定位置安装好所述智能生命体征监护设备，设备内的雷达传感器通过发送天线向监测区域内发射连续的调频连续波信号，并通过接收天线不间断地捕获人体胸部反射回来的连续波信号；
具体地，所述反射回来的连续波信号经相位调制，调制涵盖人体胸部运动的所有分量；进行距离快速傅立叶变换FFT，并选择与人的胸部位置相对应的距离档；
优选地，所述人体胸部运动的所有分量包括心跳和呼吸引起的运动；
所述线性调频连续波记录选定的所述相对应的距离档中的信号相位，由此计算出相位变化，并从而得出速度；所获得的速度包括人体胸部运动的所有运动分量，通过执行频谱分析，解析出各种分量，获得生命体征数据；
优选地，所述生命体征数据包括人体的呼吸和心跳数据；
通过对捕获的所述生命体征数据与正常的生命体征数值范围进行比较，综合分析判断被观察者的健康和压力水平，了解心率和呼吸频率从而快速提示某些突发的致命疾病。
通过对捕获的所述生命体征数据与正常的生命体征数值范围进行比较，综合分析判断被观察者的健康和压力水平，了解心率和呼吸频率从而快速提示某些突发的致命疾病。
本发明实施例智能非视觉无接触生命体征监护设备的应用场景包括：
1．参阅图6所示，安装于床头墙面，无需穿戴即可监测人体生命体征数据。
2．不获取面部等人体隐私。
3．主动、实时监测。
4．体征异常警报。
5．手势+语音控制。
6．智能家居物联，可接入窗帘、灯光系统、音响、空调、扫地机器人等智能家居设备。
7．可通过人体生命体征动态变化自动调节室内环境。
本发明的具体使用实施例如下：
1. 以需要监测的床位为中心，在距离中心位置0.5-2.5m的范围内的墙壁上安装前端设备，保证前端设备距离地面的垂直距离≥2m，接通电源。
3. 在个人手机终端安装APP，注册用户，配对设备。
4. 授权看护者（子女、配偶、护理员等）随时查看被监测者的生命体征数据和警报通知。
5. 如组织或机构使用，则需配置机构终端，安装机构监护管理软件。
6. 将发射信号与回收信号混频产生混频信号，对混频信号进行AD采集，生成时域采样信号；对时域采样信号进行距离FFT变换，获取雷达的一维距离像；检索一维距离像中最大峰值获得目标距离单元，并计算目标距离单元上的相位；按照雷达帧刷新频率重复上述距离变换和相位计算步骤，获得每次计算同一距离单元上的相位集合并进行个相位差处理，获得相位差集合；对相位差集合进行滤波，获得被监测人体的生命体征信号，将生命体征信号转换为生命体征数据。
表1是本发明实施例的不同年龄段人群的静态心率：
表1
表2是本发明实施例的健康人的生命体征参数：
表2
参阅图4所示是不同身体或精神投入条件下测量时的心率变化图；
参阅图5所示是不同身体或精神投入条件下测量时的呼吸频率变化图；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用非接触式生命体征监测设备有助于最大程度地减少通过接触点和接触者造成的病毒传播，更好地确保人员接触安全。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能生命体征监护设备，其特征在于，包括：前端设备；其中包括：雷达传感器；所述雷达传感器包括：雷达信号收发处理单元、信号输出单元；
所述雷达信号收发处理单元与所述信号输出单元之间电连接；
所述雷达信号收发处理单元包括：雷达芯片、收发天线、程序存储器、时钟晶振；
所述雷达芯片与所述程序存储器之间电连接，与所述时钟晶振之间电连接；所述雷达芯片用于前端采集信号，所述程序存储器用于保存应用程序代码，所述时钟晶振用于提供时钟信号；
所述雷达信号收发处理单元用于雷达信号的产生、放大、发射、接收、混频和中频信号采集处理，通过中频信号分析频率、相位及幅度特性分析，实现对设备振动特性、位移的实时准确测量。
2.根据权利要求1所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，所述前端设备还包括数字信号处理器、单片机处理器，所述雷达芯片与所述数字信号处理器之间电连接，所述数字信号处理器与所述单片机处理器之间电连接，实现雷达信号的产生、雷达信号的处理。
3.根据权利要求1所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，所述收发天线为2 发4收天线，用于雷达信号的发射和接收。
4.根据权利要求3所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，所述收发天线采用微带天线设计，引脚的阻抗匹配为50Ω。
5.根据权利要求1所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，还包括供电单元，所述供电单元与所述雷达信号收发处理单元之间电连接，为雷达信号收发处理单元以及所述信号输出单元提供电能量。
6.根据权利要求1所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，还包括用于信息处理和算法解析的服务器，以及人机交互屏幕；
所述服务器与所述雷达传感器之间电连接，所述服务器与所述人机交互屏幕之间连接。
7.根据权利要求2所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，所述雷达芯片为IWR1642，包括2 个发射通道、4 个接收通道的射频发射接收组件。
8.根据权利要求2所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，所述数字信号处理器为可编程C674x DSP处理器，所述单片机为ARM Cortex-R4F处理器。
9.根据权利要求1所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，所述雷达芯片还包括用于模拟数字信号转换的ADC采集滤波组件，所述ADC采集滤波组件包括ADC转换器。
10.根据权利要求9所述的智能生命体征监护设备，其特征在于，所述ADC采集滤波组件还包括用于将噪声和杂波干扰信号滤除掉的的数字滤波器，所述ADC转换器的内部包括用于把高速海量的采样数据缓存下来进行数字处理的ADC数据缓存器。
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| CN202111184448.XA CN113729676A (zh) | 2021-10-12 | 2021-10-12 | 一种智能生命体征监护设备 |
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Citations (7)
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2021
- 2021-10-12 CN CN202111184448.XA patent/CN113729676A/zh active Pending
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