CN208769779U - 一种人体生命特征检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种人体生命特征检测装置，所述的装置包括：多普勒传感器，用于向人体发射微波信号，并接收人体的反馈信号；滤波放大器模块，包括多级滤波电路，其输入端与多普勒传感器连接，获取反馈信号并进行滤波和放大；控制模块，与滤波放大器模块的输出端连接。该设计利用多普勒传感器的微波信号，在不接触人体的情况下采集人体的生命特征信号频率。

Description

一种人体生命特征检测装置

技术领域

本实用新型涉及生命体征感知技术领域，具体的说是一种利用生命体征感知实现人体生命特征的装置。

背景技术

在现代社会中，在家中独处的人越来越多，而且在家中独处的时间也越来越长，对于独处的人来说，一旦发生跌倒、疾病等突发状况，由于家中无人帮助，导致救护不及时，造成死亡事件。此外，在经济水平日益提高的情况下，对于自身健康和安全的需求也会大大增加，因此，迫切需要一种能够及时监测和发现个人生命体征状态的设备。

目前，众多企业开发了手环或手表等终端设备，通过测量人体手腕的脉搏，实现对于人体健康状态的监测和提醒，但是，手环或手表需要与人体接触，特别是与脉搏贴合才能进行测量，这就需要人们24小时佩戴，十分不便。

实用新型内容

为了解决上述问题，提供了一种人体生命特征检测装置，利用多普勒传感器的微波信号，在不接触人体的情况下采集人体的生命特征信号频率。

本实用新型实施例提供了一种人体生命特征检测装置，所述的装置包括：

多普勒传感器，用于向人体发射微波信号，并接收人体的反馈信号；

滤波放大器模块，包括多级滤波电路，其输入端与多普勒传感器连接，获取反馈信号并进行滤波和放大；

控制模块，与滤波放大器模块的输出端连接。

进一步的，所述的滤波放大模块包括第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、第三低通滤波电路，所述第一低通滤波电路的输入端连接多普勒传感器，所述第一低通滤波电路的输出端分别连接第二低通滤波电路输入端和第三低通滤波电路输入端，第二低通滤波电路输出端和第三低通滤波电路输出端分别接控制模块。

进一步的，所述的滤波放大模块还包括第一高通滤波电路，所述第一高通滤波电路的输入端连接第一低通滤波电路输出端，所述第一高通滤波电路的输出端连接第二低通滤波电路输入端。

进一步的，所述的装置还包括：

输入输出接口，包括用于连接外部输出接点机器的输入接点，以及用于连接外部输入接点机器的输出节点，所述的输入接点和输出接点均连接控制模块。

进一步的，所述的装置还包括：

通讯模块，包括有线LAN插件、有线LAN连接器和无线LAN插件，所述的有线LAN插件和无线LAN插件分别连接控制模块，所述的有线LAN连接器与有线LAN插件连接。

进一步的，所述的装置还包括：

电源模块，所述的电源模块包括电压供应电路，为装置提供3.3V直流电压，作为装置的主电源或备用电源。

进一步的，所述的电源模块还包括基准电源，所述的基准电源与电压供应电路连接，提供1.56V电压。

进一步的，所述的装置还包括：

温度传感器，所述的温度传感器与控制模块连接，用于测量并显示室内温度。

进一步的，所述的装置还包括：

USB模块，所述的USB模块与控制模块连接，用于连接USB设备实现数据交互。

实用新型内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是实用新型所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、利用多普勒传感器，采用正交检测的原理计算振幅和相位测量人体生命特征，较大的振幅输出需要较强的接收信号，如果输入的信号较弱，内部的杂音会变大，S/N信号(杂音与信号的比率)会变差，利用滤波放大模块消除内部的杂音，即使是微弱的信号，S/N比也会变好，因此可以捕捉到呼吸，心跳等极微弱的信号。

2、增加输入输出接口，用于连接外部设备，比如报警器、开关、指示灯、门铃等，可以完善看护功能，实现被看护人员自主呼叫和报警等功能，提升装置的实用性。

3、增设USB模块，可以快速将装置内的数据导入USB设备中，实现数据的快速转移，也可以将USB设备中的数据快速导入装置中，当需要大规模布置同类装置时，可以大大减少布置时间，提高效率。

4、增设了温度传感器，主要目的在于直观显示室内温度，特别是在看护的时候，温度高低对于被看护人员的休息和运动状态都会产生影响，甚至对人体的生命特征也会产生影响，直观的温度数据可以帮助看护人员提升看护质量。

5、增设电源模块，利用电源模块，可以提高供电质量，如果作为主电源，可以保证供电稳定性，保证装置24小时稳定运行，如果作为备用电源，可以在外部断电时，确保装置仍然可以运行。

6、设置有线、无线等通讯方式，可以适应任何环境，根据现场需求和设置进行针对性的配置，确保既能满足客户需求，又能尽量不增加装置的成本。

附图说明

图1是本实用新型装置实施例的原理框图；

图2是本实用新型多普勒传感器的一种电路原理图；

图3是滤波放大模块的原理框图；

图4是本实用新型第一低通滤波电路的一种电路原理图；

图5是本实用新型第一高通滤波电路的一种电路原理图；

图6是本实用新型第二低通滤波电路的一种电路原理图；

图7是本实用新型第三低筒滤波电路的一种电路原理图；

图8是本实用新型多普勒控制模块的一种电路原理图；

图9是本实用新型输入接点的一种电路原理图；

图10是本实用新型输出接点的一种电路原理图；

图11是本实用新型有线LAN插件的一种电路原理图；

图12是本实用新型无线LAN插件的一种电路原理图；

图13是本实用新型电压供应电路的一种电路原理图；

图14是本实用新型基准电源的一种电路原理图；

图15是本实用新型温度传感器的一种电路原理图；

图16是本实用新型USB模块的一种电路原理图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本实用新型。

实施例1

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种人体生命特征检测装置，所述的装置包括多普勒传感器，用于向人体发射微波信号，并接收人体的反馈信号。滤波放大器模块，包括多级滤波电路，其输入端与多普勒传感器连接，获取反馈信号并进行滤波和放大。控制模块，与滤波放大器模块的输出端连接。输入输出接口，包括用于连接外部输出接点机器的输入接点，以及用于连接外部输入接点机器的输出节点，所述的输入接点和输出接点均连接控制模块。通讯模块，包括有线LAN插件、有线LAN连接器和无线LAN插件，所述的有线LAN插件和无线LAN插件分别连接控制模块，所述的有线LAN连接器与有线LAN插件连接。电源模块，所述的电源模块为装置提供3.3V直流电压，作为装置的主电源或备用电源。温度传感器，所述的温度传感器与控制模块连接，用于测量并显示室内温度。USB模块，所述的USB模块与控制模块连接，用于连接USB设备实现数据交互。

为了更好的阐述上述装置中各个部分的具体结构，下面结合附图进行针对性的说明。

如图2所示，多普勒传感器选用的是日本新日本无线株式会社生产的24GHz微波多普勒传感器NJR4262，该传感器通过输出两个正交信号：I信号和Q信号。在后期的计算过程中，正交检测通过下面计算方法可以取得下面2种数据：振幅输出：√(I2+Q2)；相位输出：tan-1(Q/I)。

需要注意的是：在传感器装置中，每增设一台传感器，探测范围会扩大，功能会增加，安装用于增设传感器的连接器以达到最好的效果。例如，可同时实现对房屋内全部生命体的存在以及床上的生命体征的检测，用一台传感器装置便可以同时检测宽阔房间内的全部生命体的存在以及其中的2个生命体征。

滤波放大模块上安装着I信号、Q信号2种回路，滤波电路由运算放大器和电阻电容器构成，属于有源滤波器，拥有增幅的功能。所述的滤波放大模块包括第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、第三低通滤波电路，所述第一低通滤波电路的输入端连接多普勒传感器，所述第一低通滤波电路的输出端分别连接第一高通滤波电路输入端和第三低通滤波电路输入端，第一高通滤波电路的输出端连接第二低通滤波电路输入端，第二低通滤波电路输出端和第三低通滤波电路输出端分别接控制模块。

如图3所示，其使用时的工作原理为：

当多普勒传感器为一个时，B点是断开的，多普勒传感器(OP)是不存在的，可以测量普通的心跳，此时的滤波放大模块只使用OUT2，此时的第一高通滤波电路、第二低通滤波电路可以不用安装零部件，仅仅连接图中的A点即可。

当多普勒传感器为一个时，为了对心跳进行高精准的测量，连接图中的A，此时的第一低通滤波电路、第一高通滤波电路、第二低通滤波电路、第三低通滤波电路均保留，测量呼吸和体动等信号使用OUT2，测量心跳使用OUT1。

需要注意的是：要高精准的测量心跳的话，为了减小体动和呼吸的影响，要排除心跳的波段(0.8～2Hz程度)来进行观测。因此，使用一台传感器的情况下，通常的信号(OUT2)、以及通过心跳频带范围并经过第一高通滤波电路高频滤波器的信号(OUT1)，经由其他的滤波器进入CPU。

当多普勒传感器为2个时，B点是连接的，A点和C点是断开的，内置的多普勒传感器使用OUT1，多普勒传感器(OP)使用OUT2。需要注意的是：当人在很远的地方渐渐靠近时，只使用放大器的增幅率的话，随着人的接近，输出会接近饱和，观测便无法进行。为了防止这样的情况，可以准备用增幅率较低的输出(OUT3)，这样当人靠近时，即使OUT 2输出已经饱和，也可以正常观测呼吸和体动。

为了实现上述工作原理，滤波放大模块中各个滤波器的选用标准如下：

低通滤波器为正反馈有源滤波器，增幅度约12dB，截止频率约为10Hz。截止频率控制在10Hz范围内，因为人类的呼吸在0.3Hz程度，心跳在1Hz程度，体动也在10Hz的程度时可以充分的检测到。

如图4所示，第一低通滤波电路的低通滤波器中使用的运算放大器全部为LMV 324(或者是可与它替换的产品)。此传感器装置的电路除去一部分输出，要通过3.3V的电压，为了使CPU的A/D转换器也能将电压达到最大3.3V，尽可能将动态范围扩大。

如图5所示，第一高通滤波电路的高通滤波器运用2段正反馈的OP放大器，增幅度约24dB，截止频率约为0.8Hz，其增幅度、截止频率要加上第一低通滤波电路。

如图6所示，第二低通滤波电路的低通滤波器使用2段正反馈OP放大器，增幅度约58dB，截止频率约为0.9～4Hz，其增幅度、截止频率要加上第一低通滤波电路、第一高通滤波电路。由此电路输出后，输入CPU的A/D转换器。

如图7所示，第三低通滤波电路的低通滤波器使用3段正反馈OP放大器，连接第一低通滤波电路时OUT2的增幅度约为58dB，截止频率约为10Hz，其增幅度、截止率要加上第一低通滤波电路。使用扩张用的多普勒传感器(OP)时，OUT2的增幅度约为52dB，截止频率约为1.5Hz。使用OUT3时，增幅度与OUT2相比减小。因此在近距离当OUT2达到饱和，也可以用OUT3对生命体征和体动进行检测。

如图8所示，控制模块中的CPU使用STM32f103(64P)，使用此CPU的理由有以下几点：

1)A/D转换器有12位的分辨率，可同时使用上述I/Q信号的OUT1,2,3信号。

2)A/D转换器有12位的分辨率满足了医疗上对分辨率最低要有12位(4096阶段)的要求。此外如前所述，本传感器装置使用的多普勒传感器，动态量程较广，即使是微弱的信号，其中也包含着生命体征和体动等，因此，相较于一般工业需要的10位分辨率(1024阶段)，A/D转换器采用了12位的分辨率。

3)串行电路具备3种线路，为了方便控制，此电路装备了I/O端口。并行端口具备外部接点输入2点，外部接点输出2点，设定用端口2点，温度传感器用的输入1点，动作电压3.3V单一，由于以低耗能电压运作多普勒传感器时产生的电压与实际低电压相同，所以可以实现3.3V的操作。

4)数据的处理过程需要足够的内存。RAM最低64千字节，ROM(flash)最低128千字节。

除了CPU，也要安装外围硬件，包括水晶振荡器、表示灯、设定开关、调试用端口。

本CPU通常使用内部振荡器，多普勒传感器的样品也以此振荡器为基准运行。用于医疗等用途时，为了提高样品的精度，安装一台水晶振荡器，根据它的震荡，可以提高时间的精准度。通过应用程序，可以使本传感器装置在某些场合进行不同的动作，例如，只在夜间开启看护高龄者的看护功能，通过定时器指定运行的时间。

所述的表示灯用于显示控制模块运行状态，通过应用程序，可以任意点亮指示灯。

所述的设定开关装有2种，在使用时可以进行选择。主要是根据应用程序，可选择运行时必要的项目，例如，是否使用多普勒感应器选项，是否输出特定的信号。

所述的调试端口用来开发和调试，作为调试专用的连接器。

如图9所示，输入接点是利用J20连接器在线路板外部连接无电压a接点的开关和继电器等。不仅如此，在实际应用中，可以在外部插入二极管，在外部错误连接5V时起保护作用。

接点输入的使用案例：

看护高龄者时使用：高龄者打开开关，利用本传感器装置的通讯电路与外部联络。为了完善高龄者的看护功能，安装了Mat switch(高龄者踩一下，就可以打开开关)，外出时，接点会亮着，会一直起着看护的功能。

如图10所示，输出接点是无电压a接点，通过J5连接器在外部进行输出。假设显示灯、门铃、内线电话等的外部输出(交流或者直流最大为24V 100mA左右)，可对应的使用光继电器。

如图11所示，有线LAN根据IEEE.802的有线LAN插件IC，由脉冲变压器内置的Ethernet Connector TM11RD对CPU的3线式串行通信进行输入输出。

为防止有线LAN产生噪音，在TX、RX中分别插入线路滤波器DLW 21S900。并且在医院等场合使用时，为避免影响医疗器械的使用，在地面线路内插入EMS滤波器BLM31PG330。

如图12所示，无线通信选用120A连接器，120A连接器中装载着市场流通的Wifi插件(ESP8266)，进行Wifi变换后输出CPU 3线式串行通信。此外，不使用无线LAN的话，可以通过J20-A连接器，使用3线式的串行接口。

在串行接口与其他机器进行组装时使用本传感器装置。通常串行接口在组装时，由于无法与无线LAN同时使用，可以使用专用的无线局域网。此外，在串行接口的使用中，装载驱动程序(74LCX07)可以实现在5V-3.3V范围内的变换。

所述的电源模块包括电压供应电路，为装置提供3.3V直流电压，作为装置的主电源或备用电源。

如图13所示，电源部分输入5V～6V的电压(连接AC/DC插件)，用两个串联调节器AMS 117－3.3分别用于3.3V的数字回路(CPU、通信模块、输出输入接点模块)以及用于模拟用(传感器、滤波放大器部分)。设置二极管用于电源正负极反接保护，设置电感可以用于为电源降噪。此外，GND的数字接地、模拟接地不同，所以数字电路的噪音尽量不要影响到模拟电路。

此外，要高精度使用本装置的话，有必要通过此高精度的基准电源电路对模拟部分进行低噪音处理和高精度化操作。如图14所示，使用高精度的LM4041基准电源，制造1.56V的电压，并在中间电位连接模拟部分和运算放大器。

如图15所示，利用J16连接器来连接线路板和DH111温度传感器。DH111温度传感器价格较低，可以显示温度，不需要演算处理。

如图16所示，USB使用CPU中内置的USB2.0对应的外设接口USB连接器J2方面，使用微型USB-B规格。

在与USB连接口连接、传感器与其他器件连接时，双方有时会产生电位差。如果直接进行连接，因为存在电位差，可能会有较大电流(浪涌电流)通过，为了防止CPU被较大电流烧坏，因此插入了PRTR5V。

用手触摸USB等连接口时会产生干扰，从而影响设备的动作，为预防此现象所采取的对策为EMS对策。反之，传感器对周围的器件也会产生影响，为降低此影响所采取的对策为EMI对策。为降低上述两方的影响所采取的对策为EMC。使用EMS滤波器BLM31PG330，可以在接触USB连接口等时，防止GND被干扰，达到防止EMC的目的。

尽管说明书及附图和实施例对本实用新型创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本实用新型创造专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的装置包括：

多普勒传感器，用于向人体发射微波信号，并接收人体的反馈信号；

滤波放大器模块，包括多级滤波电路，其输入端与多普勒传感器连接，获取反馈信号并进行滤波和放大；

控制模块，与滤波放大器模块的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的滤波放大模块包括第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、第三低通滤波电路，所述第一低通滤波电路的输入端连接多普勒传感器，所述第一低通滤波电路的输出端分别连接第二低通滤波电路输入端和第三低通滤波电路输入端，第二低通滤波电路输出端和第三低通滤波电路输出端分别接控制模块。

3.根据权利要求2所述的一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的滤波放大模块还包括第一高通滤波电路，所述第一高通滤波电路的输入端连接第一低通滤波电路输出端，所述第一高通滤波电路的输出端连接第二低通滤波电路输入端。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的装置还包括：

输入输出接口，包括用于连接外部输出接点机器的输入接点，以及用于连接外部输入接点机器的输出节点，所述的输入接点和输出接点均连接控制模块。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的装置还包括：

通讯模块，包括有线LAN插件、有线LAN连接器和无线LAN插件，所述的有线LAN插件和无线LAN插件分别连接控制模块，所述的有线LAN连接器与有线LAN插件连接。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的装置还包括：

电源模块，所述的电源模块包括电压供应电路，为装置提供3.3V直流电压，作为装置的主电源或备用电源。

7.根据权利要求6所述的一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的电源模块还包括基准电源，所述的基准电源与电压供应电路连接，提供1.56V电压。

8.根据权利要求1-3任意一项所述的一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的装置还包括：

温度传感器，所述的温度传感器与控制模块连接，用于测量并显示室内温度。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的一种人体生命特征检测装置，其特征是：所述的装置还包括：

USB模块，所述的USB模块与控制模块连接，用于连接USB设备实现数据交互。