CN203524681U - 一种基于户外运动的人体健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于户外运动的人体健康监测系统，其利用脉搏血氧仪探头检测运动者的血氧饱和度和脉搏量标称人体健康状况，根据加速度传感器采集的加速值变化监测运动者是否发生摔倒跌落，使用大气压强传感器检测运动者所处运动环境，提供大气压强值、温度值，并通过控制器计算运动环境的高度值，通过智能终端显示运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值信息，利用高度值修正导航定位信息，使定位更加精确，并在所述运动状态为跌倒摔落时，向数据中心发送报警信号。

Description

一种基于户外运动的人体健康监测系统

技术领域

本实用新型涉及户外运动生命保障技术领域，尤其涉及一种基于户外运动的人体健康监测系统。

背景技术

户外运动的健康快速发展需要可行的安全装备和救援服务体系保障。目前，应急系统缺少一种能够对运动者实行人体安全和运动环境监测并能够导航定位、危机报警的系统。现有技术只是单一的实现了人体定位或者是安全监测，只是对人体本身进行了实时监控，但是缺少运动环境的监测，相应的就不能估计出运动环境对运动者的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过一种基于户外运动的人体健康监测系统，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于户外运动的人体健康监测系统，其包括控制器、探头驱动电路、脉搏血氧仪探头、光电转换电路、差分放大滤波电路、加速度传感器、大气压强传感器、无线数据传输模块及智能终端；

所述控制器与探头驱动电路、加速度传感器、大气压强传感器电性连接，用于输出控制信号给探头驱动电路、加速度传感器及大气压强传感器，控制脉搏血氧仪探头、加速度传感器及大气压强传感器的数据采集，并对其采集的数据进行处理，获得运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值；

所述探头驱动电路与脉搏血氧仪探头电性连接，用于根据控制器输出的控制信号驱动脉搏血氧仪探头进行数据采集；

所述脉搏血氧仪探头内嵌可见光发光二极管、红外光发光二极管和光电接收管，探头驱动电路驱动所述可见光发光二极管、红外光发光二极管发光，在经过手指后被光电接收管接收；

所述光电转换电路与脉搏血氧仪探头电性连接，用于将光电接收管接收的光信号转换为电信号，并经差分放大滤波电路处理后，输出给控制器；

所述加速度传感器与控制器电性连接，用于实时检测运动者的加速度值，输出给控制器；

所述大气压强传感器与控制器电性连接，用于实时检测运动者所处运动环境的大气压强值和温度值，输出给控制器；

所述无线数据传输模块与控制器电性连接，用于将控制器输出的运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值，无线发送给智能终端；

所述智能终端与无线数据传输模块通过无线网络连接，用于显示运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值信息，并利用所述高度值修正导航定位信息，在所述运动状态为跌倒摔落时，向数据中心发送报警信号。

特别地，所述探头驱动电路还用于对可见光发光二极管、红外光发光二极管进行增益控制和开关控制。

特别地，所述差分放大滤波电路的同相输入端连接控制器的数模转换器输出引脚，输出端连接控制器的模数转换器引脚。

特别地，所述无线数据传输模块选用载波频率为433MHz或者2.4GHz的无线模块。

特别地，所述智能终端为具备无线上网功能的电子设备，其包括手机、笔记本、掌上电脑及平板电脑。

特别地，所述控制器选用微处理器。

本实用新型利用脉搏血氧仪探头检测运动者血氧饱和度和脉搏量标称人体健康状况，根据加速度传感器采集的加速值变化监测运动者是否发生摔倒跌落，使用大气压强传感器检测运动者所处运动环境，提供大气压强值、温度值，并通过控制器计算运动环境的高度值，最后通过智能终端显示运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值信息，利用所述高度值修正导航定位信息，使定位更加精确，并在所述运动状态为跌倒摔落时，向数据中心发送报警信号。与传统健康监测系统相比，本实用新型不仅能够实时监测户外运动者的健康状况，在运动者发生跌倒摔落时，向数据中心进行呼救，而且可以对运动环境进行监测，并相应的估计出运动环境对运动者的影响。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于户外运动的人体健康监测系统结构图；

图2为本实用新型实施例提供的探头驱动电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

请参照图1所示，本实施例中基于户外运动的人体健康监测系统包括控制器1、探头驱动电路2、脉搏血氧仪探头3、光电转换电路4、差分放大滤波电路5、加速度传感器6、大气压强传感器7、无线数据传输模块8及智能终端9。

所述控制器1与探头驱动电路2、加速度传感器6、大气压强传感器7电性连接，用于输出控制信号给探头驱动电路2、加速度传感器6及大气压强传感器7，控制脉搏血氧仪探头3、加速度传感器6及大气压强传感器7的数据采集，并对其采集的数据进行处理，获得运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值。

于本实施例，控制器1选用微处理器，其可以是8位或者16位的单片机，也可以是ARM（Advanced RISC Machines）处理器、数字信号处理器（DSP）或者片上系统。

所述探头驱动电路2与脉搏血氧仪探头3电性连接，用于根据控制器1输出的控制信号驱动脉搏血氧仪探头3进行数据采集。

于本实施例，如图2所示，探头驱动电路2是由三极管Q1、Q2、T1、T2构成的H桥电路，其中，Q1、Q2为PNP型三极管BC856，T1、T2为NPN型三极管MMBT2222，探头节点201和探头节点202连接脉搏血氧仪探头3中的可见光发光二极管和红外光发光二极管。由图2可知，探头驱动电路2还包括电容C38、电阻R31、R32、R33、R34、R35及R36。需要说明的是，探头驱动电路2还可以是电流源和模拟开关组成的驱动电路。

所述脉搏血氧仪探头3内嵌可见光发光二极管、红外光发光二极管和光电接收管，探头驱动电路2驱动所述可见光发光二极管、红外光发光二极管发光，在经过手指后被光电接收管接收。

脉搏血氧仪探头3套在人体食指或中指指甲处，由控制器1控制探头驱动电路2以一定频率分时驱动可见光发光二极管、红外光发光二极管发光，发出的光经过手指后被光电接收管接收。在实际应用中，探头驱动电路2还可以对可见光发光二极管、红外光发光二极管进行增益控制和开关控制。

所述光电转换电路4与脉搏血氧仪探头3电性连接，用于将光电接收管接收的光信号转换为电信号，并滤除部分噪声，经差分放大滤波电路5处理后，输出给控制器1。

差分放大滤波电路5的同相输入端连接控制器1的数模转换器（DAC）输出引脚，输出端连接控制器1的模数转换器（ADC）引脚，其与控制器1的数模转换器输出电压做差分计算，消除直流干扰分量，放大脉动分量，使其在控制器1内部ADC的采集范围0-3.3V之内。数据经过采集之后在控制器1内编程做数字滤波和直流跟踪计算，二者进行减法计算得到红光和红外光经过手指后的交流脉动信号，两交流脉动信号相除获得的值即可标示血氧饱和度，交流脉动信号周期代表了脉搏量。

所述加速度传感器6与控制器1电性连接，用于实时检测运动者的加速度值，输出给控制器1。所述大气压强传感器7与控制器1电性连接，用于实时检测运动者所处运动环境的大气压强值和温度值，输出给控制器1。

控制器1通过IIC通信协议与加速度传感器6和大气压强传感器7通信，控制器1编程配置加速度传感器6后，加速度传感器6芯片在运动者出现跌倒摔落时会向控制器1发出中断信号，控制器1获得中断信号之后判定出现摔倒还是高空摔落，并据此判断是否自动发出呼救信号。控制器1获得大气压强传感器7输出的大气压强值和温度值，并根据大气压强值与环境高度的关系，计算运动者所处运动环境的高度值。

所述无线数据传输模块8与控制器1电性连接，用于将控制器1输出的运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值，无线发送给智能终端9。

于本实施例，无线数据传输模块8选用载波频率为433MHz或者2.4GHz的无线模块。为了降低功耗，无线数据传输模块8也可以是符合低功耗蓝牙4.0技术规范的蓝牙通信模块。蓝牙通信模块使用TI公司的CC2541低功耗蓝牙片上系统，符合蓝牙4.0技术规范。通信距离10m，打开系统后蓝牙通信模块可以被嵌有蓝牙4.0模块的安卓平台搜索、链接、通信，安卓平台通常使用户外运动专用平板电脑。相应的，控制器1优选使用TI公司的MSP430FG437，MSP430FG437包含有串行通信接口UART，两个12位数模转换器DAC12_0和DAC12_1，1个12位模数转换器（ADC）。UART接口连接蓝牙通信模块传输数据。两个12位数模转换器用于控制探头驱动电路2中的两个NPN三极管T1、T2。

所述智能终端9与无线数据传输模块8通过无线网络连接，用于显示运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值信息，并利用所述高度值修正导航定位信息，在所述运动状态为跌倒摔落时，向数据中心发送报警信号。

于本实施例，智能终端9为具备无线上网功能的电子设备，其包括手机、笔记本、掌上电脑及平板电脑。当控制器1根据加速度传感器6采集的加速值变化监测出运动者发生摔倒跌落时，智能终端9将通过全球定位系统（GPS）或者北斗导航定位，向数据中心发送报警信号。

本实施例的工作流程如下：一、系统初始化，控制器通过IIC协议配置加速度传感器、大气压强传感器。二、控制器实时监测跌倒摔落中断信号。三、控制器读取血氧饱和度值、脉搏量并计算大气压强值。四、控制器读取运动环境的高度值、温度值。四、通过无线数据传输模块向智能终端传输数据。六、智能终端显示数据并判定是否自动报警，若需要报警则向数据中心发送报警信号。其中，步骤二至六是循环进行的,并且在步骤二至六任何阶段，只要发生跌倒摔落状况，智能终端就会产生报警信号。

下面对本实施例中脉搏血氧仪探头、加速度传感器及大气压强传感器的工作机理进行简要说明。

一、血红蛋白吸收的红光与红外光强的比率和血氧饱和度之间的线性关系是需要根据经验值进行数据拟合的，人体中主要有氧合血红蛋白HbO₂、还原血红蛋白Hb。Hb主要吸收660nm波长的光，HbO₂主要吸收940nm的光。可以把人体看做一个盛有血液溶液的容器，所以根据Lambert-Beer定律，忽略动脉血管中其他成份的影响，血氧饱和度SpO₂的值可以表示为：

SpO₂＝HbO₂/(HbO₂+Hb)

二、人体在跌倒的过程中，是一个由稳定状态到加速状态，再到与地面撞击而后稳定的一个过程。在这个过程中，加速度传感器可以很好的检测出状态的转变，因此，只要有合适的算法，使用加速度传感器就可以正确的检测出人体跌倒事件的发生。

三、大气温度为常数,即设大气是等温系统,令ρ和ρ₀为距离地面高度为h和h=0处的气体分子密度，υ为气体分子的摩尔质量，重力加速度为g，R为气体常数，T是绝对温度，P为大气压强，k_s为波尔兹曼常数，从而得到等温气压公式如下：

P＝p₀e^-υgh/RT

在实际应用中经过温度修正，我们可以利用上述关系求得大气压强，反之可以求得该大气压强对应的高度值。

本实用新型的技术方案利用脉搏血氧仪探头检测运动者血氧饱和度和脉搏量标称人体健康状况，根据加速度传感器采集的加速值变化监测运动者是否发生摔倒跌落，使用大气压强传感器检测运动者所处的运动环境，提供大气压强值、温度值，并通过控制器计算运动环境的高度值，最后通过智能终端显示运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值信息，利用所述高度值修正导航定位信息，使定位更加精确，并在所述运动状态为跌倒摔落时，向数据中心发送报警信号。与传统健康监测系统相比，本实用新型不仅能够实时监测户外运动者的健康状况，在运动者发生跌倒摔落时，向数据中心进行呼救，而且可以对运动环境进行监测，并相应的估计出运动环境对运动者的影响。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种基于户外运动的人体健康监测系统，其特征在于，包括控制器、探头驱动电路、脉搏血氧仪探头、光电转换电路、差分放大滤波电路、加速度传感器、大气压强传感器、无线数据传输模块及智能终端；

所述控制器与探头驱动电路、加速度传感器、大气压强传感器电性连接，用于输出控制信号给探头驱动电路、加速度传感器及大气压强传感器，控制脉搏血氧仪探头、加速度传感器及大气压强传感器的数据采集，并对其采集的数据进行处理，获得运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值；

所述探头驱动电路与脉搏血氧仪探头电性连接，用于根据控制器输出的控制信号驱动脉搏血氧仪探头进行数据采集；

所述脉搏血氧仪探头内嵌可见光发光二极管、红外光发光二极管和光电接收管，探头驱动电路驱动所述可见光发光二极管、红外光发光二极管发光，在经过手指后被光电接收管接收；

所述光电转换电路与脉搏血氧仪探头电性连接，用于将光电接收管接收的光信号转换为电信号，并经差分放大滤波电路处理后，输出给控制器；

所述加速度传感器与控制器电性连接，用于实时检测运动者的加速度值，输出给控制器；

所述大气压强传感器与控制器电性连接，用于实时检测运动者所处运动环境的大气压强值和温度值，输出给控制器；

所述无线数据传输模块与控制器电性连接，用于将控制器输出的运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值，无线发送给智能终端；

所述智能终端与无线数据传输模块通过无线网络连接，用于显示运动者的血氧饱和度和脉搏量、运动状态、运动环境的大气压强值、温度值及高度值信息，并利用所述高度值修正导航定位信息，在所述运动状态为跌倒摔落时，向数据中心发送报警信号。

2.根据权利要求1所述的基于户外运动的人体健康监测系统，其特征在于，所述探头驱动电路还用于对可见光发光二极管、红外光发光二极管进行增益控制和开关控制。

3.根据权利要求1所述的基于户外运动的人体健康监测系统，其特征在于，所述差分放大滤波电路的同相输入端连接控制器的数模转换器输出引脚，输出端连接控制器的模数转换器引脚。

4.根据权利要求1所述的基于户外运动的人体健康监测系统，其特征在于，所述无线数据传输模块选用载波频率为433MHz或者2.4GHz的无线模块。

5.根据权利要求1所述的基于户外运动的人体健康监测系统，其特征在于，所述智能终端为具备无线上网功能的电子设备，其包括手机、笔记本、掌上电脑及平板电脑。

6.根据权利要求1至5之一所述的基于户外运动的人体健康监测系统，其特征在于，所述控制器选用微处理器。

Images