武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統的製作方法
2023-09-16 03:50:15 2
武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統。包括用於收集人體生命體徵信號的傳感器組，與傳感器組無線連接的數據預處理模塊，與數據預處理模塊連接的用於對人體生命體徵信號進行處理的微處理器，微處理器通過無線傳輸模塊連接有後臺數據處理中心，所述數據預處理模塊包括與傳感器組無線連接的信號調理電路，與信號調理電路連接的A/D轉換器電路，A/D轉換器電路與微處理器相連。本實用新型在不妨礙受訓者活動的前提下，為單兵訓練、考核或戰時提供連續、準確的日常生理監測功能、數據管理功能和預警救助功能，將受訓者的運動狀態與生理特徵相關聯，以區別生理性活動和病理性病變引起的生理信號異常，提高了監測、診斷的準確性。
【專利說明】武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，尤其是一種能夠準確的識別、採集和分析受訓者的各種生命體徵及對全員的動態管理，對受訓者的狀態有很好的監控、預警、考核評估作用的系統。
【背景技術】
[0002]隨著傳感器微型化，通信技術、計算機技術、微電子技術及生物材料技術的迅速發展，網際網路、移動通信、嵌入式計算和器件的成功應用，運動健康監測系統正在受到國際上眾多研宄者的高度重視。但是大多研宄都是屬於起步階段，缺乏成熟的研宄平臺和具體的產品應用，很多工程和技術上問題還有待解決和突破。在研宄和開發過程中，涉及到的技術問題主要有以下幾項:
[0003]1、人體運動檢測技術
[0004]當前人體運動健康監測系統中，對人體運動進行檢測，及時掌握監測對象的日常運動情況、是否出現意外或者疾病等引起的跌倒，對人體運動健康生活方式的評估和展開及時救助具有積極意義。但是人體特徵的變化性、多樣性，使得系統在傳感器的使用數目和穿戴的舒適性之間存在矛盾。如何在使用少量感知設備和處理設備的前提下，實現運動特徵參數的方便而可靠、準確而無損的測量和處理，目前還處於研宄階段。
[0005]2、生理參數與運動狀態相結合的技術
[0006]人體特徵具有多樣性、複雜性，多個特徵屬性之間往往相互關聯。當前研宄中，往往單純監測生理參數，或將健康監測系統應用環境限制在人體靜止或休息的狀態下，忽略監測對象的運動狀態對生理狀態有一定的影響，從而不能區別生理性活動和病理性病變引起的生理信號異常。如何在識別運動狀態基礎上對生理健康狀態做出正確判斷，以便根據監測對象所處的具體情景來為用戶提供更準確、實時的服務，目前還處於研宄階段。
[0007]3、傳感器技術
[0008]執行人體生理參數監測的傳感器主要有心率、心電、呼吸、血壓、血氧、人體姿態等，這些設備往往需要放置在身體的特定位置測量，有的需要將測量點粘貼在身體上某處，如:心電傳感器、呼吸傳感器，因此信號的抗幹擾能力較弱，並且給監測對象的正常生活帶來不便。未來的研宄中應包括傳感器本身設計結構的完善，包括微型化、便攜性，這些需要相關行業的發展，如微電子技術、材料科學等。
[0009]4、低功耗技術
[0010]實現低負荷移動監測是人體運動檢測系統的重要目標，能耗和電池大小逐漸成為持續感知系統中主要的技術問題和性能瓶頸。當前的人體運動檢測健康監測系統還局限於小範圍內的監測使用，原因之一是傳感器和無線傳輸技術的低功耗還沒有達到理想的狀態。未來的研宄中應包括能量採集技術、低功耗技術、電池技術。
[0011]目前，Android市場出現許多相似產品的應用，如「智能感應計步器」、「Nike+」、"Runtastic Mountain Bike」、「我的足跡」、「咕咚運動+」等等，然而它們的應用主要取向於遊戲娛樂，所以技術上的缺陷和系統的完整性都無法應用於軍事訓練場合。
實用新型內容
[0012]本實用新型的目的在於提供武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，主要解決現有人體監測系統性能不完整，無法應用於軍事訓練場合的問題。本實用新型在不妨礙受訓者活動的前提下，為單兵訓練、考核或戰時提供連續、準確的日常生理監測功能和管理。將受訓者的運動狀態與生理特徵相關聯，以區別生理性活動和病理性病變引起的生理信號異常，以此提高監測、診斷的準確性。
[0013]為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下:
[0014]武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，包括用於收集人體生命體徵信號的傳感器組，與傳感器組無線連接的數據預處理模塊，與數據預處理模塊連接的用於對人體生命體徵信號進行處理的微處理器，微處理器通過無線傳輸模塊連接有後臺數據處理中心，所述數據預處理模塊包括與傳感器組無線連接的信號調理電路，與信號調理電路連接的Α/D轉換器電路，Α/D轉換器電路與微處理器相連。
[0015]具體地，所述無線傳輸模塊包括射頻模塊、藍牙模塊、無線通信模塊，所述射頻模塊為nRF24L01無線傳輸模塊，無線通信模塊為GPRS/3G/W1-FI模塊。
[0016]進一步地，所述微處理器採用STM32F103，傳感器組均採用PVDF壓電薄膜貼片傳感器。
[0017]更進一步地，所述微處理器還連接有鍵盤、液晶屏、狀態指示燈。
[0018]再進一步地，所述nRF24L01無線傳輸模塊與STM32F103的SPIl通信接口連接，W1-FI/GPRS模塊與STM32F103的USART2通信接口連接，藍牙模塊與STM32F103的USARTl通信接口連接，液晶屏與STM32F103的PB5-PB15通用I/O 口連接，鍵盤與STM32F103的PB0-PB3通用I/O 口連接，Α/D轉換器電路與STM32F103的PB4通用I/O 口連接。
[0019]再進一步地，所述傳感器組、數據預處理模塊、微處理器均佩戴於受訓者身上，所述傳感器組分為用於收集人體生理參數的生理參數傳感器，用於收集人體運動狀態的運動狀態傳感器，所述生理參數傳感器包括用於採集呼吸率的壓電/壓阻式傳感器、用於採集體溫的溫度傳感器、用於採集心電的模擬心電傳感器；所述運動狀態傳感器包括用於採集身體姿態的3軸加速度傳感器。上述各傳感器放置在身體的不同位置，如:腕處、腰部、胸部和人體腳踝，提取四個特徵值:功率譜密度中的峰值密度、信號均值、信號譜密度、信號方差，構建決策樹，對站立、躺倒、走路、跑步等單兵運動進行識別。
[0020]與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0021](I)本實用新型建立了一套高效的無線傳感網絡，該網絡能夠靈活應對各種不同的作戰環境，準確採集和分析戰士的各種生命體徵及受訓成績，對戰士受訓的狀態有很好的監控作用。
[0022](2)本實用新型採用傳感器組收集人體的生理參數和運動狀態，準確區分生理性活動和病理性病變引起的生理信號異常，以此提高監測、診斷的準確性。
[0023](3)本實用新型採用無線傳輸模塊與後臺數據處理中心，該數據處理中心可以是PC機或帶有數據處理功能的手持終端，且通過該無線傳輸模塊將採集到的受訓者生命體徵信號共享至網絡中，並通過後臺數據處理中心和微處理器對生命體徵信號做出診斷、運動狀態與危險動作識別、預警救助、人機互動，並應對突發情況。
[0024](4)本實用新型結構簡單，並且所選的各器件能耗低，全面的信號搜集和準確地判斷，起到對全員的動態管理、單兵的考核評估、個體間相互協作的提醒作用，從而幫助指揮員、教練員了解訓練效果，正確評價訓練方法，進而調整訓練方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型的系統框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，本實用新型的實施方式包括但不限於下列實施例。
實施例
[0027]如圖1所示，武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，包括傳感器組，與傳感器組無線連接的數據預處理模塊，與數據預處理模塊連接的微處理器，所述數據預處理模塊包括與傳感器組連接的信號調理電路，與信號調理電路連接的A/D轉換器電路，A/D轉換器電路與微處理器相連，微處理器通過無線傳輸模塊連接有後臺數據處理中心，所述無線傳輸模塊包括射頻模塊、藍牙模塊、無線通信模塊，所述射頻模塊為nRF24L01無線傳輸模塊，無線通信模塊為GPRS/3G/W1-FI模塊；微處理器還連接有鍵盤、液晶屏、狀態指示燈。在本實施例中，微處理器採用STM32F103。其中nRF24L01無線傳輸模塊使用STM32F103 的 SPIl 通信接口，W1-FI \GPRS 模塊使用 STM32F103 的 USART2 通信接口，藍牙模塊使用STM32F103的USARTl通信接口。液晶屏用STM32F103的PB5-PB15通用I/O口驅動，鍵盤用STM32F103的PB0-PB3通用I/O 口驅動。生命體徵信號由STM32F103的PB4通用I/O 口輸入，即A/D轉換器電路與此I/O 口連接。
[0028]傳感器組組成本實用新型的感知層，感知層通過各種類型感知設備獲取受訓者相關信息，交由數據預處理模塊處理。預處理包括:A/D轉換、標示、封裝等。由於人體相關生理參數和運動狀態密切相關，如人體在劇烈運動(快跑)、較緩和運動(常速走)和處於靜止狀態下，心率往往產生較大的變化。因此監測用戶的生理參數、並且「知道」受訓者處在何種運動狀態下，可以區分人體是由於劇烈運動引起的生理異常或疾病引起的病理性生理異常，對準確判斷受訓者的身體健康情況具有重要意義。由此，傳感器組分為用於收集人體生理參數的生理參數傳感器，用於收集人體運動狀態的運動狀態傳感器，生理參數傳感器包括用於採集呼吸率的壓電/壓阻式傳感器，測量值為每分鐘的呼吸次數；用於採集體溫的溫度傳感器，精度高、靈敏度高，其溫度為-10?65°C ;用於採集心電的模擬心電傳感器；運動狀態傳感器包括用於採集身體姿態的3軸加速度傳感器，傳輸和定位:通過相關系統或GPRS準確定位並傳輸相關數據，數據數位化處理和存儲:採用具有模數轉換、無線通訊及數據處理等功能的高集成度SOC，本地存儲採用面積微小、容量大的串行快閃記憶體晶片。
[0029]根據識別的動作類型不同，上述各傳感器放置在身體的不同位置，如:腕處、腰部、胸部和人體腳踝，提取四個特徵值:功率譜密度中的峰值密度、信號均值、信號譜密度、信號方差，構建決策樹，對站立、躺倒、走路、跑步等單兵運動進行識別。針對不同受訓者的健康情況，側重於不同的生理參數測量，比如高血壓患者側重於血壓的測量，可提高對應數據的採樣頻率，而對血糖等參數的採樣頻率則可相應降低。
[0030]微處理器採用目前比較流行的ARM微處理器STM32F103，STM32F103增強型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節的快閃記憶體和20K字節的SRAM)，豐富的增強I/O埠和聯接到兩條APB總線的外設。STM32F103增強型系列均包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和I個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口:2個I2C和SP1、3個USART、1個USB和I個CAN，工作於-40° C至+105° C的溫度範圍，供電電壓2.0V至3.6V，該款微處理器擁有性能強勁、成本低、低功耗和體積小等優點，完全滿足設計的要求，利用其內置的12位的ADC實現傳感器信號模數轉換。
[0031]微處理器是受訓者穿戴部分的數據處理中心，包括生理信息診斷模塊、運動狀態與危險動作識別模塊、歷史運動狀態與事件隊列、決策模塊、預警救助模塊、人機互動模塊，決策模塊分別與生理信息診斷模塊、運動狀態與危險動作識別模塊、歷史運動狀態與事件隊列、預警救助模塊、人機互動模塊實現數據傳輸，歷史運動狀態與事件隊列還分別與運動狀態與危險動作識別模塊和生理信息診斷模塊實現數據傳輸。生理和運動監測模塊對應不同的分類器，執行相應的分類算法，然後將該分類結果放入歷史運動狀態與事件隊列中，決策模塊從該隊列中取出生理狀態和運動狀態進行判斷，出現緊急事件時，如:跌倒、靜止狀態下生理參數異常，則啟動預警救助模塊；反之對數據做進一步的處理。感知層和微處理器之間連接用短距離通信方式，如藍牙、Zigbee ;微處理器和後臺數據處理中心之間的互聯採用遠距離通信技術，如GPRS、W1-F1、3G。
[0032]後臺數據處理中心，主要有系統管理模塊、服務響應模塊、數據存儲與分析模塊。服務響應模塊對多用戶數據進行分析、統計服務、個人用戶的既定服務；系統管理模塊對多個預警信息進行分類、識別、優先級處理，以便受訓者能得到實時的救助；數據存儲與分析模塊負責為各個功能模塊提供數據支持，後臺數據處理中心可運用現有的具有數據處理、傳輸功能的設備或系統實現，在此不做贅述。
[0033]本實施例中，信號的無線發送採用了四種方式，分別是射頻、藍牙、W1-FI和GPRS。這是為了應對不同的需求。射頻的傳輸距離較遠，但必須要配對的接收設備才能收到，它的優點是成本很低；Bluetooth的傳輸距離較近，一般為10米左右，它的優點是功耗非常低；W1-FI可以被多個接收設備同時收到，傳輸範圍100米；GPRS用來搭建一個超遠距離的數據傳輸平臺。四種方式可以根據需要在不同的場合選擇不同的方式。
[0034]射頻方式選擇nRF24L01無線傳輸模塊，這是一款新型單片射頻收發器件，其工作於2.4 GHz?2.5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調製器等功能模塊，並融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低，在以_6dBm的功率發射時，工作電流也只有9 mA;接收時，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閒模式)使節能設計更方便。
[0035]W1-FI無線傳輸方式選擇串口 W1-FI模塊，型號為USER-WIFI232-B，該模塊用於實現串口到W1-FI數據包的雙向透明轉發，用戶無需關心具體細節，模塊內部完成協議轉換，串口一側連接微處理器串口進行數據透明傳輸，W1-FI網絡一側是TCP/IP數據包，通過簡單設置即可指定工作細節，設置可以通過模塊內部的網頁進行，也可以通過串口使用AT指令進行。運行PC機或智慧型手機上的TCP/IP連接軟體可以接收到模塊發送的數據。
[0036]藍牙無線傳輸方式選擇ATK-HC05藍牙串口模塊。該模塊是ALIENTEK生產的一款高性能主從一體藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機和PDA等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率範圍:4800-1382400，並且模塊兼容5V或3.3VARM微處理器系統，使用很方便。該模塊通過串口與微處理器進行連接，並通過AT指令進行配置，運行智能終端的藍牙軟體就可以接收數據。
[0037]GPRS無線傳輸方式選擇DTP_S09系列模塊，該模塊是一款內嵌GSM/GPRS核心單元的無線Modem，具有完備的電源管理系統，標準的串行數據接口。外觀小巧，軟體接口簡單易用，為用戶搭建了一個超遠距離的數據傳輸平臺。
[0038]按照上述實施例，便可很好地實現本實用新型。值得說明的是，基於上述結構設計的前提下，為解決同樣的技術問題，即使在本實用新型上做出的一些無實質性的改動或潤色，所採用的技術方案的實質仍然與本實用新型一樣，故其也應當在本實用新型的保護範圍內。
【權利要求】
1.武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，其特徵在於，包括用於收集人體生命體徵信號的傳感器組，與傳感器組無線連接的數據預處理模塊，與數據預處理模塊連接的用於對人體生命體徵信號進行處理的微處理器，微處理器通過無線傳輸模塊連接有後臺數據處理中心，所述數據預處理模塊包括與傳感器組無線連接的信號調理電路，與信號調理電路連接的A/D轉換器電路，A/D轉換器電路與微處理器相連。
2.根據權利要求1所述的武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，其特徵在於，所述無線傳輸模塊包括射頻模塊、藍牙模塊、無線通信模塊，所述射頻模塊為nRF24L01無線傳輸模塊，無線通信模塊為GPRS/3G/W1-FI模塊。
3.根據權利要求2所述的武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，其特徵在於，所述微處理器採用STM32F103，傳感器組均採用PVDF壓電薄膜貼片傳感器。
4.根據權利要求3所述的武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，其特徵在於，所述微處理器還連接有鍵盤、液晶屏、狀態指示燈。
5.根據權利要求4所述的武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，其特徵在於，所述nRF24L01無線傳輸模塊與STM32F103的SPIl通信接口連接，W1-FI/GPRS模塊與STM32F103的USART2通信接口連接，藍牙模塊與STM32F103的USARTl通信接口連接，液晶屏與STM32F103的PB5-PB15通用I/O 口連接，鍵盤與STM32F103的PB0-PB3通用I/O 口連接，A/D轉換器電路與STM32F103的PB4通用I/O 口連接。
6.根據權利要求5所述的武警智能化單兵運動監測及生命體徵預警救助系統，其特徵在於，所述傳感器組、數據預處理模塊、微處理器均佩戴於受訓者身上，所述傳感器組分為用於收集人體生理參數的生理參數傳感器，用於收集人體運動狀態的運動狀態傳感器，所述生理參數傳感器包括用於採集呼吸率的壓電/壓阻式傳感器、用於採集體溫的溫度傳感器、用於採集心電的模擬心電傳感器；所述運動狀態傳感器包括用於採集身體姿態的3軸加速度傳感器。
【文檔編號】A61B5/11GK204192584SQ201420676530
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】趙汝勇, 吳榮春, 鄧從強, 司偉 申請人:吳榮春