不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括耳戴式心率監(jiān)測模塊、個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊、個(gè)體定位模塊、數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端、后臺(tái)服務(wù)器和客戶端；所述耳戴式心率監(jiān)測模塊、所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和所述個(gè)體定位模塊均與所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端相連，所述數(shù)據(jù)采集終端、所述后臺(tái)服務(wù)器和所述客戶端依次相連。本發(fā)明的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)特勤人員在執(zhí)行特殊任務(wù)過程中的生理體征監(jiān)測，并且能夠?qū)⒈O(jiān)測的信息直接回傳到指揮中心處。
【專利說明】
不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，靜態(tài)生命體征監(jiān)測技術(shù)已比較成熟，具體的講就是監(jiān)測人體的心率、脈搏、血壓等體征數(shù)據(jù)，應(yīng)用場景包括老年人健康監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練監(jiān)測等等。但是靜態(tài)體征監(jiān)測技術(shù)多以接觸式的感知手段為主。盡管現(xiàn)在出現(xiàn)了很多穿戴式監(jiān)測設(shè)備，但是這些穿戴式監(jiān)測設(shè)備或功能單一，或不能完成運(yùn)動(dòng)中的監(jiān)測，而且這些穿戴式監(jiān)測設(shè)備多以手機(jī)或移動(dòng)設(shè)備作為采集設(shè)備，不能發(fā)送結(jié)果，因此不能滿足特殊行業(yè)需求，比如消防救援、應(yīng)急救援、公安偵查、野外探險(xiǎn)等等。在實(shí)際的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，特勤人員身上會(huì)穿配戴特種裝備，且會(huì)有大幅的運(yùn)動(dòng)，因此常規(guī)的生理特征監(jiān)測技術(shù)很難適用于這些場景。
[0003]一些商用的公司，如芬蘭polar公司、美國耐克公司等相繼推出可穿戴式體征監(jiān)測產(chǎn)品，如耐克的心率帶、polar的心率帶等。這些心率檢測產(chǎn)品采用電極式的檢測方法，通過藍(lán)牙和相應(yīng)的心理表連接，從而進(jìn)行心理監(jiān)測。此外，這些公司也生產(chǎn)了單獨(dú)的心率表，這些心率表不能進(jìn)行連續(xù)心理檢測，應(yīng)用范圍受限。胸帶式心率帶對(duì)于特勤人員而言，佩戴較為不便，不能應(yīng)用到特殊領(lǐng)域。
[0004]2012年美國邁歐開發(fā)了 m1 alpha阿爾法運(yùn)動(dòng)心率手表，它是全世界第一款能夠進(jìn)行連續(xù)心率測量的手表，通過藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行連接，用戶通過手機(jī)隨時(shí)可查看心率數(shù)據(jù)。該款心率表可謂是心率表的革命產(chǎn)品，準(zhǔn)確度很高。盡管阿爾法運(yùn)動(dòng)心率手表能夠監(jiān)測心率，但是佩戴在手腕上對(duì)于特勤人員來說仍然不是合適的位置。因?yàn)樘厍谌藛T經(jīng)常會(huì)使用設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行交互，從而引起手臂的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于心率監(jiān)測有影響。
[0005]在連續(xù)心率檢測方面，LG公司采用PerformTek公司的專利技術(shù)，開發(fā)了運(yùn)動(dòng)式耳機(jī)，能夠進(jìn)行心率連續(xù)監(jiān)測，檢測結(jié)果通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)上，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)PerformTek公司介紹，該技術(shù)可以利用運(yùn)動(dòng)傳感器消除由于人體運(yùn)動(dòng)帶來的偽跡。StevenLeBoeuf 等人的美國專利〈〈Apparatus and methods for monitoring phys1logical dataduring environmental interference))中詳細(xì)介紹了該項(xiàng)技術(shù)，該專利提供了一種可穿戴式的人體體征監(jiān)測裝置和方法，該裝置可以放到身體的不同部位，進(jìn)行生理體征參數(shù)監(jiān)測，如心率、血氧飽和度等，例如該裝置可放置到耳朵里。
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮?01280040652.7、發(fā)明名稱為《獨(dú)立的無干擾的可穿著的健康監(jiān)測和警報(bào)系統(tǒng)》的中國專利提供了一種無縫的、獨(dú)立的、可穿著的健康監(jiān)測和自我警報(bào)系統(tǒng)，其被配置由生命體每天使用，該生命體包括健康的生命體，所述系統(tǒng)包括:a)服裝，其由所述生命體穿著成貼近所述生命體的身體的預(yù)先配置的部分山)服裝控制裝置，其包括:i)服裝處理器；以及ii)電池；c)多導(dǎo)聯(lián)心電圖測量裝置，其包括多個(gè)電極或探頭裝置；以及d)報(bào)警單元。該健康監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的無干擾的被檢測人健康異常情況，如心率失常等，一旦發(fā)生異?？闪⒓催M(jìn)行報(bào)警。但該系統(tǒng)配備有專門的服裝，而且體征監(jiān)測采用電極式的方法，需要事先穿戴特殊衣服。對(duì)于特勤人員等需要快速進(jìn)行穿戴的情景，極其不便，最重要的是電極式檢測方式問題較多，比如不規(guī)則的頻繁運(yùn)動(dòng)、大量的汗水等。因此該健康監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng)不適合執(zhí)行特殊任務(wù)的特勤人員使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，涉及光電式脈搏波檢測技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、穿戴式行為識(shí)別技術(shù)以及慣性航跡推算室內(nèi)定位技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)特勤人員如消防員在執(zhí)行特殊任務(wù)過程中的生理體征監(jiān)測，并且能夠?qū)⒈O(jiān)測的信息直接回傳到指揮中心處。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，包括耳戴式心率監(jiān)測模塊、個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊、個(gè)體定位模塊、數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端、后臺(tái)服務(wù)器和客戶端；所述耳戴式心率監(jiān)測模塊、所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和所述個(gè)體定位模塊均與所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端相連，所述數(shù)據(jù)采集終端、所述后臺(tái)服務(wù)器和所述客戶端依次相連；所述耳戴式心率監(jiān)測模塊用于檢測個(gè)體的心率信息；所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊用于檢測個(gè)體的姿態(tài)信息；所述個(gè)體定位模塊用于獲取個(gè)體的定位信息；所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端用于接收所述耳戴式心率監(jiān)測模塊、所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和所述個(gè)體定位模塊所傳送來信息，并進(jìn)行姿態(tài)和位置的計(jì)算，將獲得的個(gè)體的心率信息、姿態(tài)信息和定位信息組合發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器；所述后臺(tái)服務(wù)器用于接收所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端所傳送的信息，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫；所述客戶端用于讀取所述后臺(tái)服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，并且利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行可視化展現(xiàn)。
[0009]根據(jù)上述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中:所述耳戴式心率監(jiān)測模塊包括耳戴式結(jié)構(gòu)、微控制器、光學(xué)發(fā)射模塊、光學(xué)接收模塊、藍(lán)牙模塊、濾波調(diào)理電路、電源模塊和加速度計(jì)；所述光學(xué)發(fā)射模塊用于以恒定波長的光源照射皮膚組織；所述光學(xué)接收模塊用于檢測皮膚組織漫反射回來的光強(qiáng)，從而間接測量人體的脈沖脈搏波信號(hào)；所述濾波調(diào)理電路用于對(duì)微弱的脈沖脈搏波信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理；所述微控制器用于對(duì)濾波調(diào)理電路的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，并計(jì)算出個(gè)體的心率；所述藍(lán)牙模塊用于將計(jì)算的個(gè)體心率數(shù)據(jù)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端；所述加速度計(jì)用于采集個(gè)體的運(yùn)動(dòng)信息，并將運(yùn)動(dòng)信息輸入到所述濾波調(diào)理電路中進(jìn)行處理，以處理運(yùn)動(dòng)偽跡。
[0010]根據(jù)上述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中:所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊包括微控制器、三軸加速度計(jì)、氣壓計(jì)、藍(lán)牙模塊和電源模塊；所述三軸加速度計(jì)用于采集人體在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的加速度；所述氣壓計(jì)用于測量當(dāng)前所處位置處的氣壓，得到海拔高度；所述微控制器用于將所述三軸加速度計(jì)和所述氣壓計(jì)的數(shù)據(jù)，組合成數(shù)據(jù)幀通過所述藍(lán)牙模塊發(fā)送到所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端。
[0011]根據(jù)上述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中:所述個(gè)體定位模塊包括微控制器、三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁羅盤、氣壓計(jì)、藍(lán)牙模塊和電源模塊；所述三軸加速度計(jì)用于采集個(gè)體的加速度；所述三軸陀螺儀用于采集個(gè)體的角速度；所述三軸磁羅盤用于采集個(gè)體方位；所述氣壓計(jì)用于采集個(gè)體當(dāng)前所處位置處的氣壓值；所述微控制器采集所述三軸加速度計(jì)、所述三軸陀螺儀、所述氣壓計(jì)和所述三軸磁羅盤傳送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)幀拼接，形成定位數(shù)據(jù)幀，并通過所述藍(lán)牙模塊發(fā)送到所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端。
[0012]根據(jù)上述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中:所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端包括嵌入式處理器、藍(lán)牙模塊、3G模塊、WiFi模塊、GPS模塊、專用通訊模塊和電源模塊；所述藍(lán)牙模塊用于接收所述耳戴式心率監(jiān)測模塊、所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和所述個(gè)體定位模塊所傳送來的數(shù)據(jù)；所述嵌入式處理器用于對(duì)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀解析，計(jì)算得到個(gè)體的姿態(tài)信息和定位信息，并對(duì)個(gè)體的心率信息、姿態(tài)信息和定位信息進(jìn)行打包，形成數(shù)據(jù)幀；所述WiFi模塊、所述3G模塊和所述專用通訊模塊用于將所述數(shù)據(jù)幀傳送到所述后臺(tái)服務(wù)器。
[0013]進(jìn)一步地，根據(jù)上述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中:所述嵌入式處理器對(duì)采集到的加速度進(jìn)行特征提取、特征降維以及特征分類，實(shí)現(xiàn)四種人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的識(shí)別。
[0014]進(jìn)一步地，根據(jù)上述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中:所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端采用卡爾曼濾波對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，計(jì)算出定位信息。
[0015]根據(jù)上述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中:當(dāng)有GPS信號(hào)時(shí)，所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端通過GPS模塊獲得個(gè)體的定位信息，并結(jié)合定位模塊，通過數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行位置融合推理，得到校正的定位信息。
[0016]根據(jù)上述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中:所述客戶端具備人員體征狀況異常報(bào)警功能，通過心率和姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷個(gè)體生命體征是否正常，并在個(gè)體生命體征處于異常狀態(tài)時(shí)發(fā)出報(bào)警。
[0017]如上所述，本發(fā)明的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，具有以下有益效果:
[0018](I)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、快速的、多生命體征參數(shù)監(jiān)測，支持WiF1、3G等通用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并且在公用網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋的情況下，利用專用的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸；
[0019](2)提供一套多數(shù)據(jù)融合的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種體征數(shù)據(jù)的采集和傳輸，特別適合于一些特殊的場合使用，不影響佩戴人員的活動(dòng)，而且能夠在劇烈運(yùn)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的個(gè)體生命體征的監(jiān)測和傳輸；
[0020](3)耳戴式心率監(jiān)測裝置采用人體工程學(xué)的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠很穩(wěn)固的配置在耳朵里，保證兩個(gè)光電傳感器的有效檢測，通過加速度計(jì)的使用，有效剔除運(yùn)動(dòng)偽跡，兩個(gè)光電傳感器的冗余配置和兩通道盲源數(shù)據(jù)分析方法，保證心率數(shù)據(jù)的可靠采集；
[0021](4)利用單一的三軸加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)人體姿態(tài)監(jiān)測，佩戴方便，不需要額外的設(shè)施，可識(shí)別4種常見姿態(tài):站立、平躺、走動(dòng)、跑動(dòng)，識(shí)別率能夠達(dá)到95%以上；同時(shí)對(duì)識(shí)別算法進(jìn)行了大量的優(yōu)化和精簡，運(yùn)行在Android平臺(tái)上，可方便的進(jìn)行姿態(tài)信息查看和傳輸；
[0022](5)多自由度的慣性器件定位算法，結(jié)合三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、氣壓計(jì)和三軸磁羅盤進(jìn)行深度融合，解決了由于三軸陀螺儀漂移而帶來的角度偏移，自適應(yīng)的零速度閾值判決方法提高了定位精度，使得定位模塊的定位精度小于3 % ;同時(shí)氣壓計(jì)的融合使用，解決了卡爾曼濾波高度方向的位置偏差，使得定位模塊能夠?qū)崿F(xiàn)三維的具有樓層信息的定位；
[0023](6)多種傳輸方式的結(jié)合保證了極端條件下的數(shù)據(jù)傳輸；針對(duì)移動(dòng)終端的姿態(tài)識(shí)別算法和定位算法的優(yōu)化，減少了原始數(shù)據(jù)的傳輸，減少遠(yuǎn)程服務(wù)器和移動(dòng)終端之間通信擁塞和帶寬問題；
[0024](7)客戶端內(nèi)嵌個(gè)體生命體征參數(shù)、位置參數(shù)和報(bào)警信息，以較佳的可視化效果展現(xiàn)，方便現(xiàn)場指揮決策。
【附圖說明】
[0025]圖1顯示為本發(fā)明的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2顯示為本發(fā)明的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用狀態(tài)不意圖；
[0027]圖3顯示為本發(fā)明的耳戴式心率監(jiān)測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4顯示為本發(fā)明的耳戴式心率監(jiān)測模塊的框架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖5顯示為本發(fā)明的個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖6顯示為本發(fā)明的個(gè)體定位模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖7顯示為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖8顯示為本發(fā)明的姿態(tài)識(shí)別算法的原理示意圖；
[0033]圖9顯示為本發(fā)明的姿態(tài)識(shí)別算法的軟件開發(fā)框架示意圖；
[0034]圖10顯示為本發(fā)明的個(gè)體位置信息獲取的流程圖；
[0035]圖11顯示為本發(fā)明的多傳感器融合定位算法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0037]需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0038]本發(fā)明的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測多個(gè)個(gè)體的生命體征參數(shù)，并在生命體征異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警；該系統(tǒng)與個(gè)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境位置無關(guān)，能夠獨(dú)立運(yùn)行，且佩戴簡單，不需要進(jìn)行接觸皮膚電極式的連接，不影響受監(jiān)測個(gè)體的正?；顒?dòng)，即使受監(jiān)測個(gè)體進(jìn)行高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)也能正常工作，并且能夠?qū)€(gè)體的生命體征參數(shù)傳回到后臺(tái)服務(wù)器中。
[0039]參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)包括耳戴式心率監(jiān)測模塊1、個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊2、個(gè)體定位模塊3、數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端4、后臺(tái)服務(wù)器5和客戶端6。耳戴式心率監(jiān)測模塊1、個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊2和個(gè)體定位模塊3均與數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端4相連，數(shù)據(jù)采集終端4、后臺(tái)服務(wù)器5和客戶端6依次相連。
[0040]參照?qǐng)D3，耳戴式心率監(jiān)測模塊置于耳朵內(nèi)，用于檢測個(gè)體的心率信息。具體地，耳戴式心率監(jiān)測模塊包括符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的耳戴式結(jié)構(gòu)(圖中未示出)、微控制器、光學(xué)發(fā)射模塊、光學(xué)接收模塊、藍(lán)牙模塊、濾波調(diào)理電路、電源模塊和加速度計(jì)(圖中未示出)。其中，光學(xué)發(fā)射模塊用于以恒定波長的光源照射皮膚組織。光學(xué)接收模塊用于檢測皮膚組織漫反射回來的光強(qiáng)，從而間接測量人體的脈沖脈搏波信號(hào)。濾波調(diào)理電路用于對(duì)微弱的脈沖脈搏波信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理。微控制器用于對(duì)濾波調(diào)理電路的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，獲取個(gè)體的心率數(shù)據(jù)。具體地，微控制器對(duì)濾波調(diào)理電路的輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；進(jìn)行高低通濾波，減少由工頻干擾引起的噪聲；利用自相關(guān)分析方法，進(jìn)行心率時(shí)間信號(hào)周期檢測，最終得到脈沖脈搏波頻率，計(jì)算出個(gè)體的心率數(shù)據(jù)。藍(lán)牙模塊用于將計(jì)算的個(gè)體的心率數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端。加速度計(jì)用于采集個(gè)體的運(yùn)動(dòng)信息，并將運(yùn)動(dòng)信息輸入到濾波調(diào)理電路中進(jìn)行處理，從而處理運(yùn)動(dòng)偽跡，減少運(yùn)動(dòng)對(duì)心率檢測的影響。電源模塊用于提供電源。
[0041]參照?qǐng)D4，針對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下心率檢測問題，本發(fā)明利用加速度計(jì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)偽跡處理，從而減少運(yùn)動(dòng)偽跡的影響。本發(fā)明提出加速度自適應(yīng)濾波結(jié)合頻域分析技術(shù)，給出加速度與脈沖脈搏波之間的映射關(guān)系，從而保證自適應(yīng)濾波的有效性和準(zhǔn)確性。與其它方法相比，本發(fā)明利用相同配置的兩路光學(xué)發(fā)射/接收模塊的兩路光電信號(hào)同時(shí)進(jìn)行脈沖脈搏波檢測，兩路光電信號(hào)采用小波分解或盲源處理的方法，將真實(shí)信號(hào)與運(yùn)動(dòng)偽跡分離出來，并做對(duì)比，從而提高去除運(yùn)動(dòng)偽跡的正確性。以加速度信號(hào)為參考輸入，其中一路光電信號(hào)為觀測，通過自適應(yīng)濾波去除運(yùn)動(dòng)偽跡，從去除偽跡之后的信號(hào)中提取周期特征，計(jì)算心率，即每分鐘跳動(dòng)次數(shù)(Beat Per Minute，BPM)。
[0042]個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊置于腰間，如通過帶有鱷魚夾的裝置夾緊在腰帶上，用于檢測個(gè)體的姿態(tài)信息。個(gè)體的姿態(tài)包括站立、平躺、走步和跑動(dòng)。本發(fā)明的姿態(tài)檢測算法考慮了位置對(duì)于檢測的影響，最大程度的減少了佩戴位置對(duì)于姿態(tài)檢測的影響。為了得到最好的效果，個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊盡量佩戴在人體運(yùn)動(dòng)時(shí)有明顯加速度變化的位置，比如佩戴在左右腰間。如圖5所示，個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊包括微控制器、三軸加速度計(jì)、氣壓計(jì)、藍(lán)牙模塊和電源模塊。三軸加速度計(jì)和氣壓計(jì)通過SPI總線與微控制器相連。三軸加速度計(jì)用于采集人體在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的加速度。氣壓計(jì)用于測量當(dāng)前所處位置處的氣壓，得到海拔高度。微控制器用于將三軸加速度計(jì)和氣壓計(jì)傳送來的數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)幀通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端。
[0043]個(gè)體定位模塊置于個(gè)體的腳尖處，如通過特殊的裝置固定在腳尖處，用于獲取個(gè)體的定位信息。需要說明的是，這里所指的定位是相對(duì)初始點(diǎn)的位置的推算，主要是用來在無全球定位系統(tǒng)(GPS)情況下進(jìn)行個(gè)體位置的推算。比如在樓宇內(nèi)，GPS信號(hào)無效，此時(shí)對(duì)于人員的定位可通過個(gè)體定位模塊推理實(shí)現(xiàn)。個(gè)體定位模塊采用慣性器件進(jìn)行定位推算，不需要環(huán)境信標(biāo)支持，采用航跡推算原理進(jìn)行推算，通過不斷遞增位置和方位，得到最終的位置和方位。如圖6所示，定位模塊通過多傳感器融合卡爾曼濾波方法進(jìn)行處理，包括微控制器、三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁羅盤、氣壓計(jì)、藍(lán)牙模塊和電源模塊。三軸加速度計(jì)用于采集個(gè)體的加速度。三軸陀螺儀用于采集個(gè)體的角速度。所述三軸磁羅盤用于采集個(gè)體方位。氣壓計(jì)用于采集個(gè)體當(dāng)前所處位置處的氣壓值。微控制器通過四個(gè)SPI總線分別采集三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、氣壓計(jì)和三軸磁羅盤的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)幀拼接，形成定位數(shù)據(jù)幀，并通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端。個(gè)體定位模塊通過多種傳感器融合方法，解決定位問題。
[0044]數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端置于個(gè)體的肩膀位置處，如通過掛鉤固定在肩帶上，用于接收耳戴式心率監(jiān)測模塊、個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和個(gè)體定位模塊所傳送來信息，并進(jìn)行姿態(tài)和位置的計(jì)算，將獲得的個(gè)體的心率信息、姿態(tài)信息和定位信息組合發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端支持多種通信方式，比如藍(lán)牙、WiF1、3G和GPS，并且具備較強(qiáng)的計(jì)算能力。數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端包括但不限于智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)計(jì)算終端，以及，集成上述所有通訊模式并具備專有網(wǎng)絡(luò)連接功能的專用設(shè)備等等。
[0045]如圖7所示，數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端包括嵌入式處理器、藍(lán)牙模塊、3G模塊、WiFi模塊、GPS模塊、專用通訊模塊和電源模塊。數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端通過藍(lán)牙模塊，接收耳戴式心率監(jiān)測模塊、個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和個(gè)體定位模塊所傳送來的數(shù)據(jù)，其中采用輪詢機(jī)制，保證三個(gè)模塊所傳送來的數(shù)據(jù)能夠全部接收不丟失。嵌入式處理器接收到三個(gè)模塊的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀解析，對(duì)于個(gè)體定位模塊和個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊傳來的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算分析，得到個(gè)體的姿態(tài)信息和定位信息。數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端得到的個(gè)體的心率信息、姿態(tài)信息和定位信息進(jìn)行打包，形成兩大類數(shù)據(jù)幀，即心率數(shù)據(jù)幀和姿態(tài)定位數(shù)據(jù)幀，通過WiFi模塊或3G模塊或?qū)Ｓ猛ㄓ嵞K傳送到后臺(tái)服務(wù)器。
[0046]具體地，對(duì)于個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊所傳送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行個(gè)體姿態(tài)識(shí)別。其中姿態(tài)識(shí)別算法采用多層機(jī)器學(xué)習(xí)算法，算法包括特征提取、特征維數(shù)降解和分類器設(shè)計(jì)。該算法分為兩層，分別用來區(qū)別動(dòng)態(tài)行為和靜態(tài)行為。如圖8所示，首先從三軸加速度計(jì)采集三軸加速度數(shù)據(jù)，對(duì)采集的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，需要事先對(duì)于加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行滑窗操作，截取一定窗寬的數(shù)據(jù)，提取統(tǒng)計(jì)特征，提取的特征包括加速度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)等；為了降低數(shù)據(jù)維數(shù)，利用核區(qū)別性分析進(jìn)行維數(shù)降解，然后輸入到分類器中進(jìn)行分類；分類算法分為兩層，第一層識(shí)別兩大類行為，靜態(tài)行為和動(dòng)態(tài)行為，第二層對(duì)于某類特定行為進(jìn)行精確識(shí)別。如圖9所示，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、特征提取模塊、維數(shù)降解模塊，分類模塊、測試模塊處理獲得了個(gè)體的姿態(tài)信息。
[0047]對(duì)于個(gè)體定位模塊所傳送的10自由度數(shù)據(jù)，采用卡爾曼濾波進(jìn)行多傳感器融合，加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行離散積分運(yùn)算，推導(dǎo)出速度，再次進(jìn)行離散積分運(yùn)算，計(jì)算出位置，為了減少位置誤差，考慮到人員運(yùn)動(dòng)時(shí)步態(tài)的特殊性，采用零速度校正方法，對(duì)于由于慣性推導(dǎo)的誤差漂移問題進(jìn)行校正，零速度作為卡爾曼濾波的觀測量，卡爾曼濾波估計(jì)速度、位置的誤差，通過慣性運(yùn)算得到的速度和位置減去通過卡爾曼濾波估計(jì)的誤差，得到最終相對(duì)精確的人員位置，具體算法實(shí)現(xiàn)示意圖如圖10所示。
[0048]圖11表示了多傳感器融合的室內(nèi)定位技術(shù)方案。慣性傳感器數(shù)據(jù)(三軸加速度和三軸陀螺儀)經(jīng)過原始數(shù)據(jù)濾波后，加速度二次積分計(jì)算位置，陀螺儀積分計(jì)算角度。應(yīng)用陀螺儀閾值法檢測零速度，并利用卡爾曼濾波器進(jìn)行零速更新，最后輸出位置。由于誤差的累積速度較快，在幾分鐘后定位結(jié)果會(huì)發(fā)生很大的偏差。為了較小誤差累積的速度，本發(fā)明進(jìn)一步融合磁力計(jì)進(jìn)行方向的校準(zhǔn)，融合氣壓計(jì)進(jìn)行高度方向的校準(zhǔn)。
[0049]為了避免數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于通信帶寬的影響，本發(fā)明的姿態(tài)識(shí)別算法和定位算法在數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)，上傳到后臺(tái)服務(wù)器的是計(jì)算的最終結(jié)果，從而提高通信效率。
[0050]需要說明的是，有GPS信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端通過GPS模塊獲得個(gè)體的定位信息，并結(jié)合定位模塊，通過數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行位置融合推理，得到校正的定位信息。
[0051]后臺(tái)服務(wù)器放置在現(xiàn)場或者遠(yuǎn)程指揮中心，用于接收數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端所傳送的信息，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。具體地，后臺(tái)服務(wù)器5通過TCP/IP協(xié)議接收到數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行幀解析，解析獲得完整的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，供客戶端調(diào)用。
[0052]客戶端可以是任意固定或移動(dòng)的終端上安裝，用于讀取后臺(tái)服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，并且利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行可視化展現(xiàn)。具體地，客戶端通過TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行連接，并且讀取后臺(tái)服務(wù)器上的應(yīng)用數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行可視化顯示、報(bào)警提示等。這里的客戶端可以是web網(wǎng)絡(luò)程序或者單機(jī)版程序，web版程序可在任何終端上訪問。一個(gè)服務(wù)器可以連接多個(gè)客戶端。
[0053]客戶端同時(shí)具備人員體征狀況異常報(bào)警功能，通過融合心率和姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷個(gè)體生命體征是否異常，如當(dāng)個(gè)體長時(shí)間處于躺狀態(tài)并且心率也出現(xiàn)異常的話，判斷該個(gè)體生命體征處于異常狀態(tài)，客戶端進(jìn)行報(bào)警。
[0054]綜上所述，本發(fā)明的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)涉及光電式脈搏波檢測技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、穿戴式行為識(shí)別技術(shù)、慣性航跡推算室內(nèi)定位技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)特勤人員如消防員在執(zhí)行特殊任務(wù)過程中的生理體征監(jiān)測，并且能夠?qū)⒈O(jiān)測的信息直接回傳到指揮中心處。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0055]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括耳戴式心率監(jiān)測模塊、個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊、個(gè)體定位模塊、數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端、后臺(tái)服務(wù)器和客戶端；所述耳戴式心率監(jiān)測模塊、所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和所述個(gè)體定位模塊均與所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端相連，所述數(shù)據(jù)采集終端、所述后臺(tái)服務(wù)器和所述客戶端依次相連； 所述耳戴式心率監(jiān)測模塊用于檢測個(gè)體的心率信息； 所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊用于檢測個(gè)體的姿態(tài)信息； 所述個(gè)體定位模塊用于獲取個(gè)體的定位信息； 所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端用于接收所述耳戴式心率監(jiān)測模塊、所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和所述個(gè)體定位模塊所傳送來信息，并進(jìn)行姿態(tài)和位置的計(jì)算，將獲得的個(gè)體的心率信息、姿態(tài)信息和定位信息組合發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器； 所述后臺(tái)服務(wù)器用于接收所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端所傳送的信息，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫； 所述客戶端用于讀取所述后臺(tái)服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，并且利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行可視化展現(xiàn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述耳戴式心率監(jiān)測模塊包括耳戴式結(jié)構(gòu)、微控制器、光學(xué)發(fā)射模塊、光學(xué)接收模塊、藍(lán)牙模塊、濾波調(diào)理電路、電源模塊和加速度計(jì)；所述光學(xué)發(fā)射模塊用于以恒定波長的光源照射皮膚組織；所述光學(xué)接收模塊用于檢測皮膚組織漫反射回來的光強(qiáng)，從而間接測量人體的脈沖脈搏波信號(hào)；所述濾波調(diào)理電路用于對(duì)微弱的脈沖脈搏波信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理；所述微控制器用于對(duì)濾波調(diào)理電路的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，并計(jì)算出個(gè)體的心率；所述藍(lán)牙模塊用于將計(jì)算的個(gè)體心率數(shù)據(jù)發(fā)送到所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端；所述加速度計(jì)用于采集個(gè)體的運(yùn)動(dòng)信息，并將運(yùn)動(dòng)信息輸入到所述濾波調(diào)理電路中進(jìn)行處理，以處理運(yùn)動(dòng)偽跡。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊包括微控制器、三軸加速度計(jì)、氣壓計(jì)、藍(lán)牙模塊和電源模塊；所述三軸加速度計(jì)用于采集人體在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的加速度；所述氣壓計(jì)用于測量當(dāng)前所處位置處的氣壓，得到海拔高度；所述微控制器用于將所述三軸加速度計(jì)和所述氣壓計(jì)的數(shù)據(jù)，組合成數(shù)據(jù)幀通過所述藍(lán)牙模塊發(fā)送到所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述個(gè)體定位模塊包括微控制器、三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁羅盤、氣壓計(jì)、藍(lán)牙模塊和電源模塊；所述三軸加速度計(jì)用于采集個(gè)體的加速度；所述三軸陀螺儀用于采集個(gè)體的角速度；所述三軸磁羅盤用于采集個(gè)體方位；所述氣壓計(jì)用于采集個(gè)體當(dāng)前所處位置處的氣壓值；所述微控制器采集所述三軸加速度計(jì)、所述三軸陀螺儀、所述氣壓計(jì)和所述三軸磁羅盤傳送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)幀拼接，形成定位數(shù)據(jù)幀，并通過所述藍(lán)牙模塊發(fā)送到所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端包括嵌入式處理器、藍(lán)牙模塊、3G模塊、WiFi模塊、GPS模塊、專用通訊模塊和電源模塊；所述藍(lán)牙模塊用于接收所述耳戴式心率監(jiān)測模塊、所述個(gè)體姿態(tài)監(jiān)測模塊和所述個(gè)體定位模塊所傳送來的數(shù)據(jù)；所述嵌入式處理器用于對(duì)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀解析，計(jì)算得到個(gè)體的姿態(tài)信息和定位信息，并對(duì)個(gè)體的心率信息、姿態(tài)信息和定位信息進(jìn)行打包，形成數(shù)據(jù)幀；所述WiFi模塊、所述3G模塊和所述專用通訊模塊用于將所述數(shù)據(jù)幀傳送到所述后臺(tái)服務(wù)器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述嵌入式處理器對(duì)采集到的加速度進(jìn)行特征提取、特征降維以及特征分類，實(shí)現(xiàn)四種人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的識(shí)別。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端采用卡爾曼濾波對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，計(jì)算出定位信息。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:當(dāng)有GPS信號(hào)時(shí)，所述數(shù)據(jù)采集移動(dòng)終端通過GPS模塊獲得個(gè)體的定位信息，并結(jié)合定位模塊，通過數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行位置融合推理，得到校正的定位信息。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不受個(gè)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境位置影響的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述客戶端具備人員體征狀況異常報(bào)警功能，通過心率和姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷個(gè)體生命體征是否正常，并在個(gè)體生命體征處于異常狀態(tài)時(shí)發(fā)出報(bào)警。
【文檔編號(hào)】A61B5/0205GK105832315SQ201510024062
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2015年1月16日
【發(fā)明人】張波, 魏建明, 馬皛源, 李丹, 張富平, 李彥海, 田欣, 章煒
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院上海高等研究院