CN221411197U

CN221411197U - 一种无线婴幼儿监护系统

Info

Publication number: CN221411197U
Application number: CN202320255982.3U
Authority: CN
Inventors: 郑雅宁; 张媛媛; 余淑婷; 彭洪军; 汪梦琴
Original assignee: Nanjing Drum Tower Hospital
Current assignee: Nanjing Drum Tower Hospital
Priority date: 2023-02-20
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2024-07-26
Anticipated expiration: 2033-02-20

Abstract

本申请提供一种无线婴幼儿监护系统，包括监测脚环、云端服务器、监护客户端；监测脚环佩戴在婴幼儿脚踝上，其包括有控制器，控制器分别电性连接有模拟前端模块、加速度传感器、温度传感器、4G通讯模块；模拟前端模块分别电性连接有红色发光二极管、红外发光二极管和光电二极管，且红色发光二极管、红外发光二极管发出的光线照射在婴儿皮肤处，光电二极管接收该两者反射回的光线；云端服务器与4G通讯模块之间通过无线网络通讯连接，以接收监测脚环中收集的数据信息；监护客户端与云端服务器之间通过无线网络通讯连接，以接收云端服务器发送的数据信息。本申请基于婴幼儿脚环的基础上，增加各类监测模块，减少人工看护成本，实现辅助看护的作用。

Description

一种无线婴幼儿监护系统

技术领域

本实用新型涉及婴幼儿监护技术领域，特别涉及一种无线婴幼儿监护系统。

背景技术

婴幼儿的看护是父母、家人及社会关注的重点之一，婴幼儿睡眠时间长且无法清楚表达个人想法，很多情况下婴幼儿身体出现异常却未能被及时注意；传统的人工看护成本需要花费大量的精力和财产成本，因此如何利用智能设备辅助人工监测婴幼儿健康状况，减少人工看护成本是目前所急需解决的，本申请基于婴幼儿脚环的基础上，增加各类监测模块，实现辅助看护的作用。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种无线婴幼儿监护系统，基于婴幼儿脚环的基础上，增加各类监测模块，实现辅助看护的作用。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种无线婴幼儿监护系统，包括监测脚环、云端服务器、监护客户端；

所述监测脚环佩戴在婴幼儿脚踝上，其包括有控制器，控制器分别电性连接有模拟前端模块、加速度传感器、温度传感器、4G通讯模块；模拟前端模块分别电性连接有红色发光二极管、红外发光二极管和光电二极管，且红色发光二极管、红外发光二极管发出的光线照射在婴儿皮肤处，光电二极管接收该两者反射回的光线；

所述云端服务器与4G通讯模块之间通过无线网络通讯连接，以接收监测脚环中收集的数据信息；

所述监护客户端与云端服务器之间通过无线网络通讯连接，以接收云端服务器发送的数据信息。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述监测脚环中还内置有电池；电池分别电性连接控制器、模拟前端模块、加速度传感器、温度传感器、4G通讯模块，以提供电源，并且电池上设有充电接口。

进一步地，所述温度传感器与婴儿皮肤相贴合。

进一步地，所述控制器的型号为STM32F411CEU6，模拟前端模块的型号为AFE4400，加速度传感器的型号为MPU6050，温度传感器的型号为MLX90632，4G通讯模块的型号为EC800N，红色发光二极管、红外发光二极管和光电二极管均集成在型号为SFH7072光学传感器中。

进一步地，

所述型号为STM32F411CEU6控制器的38、39、40、41、42、43号引脚分别对应作为NSS、SCK、MISO、MOSI、ADC_RDY、RESET信号线，与型号为AFE4400模拟前端模块的27、24、25、26、28、29号引脚相连接，以实现STM32F411CEU6控制器对AFE4400模拟前端模块的控制与通信；

所述型号为AFE4400模拟前端模块的1、2号引脚分别与型号为SFH7072光学传感器的2、1号引脚连接，以采集SFH7072光学传感器中光电二极管产生的模拟信号，AFE4400模拟前端模块的14、15号引脚分别与SFH7072光学传感器的9、8号引脚连接，以控制SFH7072光学传感器中的红色发光二极管及红外发光二极管；

所述型号为STM32F411CEU6控制器的45、46号引脚分别作为SCL、SDA信号线，与型号为MPU6050加速度传感器的23、24号引脚连接，以实现型号为STM32F411CEU6控制器对MPU6050加速度传感器的控制与通信；

所述型号为STM32F411CEU6控制器的45、46号引脚分别作为SCL、SDA信号线，与型号为MLX90632温度传感器的4、1号引脚连接，以实现型号为STM32F411CEU6控制器对型号为MLX90632温度传感器的控制与通信；

所述型号为STM32F411CEU6控制器的10、11、12、13、14、15、16号引脚，分别作为CTS、RTS、TXD、RXD、NET_STATUS、STATUS、PWR信号线，与型号为EC800N的4G通讯模块22、23、18、17、16、24、7号引脚相连接，以实现型号为STM32F411CEU6控制器对型号为EC800N的4G通讯模块的控制与通信。

进一步地，在SFH7072光学传感器中，所述红色发光二极管发射光线的波段为660纳米。

进一步地，在SFH7072光学传感器中，所述红外发光二极管发射光线的波段为950纳米。

进一步地，所述监测脚环均具备有自身的唯一编码识别号UID。

本实用新型的有益效果是：本申请中的模拟前端模块控制红色发光二极管、红外发光二极管发出信号，并获取光电二极管探测到的信息，以及实现探测婴幼儿心率、血氧信息。加速度传感器负责探测婴幼儿姿态信息、温度传感器负责探测婴幼儿体温。4G通讯模块负责通过移动互联网向云端服务器上传数据。供电管理系统与电池和充电接口连接，负责为本产品供电。通过本申请结构件设置，实现婴幼儿脚环的多功能应用，使得监测脚环辅助人工监测多项信息。而云端服务器负责收集脚环上传的婴幼儿的心率、血氧、姿态、体温信息，进行数据分析，评估婴幼儿健康状态，并将结果传递给指定实时监护客户端，监护人员可以通过监护客户端实时查看婴幼儿监测脚环的上传数据和婴幼儿健康状态。

附图说明

图1是本实用新型各模块之间连接关系示意图。

图2是本实用新型供电管理系统的结构关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型。

参考图1和图2，本申请整体技术方案如下：

一种无线婴幼儿监护系统，包括

(1)监测脚环；

(2)云端服务器；

(3)监护客户端。

进一步，本系统可以实时测量新生婴儿的心率，血氧饱和度，体温和身体姿态，并将测量的结果通过移动互联网发送至云端服务器，在云端进行分析，再将结果实时反馈给监护人手机中的软件客户端，即监护客户端。

进一步，监测脚环组成如图1所示，包括控制器、模拟前端模块、加速度传感器、温度传感器、4G通讯模块、供电管理模块、红色发光二极管、红外发光二极管和光电二极管组成。其中，模拟前端模块控制红色发光二极管、红外发光二极管发出信号，并获取光电二极管探测到的信息，负责探测婴幼儿心率、血氧信息。加速度传感器负责探测婴幼儿姿态信息、温度传感器负责探测婴幼儿体温。4G通讯模块负责通过移动互联网向云端服务器上传数据。供电管理系统与电池和充电接口连接，负责为本产品供电。

进一步，云端数服务器收集监测脚环上传的婴幼儿的心率、血氧、姿态、体温信息，进行数据分析，评估婴幼儿健康状态，并将结果传递给指定实时监护客户端。

进一步，实时监护客户端通过指定监护人通过手机APP登录客户端查看指定婴幼儿监测脚环的上传数据和婴幼儿健康状态。

其中需补充说明是，本申请采用的原理属于现有技术，在文章名称为：《guidelines-for-spo2-measurement--maxim-integrated》中有记载，本申请只是应用现有技术实现本申请方案，因此符合实用新型的客体。具体的原理包括如下：

1、本产品通过测量婴儿腿部皮肤对两种不同波长的光的反射率随时间的变换计算心率，具体的一个实施例方法如下：

以10毫秒为一个测量周期，在每个周期的0至2.5毫秒内，模拟前端模块向红色发光二极管提供4毫安电流，使其发出波长为660纳米的红光，此红光照射于婴儿腿部皮肤，并反射回光电二极管中，并在光电二极管中产生电流，这一电流的大小将被模拟前端测量；在2.5至5毫秒内，两个发光二极管都不发光，以避免两次相邻的测量相互干扰；在5至7.5毫秒内，模拟前端模块向红外发光二极管提供4毫安电流，使其发出波长为950纳米的红外光，此红外光以相同的路径在光电二极管中产生电流并被测量；在7.5至10毫秒内，两个发光二极管都不发光，以避免两次相邻的测量相互干扰。在10毫秒的测量周期结束后，模拟前端将测量结果发送至控制器。

通过上述过程，本产品以100赫兹的采样频率测量红色与红外信号，即每秒钟分别采集100个红色和红外样本。控制器计算出这两个信号的波峰与波谷，具体计算方法如下：

控制器设置一个大小为40的极值窗口，这个窗口覆盖相邻的40个样本，窗口的大小影响可测量的最大心率和测量稳定性，可测量的最大心率为：

次/分钟。当采样频率为100，极值窗口为40时，可测量的最大心率为300次每分钟。当位于窗口中心的样本为此窗口中所有样本的最大值(最小值)时，则认为此样本为一个波峰(波谷)。通过此方法，可以计算出两个信号的波峰与波谷，同时具有一定的抗干扰能力。

获得信号的波峰与波谷后，计算4个连续的波峰(波谷)的时间间隔，可获得3个相邻的时间间隔，如果这3个时间间隔的大小相近，则求其平均值，计算出心率为：

次/分钟。如果这3个时间间隔的大小不相近，则认为采集到的信号中干扰过大，无法有效计算出心率。

通过上述方法，可计算出4个心率数据，分别为红色波峰、红色波谷、红外波峰、红外波谷。如果采集到的信号无干扰，这4个心率数据应是一致的。如果这4个心率数据不一致，说明信号存在干扰，此时可去除4个心率数据中偏离平均值较大的，并对剩下的心率数据求平均值，以获得相对准确的心率。

2、本产品通过测量婴儿腿部皮肤对两种不同波长的光的反射率随时间的变换计算血氧饱和度，具体的一个实施例方法如下：

获得红色与红外信号的波峰与波谷后，先计算一个中间变量R：

然后计算出血氧饱和度：

血氧饱和度＝a×R+b

其中a和b为两个常数，其值由临床试验确定。使用医用血氧饱和度测量仪器测量多名受试者的血氧饱和度，同时测量R，获得大量数据后，即可通过线性回归的方法获得a和b的值。

进一步补充的是，本产品通过加速度传感器测量本产品的加速度，通过加速度的方向可计算出本产品在静止时所受的重力方向，从而推测婴儿的身体姿态。

进一步补充的是，本产品通过温度传感器测量婴儿的腿部温度。

进一步补充的是，本产品使用4G通讯模块接入互联网向云端服务器发送婴儿的心率，血氧饱和度，体温和身体姿态。本产品使用UDP协议向服务器发送数据，每次发送的数据包括一下内容：

每个监测脚环所具有的唯一识别号(UID)；

加测脚环的剩余电量和充电状态；

数量可变的条目，每个条目对应于一次测量得到的心率，血氧饱和度，体温和身体姿态，包含如下内容：

本次测量的心率是否有效，如有效，则包含心率；

本次测量的血氧饱和度是否有效，如有效，则包含血氧饱和度；

本次测量的体温是否有效，如有效，则包含体温；

本次测量的身体姿态是否有效，如有效，则包含身体姿态。

进一步补充的是，

本产品使用STM32F411CEU6作为主控制器，使用AFE4400，SFH7072，MPU6050，MLX90632作为用于采集数据的传感器，使用EC800N作为4G通讯模块，以及其他部分元件。

本产品使用SFH7072中的两个不同波段的发光二极管和一个光电二极管，其中两个发光二极管发出的光照射于婴儿皮肤表面，光电二极管收集婴儿皮肤反射的光。通过分析反射光的光强随时间变换的关系，以计算出婴儿的心率，血氧等健康指标。

本产品使用MPU6050测量脚环自身的加速度以推测婴儿的身体姿态。

本产品使用EC800N为4G通讯模块，连接SIM卡后可接入互联网，本产品使用贴片式SIM卡。

进一步补充的是，

STM32F411CEU6与AFE4400使用6根信号线连接，其中4根为SPI总线，STM32F411CEU6的38，39，40，41，42，43号引脚，分别作为NSS，SCK，MISO，MOSI，ADC_RDY，RESET信号线，与AFE4400的27，24，25，26，28，29号引脚相连接，以实现STM32F411CEU6对AFE4400的控制与通信。

AFE4400的1，2号引脚，分别与SFH7072的2，1号引脚连接，用以采集SFH7072中的光电二极管产生的模拟信号。AFE4400的14，15号引脚，分别与SFH7072的9，8号引脚连接，用以控制SFH7072中的发光二极管。

STM32F411CEU6与MPU6050使用3根信号线连接，其中2根为I2C总线。STM32F411CEU6的45，46号引脚，分别作为SCL，SDA信号线，与MPU6050的23，24号引脚连接，以实现STM32F411CEU6对MPU6050的控制与通信。

STM32F411CEU6与MLX90632使用2根信号线连接，其中2根为I2C总线。STM32F411CEU6的45，46号引脚，分别作为SCL，SDA信号线，与MLX90632的4，1号引脚连接，以实现STM32F411CEU6对MLX90632的控制与通信。MLX90632可以通过测量人体产生的热辐射计算人体的体温，本产品利用其测量婴儿的体温。

STM32F411CEU6与EC800N，经过TXS0108EPWR进行电平转换，使用7根信号线连接，其中4根为UART总线，STM32F411CEU6的10，11，12，13，14，15，16号引脚，分别作为CTS，RTS，TXD，RXD，NET_STATUS，STATUS，PWR信号线，与EC800N的22，23，18，17，16，24，7号引脚相连接，以实现STM32F411CEU6对AFE4400的控制与通信。

需要注意的是，实用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种无线婴幼儿监护系统，其特征在于，包括监测脚环、云端服务器、监护客户端；

2.根据权利要求1所述的一种无线婴幼儿监护系统，其特征在于，所述监测脚环中还内置有电池；电池分别电性连接控制器、模拟前端模块、加速度传感器、温度传感器、4G通讯模块，以提供电源，并且电池上设有充电接口。

3.根据权利要求1所述的一种无线婴幼儿监护系统，其特征在于，所述温度传感器与婴儿皮肤相贴合。

4.根据权利要求1所述的一种无线婴幼儿监护系统，其特征在于，所述控制器的型号为STM32F411CEU6，模拟前端模块的型号为AFE4400，加速度传感器的型号为MPU6050，温度传感器的型号为MLX90632，4G通讯模块的型号为EC800N，红色发光二极管、红外发光二极管和光电二极管均集成在型号为SFH7072光学传感器中。

5.根据权利要求4所述的一种无线婴幼儿监护系统，其特征在于，

6.根据权利要求4所述的一种无线婴幼儿监护系统，其特征在于，在SFH7072光学传感器中，所述红色发光二极管发射光线的波段为660纳米。

7.根据权利要求4所述的一种无线婴幼儿监护系统，其特征在于，在SFH7072光学传感器中，所述红外发光二极管发射光线的波段为950纳米。

8.根据权利要求1所述的一种无线婴幼儿监护系统，其特征在于，所述监测脚环均具备有自身的唯一编码识别号UID。