PL240457B1 - System for monitoring of locomotory functions of a body and/or respiratory functions and/or pulse - Google Patents
System for monitoring of locomotory functions of a body and/or respiratory functions and/or pulse Download PDFInfo
- Publication number
- PL240457B1 PL240457B1 PL423814A PL42381417A PL240457B1 PL 240457 B1 PL240457 B1 PL 240457B1 PL 423814 A PL423814 A PL 423814A PL 42381417 A PL42381417 A PL 42381417A PL 240457 B1 PL240457 B1 PL 240457B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- block
- microcontroller
- radio
- output
- input
- Prior art date
Links
Description
PL 240 457 B1PL 240 457 B1
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest układ do monitorowania funkcji lokomotorycznych organizmu i/lub czynności oddechowych i/lub pulsu, znajdujący zastosowanie głównie w badaniach ruchów lokomocyjnych, sportowych lub monitorowaniu czynności życiowych podczas snu.The subject of the invention is a system for monitoring the body's locomotor functions and / or respiratory and / or pulse functions, which is mainly used in the study of locomotive movements, sports or monitoring vital functions during sleep.
Systemy monitorowania wykorzystujące teletransmisję stosowane są coraz powszechniej. Szybki rozwój takich rozwiązań zauważyć można również na rynku urządzeń mobilnych. Monitorowanie parametrów organizmu wprowadza nową jakość życia i pozwala reagować szybko, na przykład w sytuacjach zagrożenia zdrowia lub życia. Wykorzystanie interfejsów radiowych jest jednakże bezpośrednio związane z ich zapotrzebowaniem na energię. W przypadku wykorzystania urządzeń mobilnych lub projektowania zasilanych bateryjnie systemów teletransmisyjnych, istotny jest pobór prądu związany z procesem wysyłania i odbioru danych, dlatego też istotne jest opracowywanie nowych metod transmisji, dzięki którym możliwe będzie wydłużenie pracy urządzenia i jednocześnie zwiększenie trwałości ogniw zasilających.Monitoring systems using teletransmission are increasingly used. The rapid development of such solutions can also be noticed on the market of mobile devices. Monitoring the parameters of the body introduces a new quality of life and allows you to react quickly, for example in health or life-threatening situations. The use of radio interfaces is, however, directly related to their energy demand. In the case of using mobile devices or designing battery-powered teletransmission systems, the current consumption related to the process of sending and receiving data is important, therefore it is important to develop new transmission methods, thanks to which it will be possible to extend the operation of the device and at the same time increase the durability of the power cells.
Z dotychczasowego stanu techniki znane są układy monitorujące parametry oddechu, realizowane za pomocą czujników, w których wykorzystuje się między innymi:Breathing parameters monitoring systems implemented with the use of sensors are known from the prior art, which use, inter alia:
- fale elektromagnetyczne w zakresie mikrofal (patent PL218705), wytworzone przez oscylator, emitowane i odbierane jedną anteną w układzie do bezkontaktowego i bezinwazyjnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu, który posiada aktywny element, będący jednocześnie częścią detektora sygnału różnicowego przenoszącego informację o rytmie serca i aktywności oddechowej oraz oscylatora; z uwagi na wykorzystanie mikrofal do monitorowania oddechu i pracy serca utrudnione może być wykorzystanie technologii mobilnych pracujących w podobnym zakresie mikrofal;- electromagnetic waves in the microwave range (patent PL218705), generated by an oscillator, emitted and received with one antenna in a system for non-contact and non-invasive measurement of the heart rate and respiration rate, which has an active element, which is also part of the differential signal detector transmitting information about the heart rhythm and respiratory activity and oscillator; due to the use of microwaves to monitor breathing and heart rate, it may be difficult to use mobile technologies operating in a similar range of microwaves;
- włókna optyczne (patent PL208579); dwa włókna optyczne - nadawcze i odbiorcze, wykorzystane w układzie tekstylnym, który zmienia swoją geometrię na skutek czynności oddechowych, co z kolei wpływa na sygnał odbierany przez włókno odbiorcze; rozwiązanie to nie uwzględnia monitorowania oddechu za pomocą urządzeń mobilnych;- optical fibers (patent PL208579); two optical fibers - transmitting and receiving, used in a textile system that changes its geometry as a result of breathing activities, which in turn affects the signal received by the receiving fiber; this solution does not include breathing monitoring with mobile devices;
- czujnik tekstylny (polskie zgłoszenie patentowe nr P.408711), w postaci gumy tkanej, na której jest wykonany haft przy użyciu drutu przewodzącego z izolacją; rozwiązanie dotyczy głównie samego czujnika, nie uwzględniając monitorowania oddechu za pomocą technologii mobilnych;- a textile sensor (Polish patent application No. P.408711), in the form of woven rubber, on which the embroidery is made using conductive wire with insulation; the solution is mainly related to the sensor itself, not taking into account breathing monitoring using mobile technologies;
- akcelerometr (patent PL216325), który przetwarza na sygnał elektryczny ruch ściany brzucha, proporcjonalny do czynności oddechowych; akcelerometr podłączony jest z mikroprocesorem poprzez kilka filtrów i prostownik dwupołówkowy; rozwiązanie nie uwzględnia zdalnego monitorowania oddechu przy wykorzystaniu technologii radiowych i mobilnych;- accelerometer (patent PL216325), which converts into an electrical signal the movement of the abdominal wall, proportional to respiratory activity; the accelerometer is connected to the microprocessor through several filters and a half-wave rectifier; the solution does not include remote monitoring of breathing using radio and mobile technologies;
- siatkę Bragga (patent PL217840), która stanowi część sensoryczną, wbudowaną trwale we wnętrzu elastycznego elementu, utworzonego korzystnie jako poduszka pneumatyczna, odkształcalna wraz z ruchami ciała osoby monitorowanej i będąca w kontakcie fizycznym z osobą monitorowaną; rozwiązanie to nie uwzględnia monitorowania oddechu za pomocą urządzeń mobilnych.- Bragg mesh (patent PL217840), which is a sensory part permanently built into the interior of an elastic element, preferably formed as a pneumatic cushion, deformable with body movements of the monitored person and being in physical contact with the monitored person; this solution does not include breathing monitoring with mobile devices.
Z opisu patentowego PL224045 znany jest również układ do monitorowania czynności oddechowych oraz sposób monitorowania czynności oddechowych, zwłaszcza częstotliwości oddechu i jego siły (amplitudy), wykorzystujący zjawisko mikrokondensacji i znajdujący zastosowanie szczególnie w badaniu oddechu podczas snu, natomiast z polskiego zgłoszenia patentowego P.400228 znany jest układ do monitorowania częstotliwości oddechu wykorzystujący czujnik ładowany pasożytniczym prądem polaryzacji wejść wzmacniacza, znajdujący zastosowanie w pomiarach parametrów cykli oddechowych oraz wykrywaniu bezdechu. Rozwiązanie ze zgłoszenia P.400228 zostało opisane również w artykule „Integrated micro power frequency breath detector”, Sensors and Actuators A, vol. 239, p. 79-89 (2016).From the patent description PL224045 there is also known a system for monitoring respiratory functions and a method of monitoring respiratory functions, especially the frequency of breathing and its strength (amplitude), using the phenomenon of microcondensation and being used especially in the study of breathing during sleep, while from the Polish patent application P.400228 it is known is a system for monitoring the respiratory rate using a sensor charged with the parasitic current of polarization of the amplifier inputs, which is used in measuring the parameters of the respiratory cycles and in the detection of apnea. The solution from the notification P.400228 was also described in the article "Integrated micro power frequency breath detector", Sensors and Actuators A, vol. 239, p. 79-89 (2016).
Znane są również rozwiązania do badania chodu: patent PL222753, patent PL221416, oraz badania wyskoku: patent PL223927. Rozwiązania te są dedykowane dla elektromiografów, dlatego też nie uwzględniają współpracy z urządzeniami mobilnymi oraz monitorowania funkcji organizmu na wielu odbiornikach.There are also solutions for gait testing: patent PL222753, patent PL221416, and jump testing: patent PL223927. These solutions are dedicated to electromyographs, therefore they do not include cooperation with mobile devices and monitoring of body functions on multiple receivers.
Rozwiązania znane ze stanu techniki umożliwiają monitorowanie czynności oddechowych albo funkcji lokomotorycznych, jednakże ich konfiguracja nie pozwala na mon itorowanie wielu funkcji organizmu jednocześnie i na wielu zdalnych odbiornikach jednocześnie, w tym na urządzeniach mobilnych, co zapewnia dopiero rozwiązanie według niniejszego wynalazku, które jednocześnie jest zoptymalizowane pod kątem oszczędności energii i zwiększenia ilości przesyłanych informacji,The solutions known from the prior art enable the monitoring of respiratory functions or locomotor functions, however, their configuration does not allow for the monitoring of many body functions simultaneously and on many remote receivers simultaneously, including mobile devices, which is only provided by the solution according to the present invention, which is optimized at the same time. in terms of energy savings and increasing the amount of transmitted information,
PL 240 457 B1 dzięki czemu może być wykorzystywane do ciągłego monitorowania funkcji organizmu przy zasilaniu bateryjnym.Thanks to this, it can be used for continuous monitoring of body functions when powered by batteries.
Istotę wynalazku stanowi układ do monitorowania funkcji lokomotorycznych organizmu i/lub czynności oddechowych i/lub pulsu, zawierający co najmniej jeden blok pomiarowy z wbudowanym blokiem czujnika zawierającym co najmniej jeden akcelerometr, korzystnie inercyjny, przy czym wyjście bloku czujnika dołączone jest do wejścia układu kondycjonująco-przetwarzającego, którego wyjście będące jednocześnie wyjściem bloku pomiarowego dołączone jest do co najmniej jednego wejścia bloku mikrokontrolera, którego wyjście podłączone jest do wejścia modułu radiowego, do którego wyjścia podłączona jest antena nadawcza, przy czym blok mikrokontrolera i moduł radiowy z anteną nadawczą tworzą razem blok nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy, natomiast blok odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy składa się z bloku mikrokontrolera oraz modułu radiowego, przy czym do wejścia modułu radiowego podłączona jest antena odbiorcza, a wyjście modułu radiowego dołączone jest do wejścia bloku mikrokontrolera, zawierającego wyjście do dołączania do układów zewnętrznych, charakteryzujący się tym, że moduł radiowy skonfigurowany jest do transmisji ramek rozgłoszeniowych ze zmiennym interwałem transmisyjnym, natomiast wchodzący w skład bloku odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy moduł radiowy skonfigurowany jest w trybie dostosowanym do odbioru ramek rozgłoszeniowych z bloku nadajnika, przy czym układ zawiera co najmniej jeden blok nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy oraz co najmniej jeden blok odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy.The essence of the invention is a system for monitoring the locomotor functions of the body and / or respiratory and / or pulse functions, comprising at least one measuring block with an integrated sensor block containing at least one accelerometer, preferably inert, the output of the sensor block being connected to an input of the conditioning and / or processing unit whose output, which is also the output of the measuring block, is connected to at least one input of the microcontroller block, the output of which is connected to the input of the radio module, the output of which is connected to the transmitting antenna, while the microcontroller block and the radio module with transmitting antenna together form the transmitter block while the Bluetooth Low Energy radio receiver block consists of a microcontroller block and a radio module, the receiving antenna is connected to the input of the radio module, and the radio module output is connected to the input of the microcontroller block, with an output for connecting to external systems, characterized by the fact that the radio module is configured to transmit broadcast frames with a variable transmission interval, while the radio module, which is part of the Bluetooth Low Energy radio receiver block, is configured in a mode adapted to receive broadcast frames from the transmitter block , the system including at least one Bluetooth Low Energy radio transmitter block and at least one Bluetooth Low Energy radio receiver block.
Korzystnie, blok pomiarowy ma postać układu scalonego.Preferably, the measurement block is in the form of an integrated circuit.
Korzystnie, blok czujnika zawiera dodatkowo co najmniej jeden żyroskop, korzystnie inercyjny.Preferably, the sensor block additionally comprises at least one, preferably inertial, gyroscope.
Korzystnie, blok czujnika zawiera dodatkowo co najmniej jeden magnetometr, korzystnie inercyjny.Preferably, the sensor block additionally comprises at least one magnetometer, preferably inertial.
Korzystnie, wejście bloku mikrokontrolera bloku nadajnika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub co najmniej jednego wejścia analogowego.Preferably, the input of the microcontroller block of the radio transmitter block is a hardware communication interface and / or at least one general purpose port and / or at least one analog input.
Korzystnie, wyjście bloku mikrokontrolera bloku nadajnika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.Preferably, the output of the microcontroller block of the radio transmitter block is a hardware communication interface and / or at least one general purpose port and / or internal bus.
Korzystnie, wejście modułu radiowego bloku nadajnika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.Preferably, the input of the radio module of the radio transmitter block is a hardware communication interface and / or at least one general purpose port and / or internal bus.
Korzystnie, wyjście modułu radiowego bloku odbiornika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.Preferably, the output of the radio module of the radio receiver block is a hardware communication interface and / or at least one general purpose port and / or internal bus.
Korzystnie, wejście bloku mikrokontrolera bloku odbiornika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.Preferably, the input of the microcontroller block of the radio receiver block is a hardware communication interface and / or at least one general purpose port and / or internal bus.
Korzystnie, wyjście bloku mikrokontrolera bloku odbiornika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia.Preferably, the output of the microcontroller block of the radio receiver block is a hardware communication interface and / or at least one general purpose port.
Blok mikrokontrolera bloku nadajnika radiowego stanowi co najmniej jeden mikrokontroler.The microcontroller block of the radio transmitter block comprises at least one microcontroller.
Blok mikrokontrolera bloku odbiornika radiowego stanowi co najmniej jeden mikrokontroler.The microcontroller block of the radio receiver block comprises at least one microcontroller.
W szczególnych przypadkach blok odbiornika stanowi blok odbiornika urządzenia mobilnego, zwłaszcza smartfonu, tabletu, fableta, smartwatcha, smartbanda, komputera mobilnego lub komputera stacjonarnego z interfejsem radiowym.In special cases, the receiver block is a receiver block of a mobile device, in particular a smartphone, tablet, phablet, smartwatch, smartband, mobile computer or desktop computer with a radio interface.
Korzystnie, blok nadajnika radiowego ma postać układu scalonego.Preferably, the radio transmitter block is in the form of an integrated circuit.
Korzystnie, blok odbiornika radiowego ma postać układu scalonego.Preferably, the radio receiver block is in the form of an integrated circuit.
Korzystnie, układ kondycjonująco-przetwarzający zawiera co najmniej jeden wzmacniacz analogowy i/lub co najmniej jeden komparator analogowy i/lub co najmniej jeden filtr analogowy i/lub co najmniej jeden filtr cyfrowy i/lub co najmniej jeden mikroprocesor sygnałowy i/lub co najmniej jeden mikrokontroler i/lub co najmniej jeden kontroler sprzętowego interfejsu komunikacyjnego.Preferably, the conditioning and processing circuit comprises at least one analog amplifier and / or at least one analog comparator and / or at least one analog filter and / or at least one digital filter and / or at least one signal microprocessor and / or at least one a microcontroller and / or at least one hardware communication interface controller.
Rozwiązanie według wynalazku ma szereg zalet w stosunku do rozwiązań znanych z dotychczasowego stanu techniki, z których najważniejsze to:The solution according to the invention has a number of advantages over the solutions known from the prior art, the most important of which are:
- oszczędność energii niezbędnej do procesu transmisji, która wynika z rozgłoszeniowego trybu pracy nadajnika; impulsowa transmisja danych pozwala na znaczne oszczędności energii, ponieważ pobierana jest ona w sposób dyskretny na poszczególne cykle nadawcze;- saving the energy necessary for the transmission process, which results from the broadcast mode of operation of the transmitter; impulse data transmission allows for significant energy savings, because it is absorbed discreetly for individual transmission cycles;
PL 240 457 B1PL 240 457 B1
- możliwość implementacji w zastosowaniach loT - Internet Rzeczy, dzięki wykorzystaniu nadajnika w standardzie BLE;- possibility of implementation in loT applications - Internet of Things, thanks to the use of the transmitter in the BLE standard;
- uproszczona detekcja funkcji organizmów, uzyskana dzięki konfiguracji nadajnika do wysyłania ramek ze zmiennym interwałem transmisyjnym, który odzwierciedla częstotliwość wystąpienia monitorowanej funkcji organizmu; zatem w odbiorniku wystarczy odbierać poszczególne ramki i mierzyć czas pomiędzy nimi aby odtworzyć częstotliwość wystąpienia tej funkcji organizmu;- simplified detection of organisms functions, obtained thanks to the configuration of the transmitter to send frames with a variable transmission interval, which reflects the frequency of occurrence of the monitored functions of the organism; therefore in the receiver it is enough to receive the individual frames and measure the time between them in order to restore the frequency of the occurrence of this organism function;
- możliwość monitorowania funkcji organizmów jednocześnie na wielu odbiornikach, w tym urządzeniach mobilnych; konfiguracja nadajnika BLE do trybu rozgłoszeniowego pozwala na jednoczesny odbiór transmitowanych przez niego ramek przez wiele odbiorników;- the ability to monitor the functions of organisms simultaneously on many receivers, including mobile devices; the configuration of the BLE transmitter for broadcast mode allows simultaneous reception of the frames it transmits by multiple receivers;
- możliwość monitorowania kilku funkcji organizmu jednocześnie; konfiguracja nadajnika do trybu, w którym zmienny interwał transmisyjny reprezentuje częstotliwość wystąpienia monitorowanej jednej z funkcji organizmu pozwala na zapis parametrów innej funkcji organizmu jako danych ramki transmisyjnej; w ten sposób jedna ramka niesie informacje na przykład o dwóch funkcjach organizmu, co dodatkowo pozwala na oszczędność energii wydatkowanej na transmisję;- the ability to monitor several body functions at the same time; configuring the transmitter to a mode in which the variable transmission interval represents the frequency of the occurrence of one of the organism functions being monitored, allowing the parameters of another organism function to be recorded as transmission frame data; in this way, one frame carries information on, for example, two functions of the organism, which additionally allows to save energy expended on transmission;
- otwarta topologia sieci sensorowej; układ dzięki wykorzystaniu transmisji rozgłoszeniowej (bezpołączeniowej) nie jest ograniczony do standardowej topologii Bluetooth, czyli piconet lub scatternet; możliwe jest monitorowanie funkcji organizmu w wielu konfiguracjach nadajnik-odbiornik, na przykład jeden do jednego, jeden do wielu, wiele do jednego oraz wiele do wielu; w układzie według wynalazku nie ma określonych ograniczeń co do liczby jednocześnie wykorzystanych nadajników i odbiorników.- open topology of the sensor network; the system, thanks to the use of broadcast (connectionless) transmission, is not limited to the standard Bluetooth topology, i.e. piconet or scatternet; it is possible to monitor bodily functions in multiple transceiver configurations, e.g., one-to-one, one-to-many, many-to-one, and many-to-many; In the system according to the invention, there are no specific limitations as to the number of simultaneously used transmitters and receivers.
Rozwiązanie według wynalazku zostanie bliżej objaśnione na poniższych przykładach realizacji oraz na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasadę standardowej transmisji rozgłoszeniowej, ze stałym interwałem międzyramkowym, fig. 2 - uogólnioną strukturę ramki BLE (Bluetooth Low Energy), fig. 3 - uproszczony schemat blokowy układu do monitorowania funkcji organizmu, w wariancie z jednym blokiem pomiarowym, fig. 4 - wizualizację sposobu monitorowania cykli chodu, jako przykład transmisji rozgłoszeniowej o zmiennych interwałach międzyramkowych, fig. 5 - wizualizację sposobu jednoczesnego monitorowania czynności oddechowych i tętna, fig. 6 - uogólniony schemat blokowy układu do monitorowania funkcji organizmu, w wariancie z dwoma blokami pomiarowymi, fig. 7 - przykładową konfigurację układu z pojedynczym nadajnikiem i wieloma odbiornikami, fig. 8 - przykładową konfigurację układu z wieloma nadajnikami i jednym odbiornikiem, fig. 9 - przykładową konfigurację z dwoma nadajnikami i jednym odbiornikiem, natomiast fig. 10 - przykładową konfigurację układu z wieloma nadajnikami i wieloma odbiornikami.The solution according to the invention will be explained in more detail in the following implementation examples and on the basis of the drawing, in which Fig. 1 shows the principle of standard broadcast transmission with a fixed interframe interval, Fig. 2 - generalized BLE (Bluetooth Low Energy) frame structure, Fig. 3 - simplified block diagram of the system for monitoring body functions, in a variant with one measuring block, fig. 4 - visualization of the method of monitoring gait cycles, as an example of broadcast transmission with variable interframe intervals, fig. 5 - visualization of the method of simultaneous monitoring of respiratory functions and heart rate, fig. 6 - generalized block diagram of the system for monitoring body functions, in the variant with two measuring blocks, fig. 7 - exemplary configuration of a system with a single transmitter and multiple receivers, fig. 8 - exemplary configuration of a system with many transmitters and one receiver, fig. 9 - example configuration with two transmitters i one receiver and Figure 10 illustrates an exemplary configuration of a system with multiple transmitters and multiple receivers.
Dynamiczny rozwój technologii informatycznych i komunikacyjnych (ICT) wymaga wdrażania coraz doskonalszych i bardziej efektywnych metod transmisyjnych. Systemy teleinformatyczne umożliwiają transmisję coraz większej ilości danych z wykorzystaniem różnej infrastruktury sieciowej oraz sposobów transmisji. Możliwość relatywnie prostej konwersji standardu transmisyjnego pomiędzy różnymi systemami powoduje, że obecnie zasięg transmisji nie jest parametrem priorytetowym. Powszechny dostęp do sieci Internet, systemów komórkowych, czy możliwość implementacji, na przykład sieci kratowych (ang. mesh) efektywnie wpływa na zdalną komunikację i otwiera dla niej nowe pola zastosowań. W technice komputerowej od wielu lat stosuje się transmisję dyskretną. Dane są fragmentowane i w takiej postaci transmitowane. Wśród urządzeń mobilnych szczególnie rozpowszechnione są interfejsy radiowe Wi-Fi oraz Bluetooth, które realizują transmisję we wspomniany wcześniej sposób. Transmisja danych zawartych w standaryzowanych ramkach zapewnia wysoki transfer, bezpieczeństwo i umożliwia wykorzystanie efektywnych metod teletransmisyjnych. Szczególnie efektywna pod względem energetycznym jest bezpołączeniowa transmisja w trybie rozgłoszeniowym. Tak skonfigurowany nadajnik radiowy określany jest jako Beacon. Efektywność energetyczna tego typu układów wynika z faktu, iż realizują one transmisję nie w sposób ciągły, ale co zdefiniowany interwał czasowy. Metoda ta służy zwykle do transmisji stałego identyfikatora urządzenia nadawczego, jednak transmitowane dane mogą być modyfikowane, co pozwala na przesyłanie dodatkowych informacji. Wówczas ilość danych, które można transmitować związana jest z częstotliwością transmisji ramek rozgłoszeniowych. Ograniczając zatem ilość cykli transmisyjnych w jednostce czasu, można uzyskać oszczędność energii, dzięki czemu interfejs radiowy będzie funkcjonował efektywnie w systemach zasilanych bateryjnie. Dodatkowo realizując transmisję w trybie rozgłoszeniowym - (w specyfikacji Bluetooth Low Energy nazywanej advertising) - nie ma potrzeby realizacji procedur uwierzytelniania pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, dzięki czemu uproszczony zostaje format transmisji i ograniczona ilość energii potrzebnej do jej realizacji. Szczególnie technologia BLE (ang. BluetoothThe dynamic development of information and communication technologies (ICT) requires the implementation of more and more perfect and more effective transmission methods. ICT systems enable the transmission of an increasing amount of data with the use of various network infrastructure and methods of transmission. Due to the relatively simple conversion of the transmission standard between different systems, the transmission range is not a priority parameter at present. Universal access to the Internet, cellular systems, or the possibility of implementing, for example, mesh networks effectively affects remote communication and opens up new fields of application for it. Discrete transmission has been used in computer technology for many years. The data is fragmented and transmitted as such. Among mobile devices, Wi-Fi and Bluetooth radio interfaces are particularly popular, which carry out the transmission in the aforementioned manner. Transmission of data contained in standardized frames ensures high transfer, security and enables the use of effective teletransmission methods. Connectionless transmission in broadcast mode is particularly energy-efficient. A radio transmitter configured in this way is referred to as a Beacon. The energy efficiency of this type of systems results from the fact that they do not transmit continuously, but with a defined time interval. This method is usually used to transmit the permanent identifier of the transmitting device, but the transmitted data can be modified, which allows for the transmission of additional information. Then, the amount of data that can be transmitted is related to the transmission frequency of the broadcast frames. Thus, by limiting the number of transmission cycles per time unit, energy savings can be achieved, thanks to which the radio interface will function effectively in battery-powered systems. Additionally, when transmitting in broadcast mode - (called advertising in the Bluetooth Low Energy specification) - there is no need to implement authentication procedures between the transmitter and the receiver, which simplifies the transmission format and reduces the amount of energy needed for its implementation. Especially BLE (Bluetooth
PL 240 457 B1PL 240 457 B1
Low Energy) charakteryzuje się zmniejszonym zapotrzebowaniem energetycznym. Przy wykorzystaniu współczesnych interfejsów BLE podczas transmisji pobieranych jest zwykle od kilku do kilkunastu mA prądu. Przy odpowiedniej konfiguracji interfejsu BLE możliwa jest jego ciągła praca liczona nawet w latach. Tryb pracy typu rozgłoszeniowego zwykle używany jest do rozsyłania prostych komunikatów, jak opisano wyżej, jednakże dzięki wykorzystaniu konfiguracji układu według wynalazku możliwe jest monitorowanie wybranych funkcji organizmu człowieka lub zwierząt zapewniając energooszczędną transmisję danych i dodatkowe informacje o monitorowanej funkcji.Low Energy) is characterized by a reduced energy demand. With the use of modern BLE interfaces during transmission, the current consumption is usually from a few to a dozen or so. With the appropriate configuration of the BLE interface, its continuous operation is possible, even in years. The broadcast-type mode of operation is typically used to broadcast simple messages as described above, however, by using the configuration of the system according to the invention, it is possible to monitor selected functions of the human or animal body, providing energy-efficient data transmission and additional information about the monitored function.
Poniżej przedstawione zostaną przykłady różnych wariantów układu według wynalazku z wykorzystaniem interfejsu BLE. Przykłady zostaną poprzedzone opisem sposobu działania interfejsu BLE, co pozwoli na precyzyjniejsze wyjaśnienie istoty konfiguracji wszystkich przykładowych wariantów układu.Examples of different variants of the system according to the invention using the BLE interface will be presented below. The examples will be preceded by a description of how the BLE interface works, which will allow for a more precise explanation of the essence of the configuration of all sample layout variants.
Na fig. 1 rysunku zaprezentowano charakterystykę wizualizującą standardową transmisję nadajnika BLE w trybie rozgłoszeniowym. Poszczególne ramki nadawane są w cyklach transmisyjnych 1 składających się z kilku impulsów, łącznie trwających zwykle kilka milisekund. Zgodnie ze standardem Bluetooth ramki transmisyjne nadawane są ze zdefiniowanym, stałym interwałem czasowym 2. Podczas procesu transmisji prąd pobierany przez nadajnik gwałtownie (impulsowo) wzrasta, dlatego też na fig. 1 transmisję ramki zaprezentowano jako cykl impulsów prądu na zasilaniu modułu radiowego. Na fig. 1 interwał pomiędzy poszczególnymi cyklami transmisyjnymi wynosi 0,3 s.Fig. 1 of the drawing shows a characteristic visualizing the standard transmission of a BLE transmitter in broadcast mode. The individual frames are transmitted in transmission cycles 1 consisting of several pulses, usually lasting several milliseconds in total. According to the Bluetooth standard, transmission frames are transmitted with a defined, fixed time interval 2. During the transmission process, the current consumed by the transmitter increases rapidly (pulses), therefore in Fig. 1 the frame transmission is presented as a cycle of current pulses on the radio module power supply. In Fig. 1, the interval between the individual transmission cycles is 0.3 s.
W celu demonstracji praktycznego wykorzystania układu do monitorowania wybranych funkcji organizmu, w przykładach zostaną zaprezentowane wyniki zrealizowanych pomiarów. Użyty w zaprezentowanych przykładach zintegrowany moduł zawierający blok mikrokontrolera i nadajnika BLE wykorzystuje profil GAP (ang. Generic Access Profile). W ramach profilu GAP moduł funkcjonuje jako urządzenie peryferyjne (ang. Peripheral) nadając ramki rozgłoszeni owe 3. Ramki te posiadają format zgodny z ramkami rozgłoszeniowymi określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Typ ramki ustawiony jest na bezpołączeniowy (ang. non-connectable) i nie dający możliwości wysłania prośby o dodatkowe dane (ang. scan request), w specyfikacji określony jako ADV_NONCONN_IND. Zgodnie ze specyfikacją Bluetooth Core 4.2 sekcja danych rozgłoszeniowych 4 ramki rozgłoszeniowej 3 zawiera trzydzieści jeden bajtów danych, które mogą być modyfikowane, przy czym w przykładach wykorzystany został implementowany przez producenta układu stos protokołów Bluetooth Low Energy, który umożliwia zmianę bajtów modyfikowalnej sekcji 6 danych rozgłoszeniowych 4, natomiast poprzedzająca je sekcja 5 powinna zostać skonfigurowana zgodnie z zaleceniami producenta. Wynika to z faktu, iż producent udostępnia standardowo możliwość konfiguracji transmisji rozgłoszeniowej z wykorzystaniem ramki rozgłoszeniowej 3, której sekcja danych rozgłoszeniowych 4 przystosowana jest do formatu danych iBeacona, który nie jest określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Interwał między ramkami 2a ustalany jest na podstawie wykonywanych pomiarów i nie jest stały, lecz zależy od monitorowanej funkcji organizmu. Umożliwia to odwzorowanie pomiarów na urządzeniu odbiorczym tylko na podstawie czasu odebrania kolejnej ramki rozgłoszeniowej. Zmiana interwału nadawania danych rozgłoszeniowych skutkuje wykroczeniem poza specyfikację Bluetooth Core 4.2, w której wskazano, że interwał dla transmisji bezpołączeniowej jest stały i mieści się w przedziale od 100 ms do 10,24 s. Nadawane ramki nadal jednak mogą być odbierane przez wszelkie urządzenia zgodne z tą specyfikacją, jeżeli zachowany zostanie format ramki rozgłoszeniowej 3. W pewnych przypadkach ramka ta może nie zawierać dodatkowych danych, ponieważ informacja związana z samym faktem odbioru ramki jest wystarczająca do odwzorowania monitorowanej funkcji organizmu. Ramka posiadać musi jedynie nagłówek i adres określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2, natomiast dane rozgłoszeniowe 4 nie muszą być określone.In order to demonstrate the practical use of the system to monitor selected body functions, the results of the measurements will be presented in the examples. The integrated module used in the presented examples, containing a microcontroller block and a BLE transmitter, uses the GAP (Generic Access Profile) profile. Within the GAP profile, the module functions as a Peripheral, transmitting broadcast frames 3. These frames have a format compatible with broadcast frames defined in the Bluetooth Core 4.2 specification. The frame type is set to connectionless (non-connectable) and not capable of sending a scan request, specified in the specification as ADV_NONCONN_IND. According to the Bluetooth Core 4.2 specification, the broadcast data section 4 of the broadcast frame 3 contains thirty-one bytes of data that can be modified, the examples using the Bluetooth Low Energy protocol stack implemented by the system manufacturer, which allows the bytes of the modifiable section 6 of the broadcast data to be changed 4 and the preceding section 5 should be configured according to the manufacturer's recommendations. This is due to the fact that the manufacturer provides as standard the possibility of configuring the broadcast transmission using a broadcast frame 3, whose broadcast data section 4 is adapted to the iBeacon data format, which is not specified in the Bluetooth Core 4.2 specification. The interval between the frames 2a is determined on the basis of the measurements taken and is not constant, but depends on the monitored function of the organism. This makes it possible to map the measurements to the receiving device only on the basis of the reception time of the next broadcast frame. Changing the broadcast data transmission interval exceeds the Bluetooth Core 4.2 specification, which indicates that the connectionless transmission interval is fixed and ranges from 100 ms to 10.24 s. Transmitted frames, however, can still be received by any compatible devices. this specification, if the format of the broadcast frame is 3. In some cases, this frame may not contain additional data, since the information related to the mere fact of receiving the frame is sufficient to represent the monitored organism functions. The frame only needs to have the header and address specified in the Bluetooth Core 4.2 specification, and the broadcast data 4 need not be specified.
W konstrukcji układu według wynalazku możliwe jest zastosowanie różnych konfiguracji bloku pomiarowego 9, bloku nadajnika 12 oraz bloku odbiornika 12a. W szczególności każdy z trzech wymienionych bloków może być zrealizowany na bazie pojedynczego układu scalonego. Oznacza to, że blok pomiarowy 9 zawiera blok czujnika 7 z co najmniej jednym czujnikiem, przy czym blok czujnika 7 zintegrowany jest z blokiem kondycjonująco-przetwarzającym 8. Dodatkowo należy wspomnieć, że układ 8 kondycjonująco-przetwarzający może być zintegrowany z wejściami bloku mikrokontrolera 10, na przykład jako obwody wejściowe komparatorów, bufory wejść analogowych ADC czy portów ogólnego zastosowania GPIO.In the construction of the system according to the invention, it is possible to use different configurations of the measuring block 9, the transmitter block 12 and the receiver block 12a. In particular, each of the three blocks mentioned can be realized on the basis of a single integrated circuit. This means that the measuring block 9 comprises a sensor block 7 with at least one sensor, the sensor block 7 being integrated with the conditioning and processing block 8. Additionally, it should be mentioned that the conditioning and processing circuit 8 can be integrated with the inputs of the microcontroller block 10, for example, as comparator input circuits, ADC analog input buffers or general purpose GPIO ports.
Znane są również układy tzw. bezpośrednich interfejsów sensor-mikrokontroler (na przykład z prac F. Revertera i współautorów), które wykorzystując, na przykład elementy pasywne pozwalają na realizacje pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych za pomocą mikrokontrolera. WykorzyThere are also so-called direct sensor-microcontroller interfaces (e.g. from the works of F. Reverter and co-authors), which, using, for example, passive elements, allow for measurements of basic electrical quantities with a microcontroller. Utilize
PL 240 457 B1 stane elementy pasywne można wówczas traktować jako blok kondycjonująco-przetwarzający 8, ponieważ dopasowują sygnał pomiarowy do parametrów wejść bloku mikrokontrolera 10.The existing passive elements can then be treated as a conditioning and processing block 8, because they adjust the measurement signal to the input parameters of the microcontroller block 10.
Blok 9 w praktyce jest w pełni funkcjonalnym układem pomiarowym z wbudowanym blokiem czujnika zawierającym co najmniej jeden czujnik, analogowe i/lub cyfrowe układy przetwarzania i kondycjonowania sygnału (wzmacniacze, filtry analogowe lub cyfrowe, mikrokontrolery, procesory DSP itp.), którego wyjście propaguje sygnały elektryczne reprezentujące informacje dotyczące określonej funkcji organizmu. Wyjście 90 bloku 9 dołączone jest do wejścia 101 bloku mikrokontrolera 10, które jest jednocześnie wejściem bloku nadajnika 12. Wejście 101 bloku mikrokontrolera 10 w praktyce ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia. Wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 dołączone jest do wejścia 111 modułu radiowego 11 (RF). W praktyce wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 i wejście 111 modułu radiowego 11 oznacza linie interfejsu sterującego modułem radiowym, na przykład SPI, I2C, 1wire, UART itp. Wyjście 110 modułu radiowego 11 dołączone jest do anteny 120 nadawczej.Block 9 is in practice a fully functional measuring system with an integrated sensor block containing at least one sensor, analog and / or digital signal processing and conditioning circuits (amplifiers, analog or digital filters, microcontrollers, DSP processors, etc.), the output of which propagates signals electrical representing information about a specific function of the body. The output 90 of block 9 is connected to the input 101 of the microcontroller block 10, which is also the input of the transmitter block 12. The input 101 of the microcontroller block 10 is in practice a hardware communication interface and / or at least one general purpose port. The output 100 of the microcontroller block 10 is connected to the input 111 of the radio module 11 (RF). In practice, the output 100 of the microcontroller block 10 and the input 111 of the radio module 11 represent the interface lines controlling the radio module, for example SPI, I2C, 1wire, UART, etc. The output 110 of the radio module 11 is connected to the transmitting antenna 120.
W układach blokowo zaprezentowanych w przykładach moduł (lub moduły) radiowy 11 bloku (lub bloków) nadajnika 12 transmituje sygnały do odpowiadającego mu bloku odbiornika 12a, na który składa się moduł radiowy 11a skonfigurowany jako odbiornik oraz blok mikrokontrolera 10a. Do wejścia 111a modułu radiowego 11a dołączona jest antena odbiorcza 120a. Wyjście 110a modułu radiowego 11a połączone jest z wejściem 101a bloku mikrokontrolera 10a, przy czym w praktyce wyjście 110a modułu radiowego 11a oraz wejście 101a bloku mikrokontrolera 10a oznacza linie interfejsu sterującego modułem radiowym, na przykład SPI, I2C, 1wire, UART itp.In the block arrangements shown in the examples, the radio module (or modules) 11 of the transmitter block (or blocks) 12 transmits the signals to the corresponding receiver block 12a, which consists of a radio module 11a configured as a receiver and a microcontroller block 10a. A receiving antenna 120a is connected to the input 111a of the radio module 11a. The output 110a of the radio module 11a is connected to the input 101a of the microcontroller block 10a, in practice, the output 110a of the radio module 11a and the input 101a of the microcontroller block 10a represent the interface lines controlling the radio module, e.g. SPI, I2C, 1wire, UART, etc.
W przypadku bloku nadajnika 12 jak i bloku odbiornika 12a zrealizowanych na bazie układów scalonych, blok mikrokontrolera 10 i moduł radiowy 11 są połączone wewnętrzną magistralą, podobnie jak moduł radiowy 11a i blok mikrokontrolera 10a.In the case of the transmitter block 12 and the receiver block 12a based on integrated circuits, the microcontroller block 10 and the radio module 11 are connected by an internal bus, as are the radio module 11a and the microcontroller block 10a.
Blok mikrokontrolera 10a bloku odbiornika 12a pozwala na wykorzystanie dostępnych portów ogólnego zastosowania lub interfejsów komunikacyjnych jako wyjść 100a do zewnętrznych urządzeń, modułów, systemów pomiarowych, układów powiadamiania i alarmowych, innych struktur sieciowych - radiowych lub przewodowych itp. Blok mikrokontrolera 10a pełni zatem funkcję układu sterującego pracą interfejsu radiowego, przetwarza odbierane sygnały oraz transmituje za pomocą wyjścia 100a sygnały do zewnętrznych modułów, na przykład wyświetlacza (LCD, OLED itp.), sygnalizatora akustycznego (np. piezo) i/lub optycznego (np. diody LED). W aplikacjach praktycznych antena 120a, moduł radiowy 11a oraz blok mikrokontrolera 10a są elementami składowymi bloku odbiornika 12a. Wyjście 100a bloku mikrokontrolera 10a może też pełnić rolę interfejsu sterująco-komunikacyjnego z zewnętrznymi systemami i obsługiwać podobnie jak wejścia 101a bloku mikrokontrolera 10a różne standardy. Innym wariantem bloku odbiornika 12a mogą być również odbiorniki wbudowane w urządzenia mobilne, na przykład smartphone, smartwatch, smartband, tablet, laptop, komputer stacjonarny z interfejsem radiowym (z wersją Bluetooth 4 lub wyższą) itp.The microcontroller block 10a of the receiver block 12a allows the use of available general purpose ports or communication interfaces as outputs 100a to external devices, modules, measurement systems, notification and alarm systems, other network structures - radio or wired, etc. The microcontroller block 10a therefore functions as a control system. operation of the radio interface, processes the received signals, and transmits, via the output 100a, signals to external modules, e.g. In practical applications, the antenna 120a, the radio module 11a, and the microcontroller block 10a are components of the receiver block 12a. The output 100a of the microcontroller block 10a can also act as a control and communication interface with external systems and support various standards, similar to the inputs 101a of the microcontroller block 10a. Another variant of the receiver block 12a can also be receivers built into mobile devices, for example a smartphone, smartwatch, smartband, tablet, laptop, desktop computer with a radio interface (with Bluetooth version 4 or higher), etc.
Blok odbiornika 12a sygnału dla wszystkich opisanych przykładów podobnie jak blok nadajnika 12 wykorzystuje profil GAP. W ramach tego profilu blok odbiornika 12a pełni funkcję urządzenia centralnego. Blok odbiornika 12a skonfigurowany jest w trybie obserwatora, który umożliwia za pomocą modułu radiowego 11a odbiór ramek rozgłoszeniowych 3. Tryb ten określony jest w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Odbiornik za pomocą bloku mikrokontrolera 10a umożliwia odwzorowanie monitorowanej/monitorowanych funkcji organizmu poprzez analizę czasu pomiędzy odebraniem kolejnych ramek oraz opcjonalnie także poprzez analizę danych umieszczonych w ramce.Signal receiver block 12a for all of the described examples like the transmitter block 12 uses the GAP profile. Within this profile, receiver block 12a performs the function of a central device. The receiver block 12a is configured in an observer mode which enables the radio module 11a to receive broadcast frames 3. This mode is defined in the Bluetooth Core 4.2 specification. The receiver, by means of the microcontroller block 10a, enables the mapping of the monitored / monitored body functions by analyzing the time between receiving successive frames and, optionally, also by analyzing the data contained in the frame.
P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1
Układ przedstawiony na fig. 3 z pojedynczym blokiem pomiarowym 9, pojedynczym blokiem nadajnika 12 i pojedynczym blokiem odbiornika 12a.The circuit shown in Fig. 3 with a single measurement block 9, a single transmitter block 12, and a single receiver block 12a.
Blok pomiarowy 9 zrealizowany był w postaci analogowo-cyfrowego układu scalonego zawierającego blok czujnika 7 z wbudowanym trójosiowym układem akcelerometrów i zaimplementowany przez producenta blok kondycjonująco-przetwarzający 8. Wyjście 90 bloku pomiarowego 9 i wejście 101 bloku mikrokontrolera 10 stanowił interfejs I2C. Blok nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy 12 również zrealizowany był w postaci zintegrowanej, zatem wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 dołączone jest do wejścia 111 modułu radiowego 11 magistralą wewnętrzną. Z kolei wyjście 110 modułu radiowego 11 dołączone jest do anteny nadawczej 120, natomiast moduł radiowy 11 skonfigurowany jest do transmisji ramek rozgłoszeniowych 3 ze zmiennym interwałem transmisyjnym 2a. Blok odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy 12a również zrealizowany był w postaci zintegrowanej. Do wejścia 111a modułu radiowego 11a dołączona jest antena odbiorcza 120a. Wyjście 110a modułuThe measuring block 9 was implemented in the form of an analog-to-digital integrated circuit containing a sensor block 7 with a built-in three-axis accelerometer system and a conditioning and processing block 8 implemented by the manufacturer. The output 90 of the measuring block 9 and the input 101 of the microcontroller block 10 constituted the I2C interface. The Bluetooth Low Energy radio transmitter block 12 was also integrated, so the output 100 of the microcontroller block 10 is connected to the input 111 of the radio module 11 via an internal bus. In turn, the output 110 of the radio module 11 is connected to the transmit antenna 120, and the radio module 11 is configured to transmit broadcast frames 3 with a variable transmission interval 2a. The Bluetooth Low Energy 12a radio receiver unit was also integrated. A receiving antenna 120a is connected to the input 111a of the radio module 11a. Module output 110a
PL 240 457 B1 radiowego 11a połączone jest z wejściem 101a bloku mikrokontrolera 10a za pomocą magistrali wewnętrznej. Moduł radiowy 11a odbiornika 12a skonfigurowany był w trybie dostosowanym do odbioru ramek rozgłoszeniowych 3 z modułu radiowego 11 bloku nadajnika 12. Wyjście 100a bloku odbiornika 12a zrealizowano w postaci interfejsu UART.The radio frequency 11a is connected to the input 101a of the microcontroller block 10a via an internal bus. The radio module 11a of the receiver 12a was configured in a mode adapted to receive broadcast frames 3 from the radio module 11 of the transmitter block 12. The output 100a of the receiver block 12a was implemented in the form of a UART interface.
Z wykorzystaniem układu według niniejszego przykładu zarejestrowano sygnał monitorowania cykli chodu, co zaprezentowano na fig. 4. Blok pomiarowy 9 zawierający blok czujnika 7 umieszczono na pięcie pacjenta. Współbieżnie rejestrowane krzywe reprezentują dane z osi Y akcelerometru (Ampl.Y) oraz pobór prądu (I) przez blok nadajnika 12, co wskazuje na transmisję ramek. Ramki rozgłoszeniowe 3 transmitowane były w momencie kontaktu pięty z podłożem, co na krzywej Ampl.Y reprezentowane jest przez dużą zmianę amplitudy i to o wartościach zarówno dodatnich jak i ujemnych, dlatego też zmiana ta jest relatywnie łatwa do detekcji. W omawianym przykładzie na fig. 4 zauważyć można, że pierwsza ramka została wysłana dopiero po detekcji pierwszego kontaktu stopy z podłożem - po ponad 4 s. Przez ponad trzy początkowe sekundy monitorowana osoba stała swobodnie, więc cykle chodu nie były realizowane a moduł radiowy 11 nie transmitował ramek rozgłoszeniowych 3. Na fig. 4 obszar, w którym na podstawie realizowanych przez blok mikrokontrolera 10 pomiarów sygnału monitorowania funkcji organizmu (w tym wypadku funkcji lokomotorycznych) 13 nie jest realizowana transmisja ramek oznaczono jako 14. Z kolei dyskretne wartości czasu 15, w których po detekcji wartości sygnału 13 zgodnej z regułą sterowania następuje transmisja ramek rozgłoszeniowych oznaczono kółkami.Using the system according to the present example, the signal for monitoring the gait cycles as shown in Fig. 4 was recorded. A measuring block 9 containing a sensor block 7 was placed on the patient's heel. The concurrently recorded curves represent data from the Y axis of the accelerometer (Ampl. Y) and the current consumption (I) by the transmitter block 12, which indicates transmission of the frames. The broadcast frames 3 were transmitted at the moment of contact of the heel with the ground, which in the Ampl.Y curve is represented by a large change in amplitude, both with positive and negative values, therefore this change is relatively easy to detect. In the discussed example in Fig. 4, it can be seen that the first frame was sent only after detecting the first contact of the foot with the ground - after more than 4 seconds. transmitting broadcast frames 3. In Fig. 4, the area in which, based on the measurements of the body function monitoring signal (in this case, the locomotor functions) 13 performed by the microcontroller block 10, no transmission of the frames is performed is indicated as 14. Discrete time values 15, in turn, after the detection of the signal value 13 according to the control rule, transmission of the broadcast frames is indicated with circles.
Za pomocą układu z fig. 3 zrealizowano również współbieżne pomiary oddechu oraz pulsu. Akcelerometr umieszczono na ścianie brzucha monitorowanej osoby (około 2 cm poniżej wyrostka mieczykowatego mostka), która wykazuje oscylacje o różnej częstotliwości. Czynności oddechowe wywołują wolnozmienne drgania ściany brzucha (o częstotliwościach zwykle poniżej 1 Hz), natomiast akcja serca wywołuje szybkozmienne drgania o mniejszej amplitudzie. Akcelerometr mierzy jednocześnie obie oscylacje, które widoczne są na krzywej Ampl.A (fig. 5). Krzywa ta prezentuje nieprzeskalowane, bezwymiarowe dane zarejestrowane z akcelerometru w funkcji czasu. Filtracja danych z akcelerometru realizowana w bloku mikrokontrolera 10, pozwala na odseparowanie sygnału czynności oddechowych od sygnału pulsu. Transmisja ramek rozgłoszeniowych 3 sterowana jest na podstawie sygnału pulsu (drgania ściany brzucha o wyższej częstotliwości spowodowane pracą serca). Blok mikrokontrolera 10 skonfigurowano tak, aby po detekcji maksimów każdego cyklu pracy serca, inicjował transmisję ramek, co na krzywej Ampl.P oznaczono symbolami koła. Przed wysłaniem każdej ramki blok mikrokontrolera realizuje próbkowanie krzywej wolnozmiennej oddechu co około 0,1 s, a następnie przed wysłaniem ramki wypełnia sekcję danych rozgłoszeniowych 4 ramki jednobajtowymi próbkami krzywej wolnozmiennej. Wartość każdej próbki zapisać można w kolejnych bajtach modyfikowalnej sekcji 6 danych rozgłoszeniowych 4 ramki rozgłoszeniowej 3. Przy każdym cyklu pracy serca w zależności od częstotliwości jego pracy zostanie zatem wysłane od kilku do kilkudziesięciu próbek w jednej ramce, na podstawie których można odtworzyć krzywą wolnozmiennego procesu oddechu. Czynności oddechowe reprezentowane są na podstawie krzywej Ampl.O. Krzywa ta prezentuje odfiltrowane dane zarejestrowane z akcelerometru w funkcji czasu. Zatem w omawianym przykładzie puls monitoruje się dzięki samej detekcji ramek rozgłoszeniowych 3, natomiast dzięki realizowanej w bloku odbiornika 12a integracji danych zawartych w kolejnych takich ramkach monitoruje się czynności oddechowe. W ten sposób, wykorzystując skromne zasoby trybu rozgłoszeniowego można podczas transmisji jednego typu danych monitorować na przykład dwie funkcje organizmu.By means of the circuit of Fig. 3, simultaneous measurements of the breath and the pulse were also realized. The accelerometer was placed on the abdominal wall of the monitored person (about 2 cm below the xiphoid process of the sternum) which showed oscillations of varying frequency. Respiratory activity causes slowly varying vibrations of the abdominal wall (frequencies usually below 1 Hz), while heart rate causes rapid changes of lower amplitude. The accelerometer measures both oscillations simultaneously, which are visible in the Ampl.A curve (Fig. 5). This curve presents unscaled, dimensionless data recorded from the accelerometer as a function of time. Accelerometer data filtration in microcontroller block 10 allows the respiratory signal to be separated from the pulse signal. The transmission of the broadcasting frames 3 is controlled on the basis of the pulse signal (higher frequency vibrations of the abdominal wall caused by the work of the heart). The microcontroller block 10 is configured to initiate frame transmission upon detection of the peaks of each heart rate, as indicated by the circle symbols in the Ampl.P curve. Before sending each frame, the microcontroller block performs sampling of the slow-varying breath curve approximately every 0.1 s, and then fills the broadcast data section of the 4 frames with single-byte samples of the slow-varying curve before sending the frame. The value of each sample can be written in successive bytes of the modifiable section 6 of the broadcast data 4 of the broadcast frame 3. At each cycle of the heart's work, depending on the frequency of its work, several to several dozen samples will be sent in one frame, on the basis of which the curve of the slowly changing breathing process can be reconstructed. . Breathing is represented by the Ampl.O curve. This curve shows the filtered data recorded from the accelerometer as a function of time. Thus, in the discussed example, the pulse is monitored thanks to the detection of broadcast frames 3 itself, while the respiratory activity is monitored thanks to the integration of data contained in such frames in the receiver block 12a. In this way, using the meager resources of the broadcast mode, it is possible to monitor, for example, two body functions during the transmission of one type of data.
P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2
Układ przedstawiony na fig. 6 z dwoma blokami pomiarowymi 9, pojedynczym blokiem nadajnika 12 i pojedynczym blokiem odbiornika 12a.The circuit shown in Fig. 6 with two measuring blocks 9, a single transmitter block 12 and a single receiver block 12a.
Pojedynczy blok pomiarowy 9 zrealizowany był w postaci analogowo-cyfrowego układu scalonego zawierającego blok czujnika 7 z wbudowanym trójosiowym układem akcelerometrów i zaimplementowany przez producenta blok kondycjonująco-przetwarzający 8, którego wyjście 90 i wejście 101 bloku mikrokontrolera 10 stanowił interfejs I2C, który pozwala na dołączenie dwóch bloków pomiarowych 9. W przykładzie wykorzystano dwa bloki pomiarowe 9. Blok nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy 12 również zrealizowany był w postaci zintegrowanej, zatem wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 dołączone jest do wejścia 111 modułu radiowego 11 magistralą wewnętrzną. Z kolei wyjście 110 modułu radiowego 11 dołączone jest do anteny nadawczej 120, natomiast moduł radiowy 11 skonfigurowany jest do transmisji ramek rozgłoszeniowych 3 ze zmiennym interwałem transmisyjnym 2a. Blok odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy 12a również zrealizowany był w postaci zintegrowanej.A single measuring block 9 was implemented in the form of an analog-digital integrated circuit containing a sensor block 7 with a built-in three-axis accelerometer system and a conditioning and processing block 8 implemented by the manufacturer, whose output 90 and input 101 of the microcontroller block 10 constituted the I2C interface, which allows the connection of two measuring blocks 9. The example uses two measuring blocks 9. The Bluetooth Low Energy radio transmitter block 12 was also implemented in an integrated form, so the output 100 of the microcontroller block 10 is connected to the input 111 of the radio module 11 by an internal bus. In turn, the output 110 of the radio module 11 is connected to the transmit antenna 120, and the radio module 11 is configured to transmit broadcast frames 3 with a variable transmission interval 2a. The Bluetooth Low Energy 12a radio receiver unit was also integrated.
PL 240 457 B1PL 240 457 B1
Do wejścia 111a modułu radiowego 11a dołączona jest antena odbiorcza 120a. Wyjście 110a modułu radiowego 11a połączone jest z wejściem 101a bloku mikrokontrolera 10a za pomocą magistrali wewnętrznej. Moduł radiowy 11a odbiornika 12a skonfigurowany był w trybie dostosowanym do odbioru ramek rozgłoszeniowych 3 z modułu radiowego 11 bloku nadajnika 12. Wyjście 100a bloku odbiornika 12a zrealizowano w postaci interfejsu UART. Układ według niniejszego przykładu pozwala na precyzyjniejsze monitorowanie pulsu i oddechu w systemach, w których wykorzystuje się maty pomiarowe do monitorowania snu. Bloki pomiarowe 9 umieszczono w macie, którą następnie układa się pod materacem. Zastosowanie dwóch bloków pomiarowych 9 pozwala na precyzyjniejsze monitorowanie pulsu i oddechu dwóch osób śpiących w jednym łóżku.A receiving antenna 120a is connected to the input 111a of the radio module 11a. The output 110a of the radio module 11a is connected to the input 101a of the microcontroller block 10a via an internal bus. The radio module 11a of the receiver 12a was configured in a mode adapted to receive broadcast frames 3 from the radio module 11 of the transmitter block 12. The output 100a of the receiver block 12a was implemented in the form of a UART interface. The arrangement of the present example allows for more precise pulse and respiration monitoring in systems that use measuring mats to monitor sleep. The measuring blocks 9 are placed in a mat which is then placed under the mattress. The use of two 9 measuring blocks allows more precise monitoring of the pulse and breathing of two people sleeping in one bed.
Blok mikrokontrolera 10 realizuje niezależne pomiary sygnałów doprowadzonych do każdego z jego wejść 101, a następnie po detekcji cyklu pulsu, wysyła sygnały sterujące do wejścia 111 modułu radiowego 11, który z kolei realizuje transmisję za pomocą anteny 120. Natomiast wyniki pomiarów cykli oddechowych zapisuje się w sekcji danych ramki rozgłoszeniowej. Układ zaprezentowany na fig. 6 realizuje transmisję ze zmiennymi interwałami transmisyjnym i 2a pomiędzy ramkami rozgłoszeniowymi 3. Aby odróżnić, którego bloku pomiarowego 9 dotyczy ramka rozgłoszeniowa 3, stosuje się unikalne identyfikatory ramek rozgłoszeniowych 3 zapisane w ich sekcjach danych rozgłoszeniowych 4.The microcontroller block 10 performs independent measurements of the signals applied to each of its inputs 101, and then, after detecting the pulse cycle, sends control signals to the input 111 of the radio module 11, which in turn transmits via the antenna 120. The results of the breath cycle measurements are recorded in the data section of a broadcast frame. The circuit shown in Fig. 6 performs a transmission with variable transmission intervals and 2a between broadcast frames 3. To distinguish which measuring block 9 the broadcast frame 3 relates to, the unique identifiers of the broadcast frames 3 stored in their broadcast data sections 4 are used.
W przypadku jednoczesnej detekcji określonych wartości pomiarów zdefiniowanych przez użytkownika na więcej niż jednym wejściu 101 bloku mikrokontrolera 10 transmituje się indeksowane ramki rozgłoszeniowe 3 dla każdego z tych wejść z możliwie najkrótszym interwałem transmisyjnym 2a.In the case of simultaneous detection of certain user-defined measurement values, on more than one input 101 of the microcontroller block 10, indexed broadcast frames 3 are transmitted for each of these inputs with the shortest possible transmission interval 2a.
Układ według wynalazku, w którym blok nadajnika 12 oraz blok pomiarowy 9 ma budowę analogiczną do zaprezentowanej w przykładach, w praktyce można wykorzystywać w różnych konfiguracjach. Transmitowane ramki rozgłoszeniowe z jednego bloku nadajnika 12 mogą być odbierane przez wiele bloków odbiornika 12a, w tym jednocześnie przez odbiorniki wbudowane w urządzenia mobilne.The system according to the invention, in which the transmitter block 12 and the measuring block 9 have a structure similar to that shown in the examples, can be used in practice in various configurations. Transmitted broadcast frames from one transmitter block 12 may be received by multiple receiver blocks 12a, including simultaneously by receivers built into mobile devices.
P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3
Układ przedstawiony na fig. 7 z dwoma blokami pomiarowymi 9, pojedynczym blokiem nadajnika 12 i dwoma blokami odbiornika 12a.The circuit shown in Fig. 7 with two measuring blocks 9, a single transmitter block 12 and two receiver blocks 12a.
Układ tego typu pozwala na monitorowanie pulsu oraz oddechu jednocześnie na dwóch urządzeniach - jednym mobilnym (smartfonie) z odbiornikiem BLE oraz drugim - bloku odbiornika 12a o budowie analogicznej do tej z przykładów 1 i 2. Dwa bloki pomiarowe 9 wykorzystano analogicznie jak w przykładzie 2, co pozwala również na precyzyjne monitorowanie pulsu i oddechu dwóch osób śpiących w jednym łóżku jednocześnie.This type of system allows you to monitor the pulse and breathing simultaneously on two devices - one mobile (smartphone) with a BLE receiver and the other - the receiver block 12a with a structure similar to that in examples 1 and 2. Two measuring blocks 9 were used in the same way as in example 2, which also allows for precise monitoring of the pulse and breathing of two people sleeping in one bed at the same time.
P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4
Układ zaprezentowany na fig. 8 z dwoma nadajnikami i jednym odbiornikiem wbudowanym w urządzenie mobilne w postaci tabletu.The circuit shown in Fig. 8 with two transmitters and one receiver built into a mobile device in the form of a tablet.
Zaprezentowany układ pozwala na monitorowanie pulsu oraz oddechu trzech osób jednocześnie, śpiących w dwóch osobnych łóżkach. Jedna osoba monitorowana jest przez moduł z nadajnikiem 12 i pojedynczym blokiem pomiarowym 9, natomiast dwie osoby śpiące w drugim łóżku monitorowane są za pomocą modułu z nadajnikiem 12 i dwoma blokami pomiarowymi 9, umieszczonymi w macie pomiarowej analogicznie jak w przykładzie 2.The presented system allows you to monitor the pulse and breathing of three people at the same time, sleeping in two separate beds. One person is monitored by a module with a transmitter 12 and a single measuring block 9, while two people sleeping in the second bed are monitored by a module with a transmitter 12 and two measuring blocks 9, placed in the measuring mat in the same way as in example 2.
P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5
Układ przedstawiony na fig. 9 z dwoma osobnymi blokami nadajnika 12, w którym do każdego z bloków nadajnika 12 dołączono pojedynczy blok pomiarowy 9.The system shown in Fig. 9 with two separate transmitter blocks 12 in which a single measurement block 9 is connected to each of the transmitter blocks 12.
Układ zawiera również pojedynczy blok odbiornika 12a wbudowany w urządzenie mobilne - smartfon. Blok nadajnika 12 wraz z blokiem pomiarowym 9 umieszcza się na kończynach osoby monitorowanej, co pozwala na rejestrację sygnałów analogiczną do tej zaprezentowanej na fig. 4, przy czym dla każdej kończyny z osobna. Transmisja ramki następuje po detekcji kontaktu pięty z podłożem.The system also includes a single receiver block 12a built into the mobile device - the smartphone. The transmitter block 12 together with the measurement block 9 is placed on the limbs of the monitored person, which allows for the recording of signals analogous to that presented in Fig. 4, but separately for each limb. The frame transmits after detecting the contact between the heel and the ground.
P r z y k ł a d 6P r x l a d 6
Układ zaprezentowany na fig. 10 z dwoma nadajnikami i dwoma odbiornikami.The circuit shown in Fig. 10 with two transmitters and two receivers.
Układ funkcjonalnie po stronie bloków nadajników 12 odpowiada rozwiązaniu z fig. 8, ale dodatkowo zawiera jeszcze jeden blok odbiornika 12a, wbudowany w dedykowane urządzenie do monitorowania pulsu i oddechu podczas snu. Zatem układ z fig. 10 przedstawia konfigurację, w której wiele bloków nadajnika 12 transmituje ramki rozgłoszeniowe 3 odbierane przez wiele bloków odbiornika 12a.The arrangement functionally on the side of the transmitter blocks 12 corresponds to that of Fig. 8, but additionally includes another receiver block 12a embedded in a dedicated device for monitoring pulse and breathing during sleep. Thus, the arrangement of Fig. 10 shows a configuration in which a plurality of transmitter blocks 12 transmit broadcast frames 3 received by a plurality of receiver blocks 12a.
Claims (16)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL423814A PL240457B1 (en) | 2017-12-11 | 2017-12-11 | System for monitoring of locomotory functions of a body and/or respiratory functions and/or pulse |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL423814A PL240457B1 (en) | 2017-12-11 | 2017-12-11 | System for monitoring of locomotory functions of a body and/or respiratory functions and/or pulse |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL423814A1 PL423814A1 (en) | 2019-06-17 |
| PL240457B1 true PL240457B1 (en) | 2022-04-04 |
Family
ID=66809684
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL423814A PL240457B1 (en) | 2017-12-11 | 2017-12-11 | System for monitoring of locomotory functions of a body and/or respiratory functions and/or pulse |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL240457B1 (en) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150182113A1 (en) * | 2013-12-31 | 2015-07-02 | Aliphcom | Real-time fatigue, personal effectiveness, injury risk device(s) |
| WO2015153676A1 (en) * | 2014-03-31 | 2015-10-08 | Angulus Corp. | Accelerometer and wireless notification system |
| AU2016315947B2 (en) * | 2015-08-31 | 2021-02-18 | Masimo Corporation | Wireless patient monitoring systems and methods |
-
2017
- 2017-12-11 PL PL423814A patent/PL240457B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL423814A1 (en) | 2019-06-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100459539C (en) | Wireless subject monitoring system | |
| US6285899B1 (en) | Remotely interrogated biomedical sensor | |
| EP2260673B1 (en) | Handover mechanism for sensor networks | |
| US20190059821A1 (en) | Enhancing optical cardiac activity measurement | |
| US20120302858A1 (en) | Portable eeg monitor system with wireless communication | |
| US20140275861A1 (en) | Ambulatory sensing system and associated methods | |
| US9571907B2 (en) | Nth leadless electrode telemetry device, system and method of use | |
| EP2898297A1 (en) | Wireless wearable apparatus, system, and method | |
| Agezo et al. | Battery-free RFID heart rate monitoring system | |
| Magno et al. | A versatile biomedical wireless sensor node with novel drysurface sensors and energy efficient power management | |
| GB2563065A (en) | Sensor module for personal performance monitoring and related arrangement and method | |
| KR20150143766A (en) | Ecg monitor with an implantable part | |
| US9924868B2 (en) | Method, apparatus, system, and computer readable medium for determining preferable conditions for MAC communication within a WBAN | |
| JP2010141469A (en) | Sensor network system | |
| RU2584452C2 (en) | Method for power-saving detection of body sensor network | |
| Sardini et al. | T-shirt for vital parameter monitoring | |
| JP2009178381A (en) | Biological information telemeter system | |
| JP6135277B2 (en) | Information aggregation device, connection switching method, and wireless network system | |
| PL240457B1 (en) | System for monitoring of locomotory functions of a body and/or respiratory functions and/or pulse | |
| Mohamed et al. | Using MANET in IoT healthcare applications: a survey | |
| US9402543B2 (en) | Nth leadless electrode telemetry device, system and method of use | |
| US11172861B2 (en) | Detection devices and monitoring systems including detection devices | |
| Sriraam et al. | An ubiquitous healthcare system using a wearable shirt for a smart home-a pilot study | |
| US20210337608A1 (en) | Sensor data quality as a trigger to check on-body presence and facilitate un-pairing | |
| A. Rahim et al. | Development of telg mote for wireless biomedical sensor network (WBSN) application |