一種人體呼吸的檢測裝置及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置及其檢測方法，包括超帶寬模塊、主控模塊、天線模塊和通信模塊，所述主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號到達(dá)人體胸腔表面進(jìn)行反射、產(chǎn)生回波信號，天線模塊接收到所述回波信號后，將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進(jìn)行處理，當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值時，判斷人體呼吸出現(xiàn)異常，所述通信模塊發(fā)送警報信息給相應(yīng)家屬，以便開展救援，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控人體呼吸的效果，同時解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在智能看護(hù)機(jī)器人不能監(jiān)控在場人員的生命體征、尤其是人體呼吸的問題。
【專利說明】
一種人體呼吸的檢測裝置及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及非接觸式生命體征監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種人體呼吸的檢測裝置 及其檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 非接觸式生命體征監(jiān)測技術(shù)在醫(yī)療、老年人看護(hù)中發(fā)揮著重要的作用。超帶寬 (UWB)脈沖雷達(dá)具有良好的穿透性和較高的空間分辨率，以及為非接觸式，使得它成為智能 家庭服務(wù)機(jī)器人不可或缺的監(jiān)控人體健康的解決方案。傳統(tǒng)的連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)的速 度信息檢測靈敏，而對目標(biāo)的距離信息不敏感。由于連續(xù)波雷達(dá)是連續(xù)發(fā)射電磁波的，所以 其發(fā)射和接收系統(tǒng)兩者之間隔離比較困難，從而導(dǎo)致其抗干擾能力和目標(biāo)信息提取能力很 難再有大幅度提高。此外，連續(xù)波雷達(dá)容易產(chǎn)生信號泄露，其發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號及其噪聲直 接泄露到接收機(jī)，增加了目標(biāo)特征信息的提取難度。
[0003] 然而，現(xiàn)有技術(shù)中存在智能看護(hù)機(jī)器人不能監(jiān)控在場人員的生命體征、尤其是人 體呼吸的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種人體呼吸的檢測裝置及其檢測方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù) 中存在智能看護(hù)機(jī)器人不能監(jiān)控在場人員的生命體征、尤其是人體呼吸的問題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種人體呼吸的檢測裝置，所述檢測裝置包括：
[0006] 超帶寬模塊；
[0007] 與所述超帶寬模塊相連接，控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號到達(dá)人體胸腔 表面進(jìn)行反射、產(chǎn)生回波信號的主控模塊；
[0008] 與所述主控模塊相連接，接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控 模塊進(jìn)行處理的天線模塊；
[0009] 與所述主控模塊相連接，當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值時，判斷人 體呼吸出現(xiàn)異常，并發(fā)送警報信息的通信模塊。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種人體呼吸的檢測方法，所述檢測方法包括：
[0011] 超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號；
[0012] 主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號到達(dá)人體胸腔表面進(jìn)行反射、產(chǎn) 生回波信號；
[0013] 天線模塊接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進(jìn)行處理；
[0014] 通信模塊用于當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值時，判斷人體呼吸出現(xiàn) 異常，并發(fā)送警報信息。
[0015] 綜上所述，本發(fā)明實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置及其檢測方法，包括超 帶寬模塊、主控模塊、天線模塊和通信模塊，所述主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷 達(dá)信號到達(dá)人體胸腔表面進(jìn)行反射、產(chǎn)生回波信號，天線模塊接收到所述回波信號后，將所 述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進(jìn)行處理，當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值 時，判斷人體呼吸出現(xiàn)異常，所述通信模塊發(fā)送警報信息給相應(yīng)家屬，以便開展救援，實現(xiàn) 了遠(yuǎn)程監(jiān)控人體呼吸的效果，同時解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在智能看護(hù)機(jī)器人不能監(jiān)控在場人 員的生命體征、尤其是人體呼吸的問題。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的人體呼吸的振幅曲線示 意圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的工作示意圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的工作流程示意圖。
[0021] 圖6為本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的低通濾波器的通帶特性 示意圖。
[0022] 圖7為本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的實際呼吸監(jiān)測曲線圖。
[0023] 圖8為本發(fā)明另一實施例提供的一種人體呼吸的檢測方法的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用 以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0025] 本發(fā)明實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置及其檢測方法，主要用于通過非接 觸式檢測人體呼吸，并且在人體呼吸出現(xiàn)異常時采取救援措施。
[0026] 圖1示出了本發(fā)明一實施例提出的一種人體呼吸的檢測裝置的模塊結(jié)構(gòu)，為了方 便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0027] -種人體呼吸的檢測裝置，所述檢測裝置包括：
[0028] 超帶寬模塊102;
[0029] 與所述超帶寬模塊102相連接，控制所述超帶寬模塊102發(fā)送脈沖雷達(dá)信號到達(dá)人 體胸腔表面進(jìn)行反射、產(chǎn)生回波信號的主控模塊101;
[0030] 與所述主控模塊101相連接，接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主 控模塊進(jìn)行處理的天線模塊103;
[0031] 與所述主控模塊101相連接，當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值時，判斷 人體呼吸出現(xiàn)異常，并發(fā)送警報信息的通信模塊105。
[0032] 作為本發(fā)明一實施例，所述主控模塊對接收到的回波信號進(jìn)行處理包括判斷所述 回波信號的脈沖波動是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值，如是，則表明人體呼吸出現(xiàn)異常。
[0033] 作為本發(fā)明一實施例，所述回波信號包括胸腔的周期運行信息，即是呼吸信息。
[0034] 作為本發(fā)明一實施例，所述檢測裝置還包括：
[0035] 同時與所述主控模塊101和天線模塊103連接，將所述天線模塊103接收的回波信 號進(jìn)行濾波，并發(fā)送給所述主控模塊101的高通濾波模塊104。
[0036] 作為本發(fā)明一實施例，所述檢測裝置還包括：
[0037] 與所述主控模塊101連接，對所述回波信號進(jìn)行保存的存儲模塊106。
[0038] 作為本發(fā)明一實施例，所述檢測裝置還包括：
[0039] 與所述主控模塊101連接，對所述檢測裝置進(jìn)行供電的電源模塊107。
[0040] 作為本發(fā)明一實施例，超寬譜雷達(dá)具有大帶寬的特點，在生命體征信息提取方面 有其獨特的優(yōu)勢?？垢蓴_性能強(qiáng)。超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時將微弱的 無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率比較低，此外信號和干擾噪聲之間的相關(guān) 性比較低，干擾的占空比很低，超寬譜雷達(dá)信號具有極高的距離分辨力。由于超寬帶雷達(dá)采 用窄脈沖對接收信號進(jìn)行選擇，并且其相對帶寬大，可以分辨目標(biāo)的許多散射點，將這些散 射點的回波信號積累，改善信噪比，使其分辨力可以達(dá)到厘米量級。同時具有良好的目標(biāo)識 別能力。由于雷達(dá)發(fā)射脈沖的時間短，可以使目標(biāo)不同區(qū)域的響應(yīng)分離，使目標(biāo)的特性突 出，從而有利于提取目標(biāo)的特征信息。
[0041] 當(dāng)脈沖雷達(dá)信號探測到人體時，雷達(dá)發(fā)射的電磁脈沖會被探測人員的胸腔表面反 射并產(chǎn)生回波。人體呼吸運動導(dǎo)致的胸腔表面的周期性起伏運動會使得脈沖在人體和雷達(dá) 之間來回傳播的延遲時間周期性的變化。人體胸腔表面的反射回波在慢時間域上形成一個 周期信號。我們在回波數(shù)據(jù)中檢測該周期信號，實驗中提取的呼吸信號作為噪聲參考信號， 與同時攜帶呼吸、心跳頻率成分的信號進(jìn)行自適應(yīng)處理，從而實現(xiàn)呼吸噪聲的消除，檢測出 心跳波形。在機(jī)器人應(yīng)用中可以監(jiān)控老年在睡眠時的心率情況，防止老年出現(xiàn)心悸或者心 臟驟停等情況，當(dāng)出現(xiàn)問題時及時通知家屬。
[0042] 作為本發(fā)明一實施例，本發(fā)明一實施例提供一種人體呼吸的檢測裝置，所述檢測 裝置(可以擴(kuò)展到機(jī)器人、智能手機(jī)、電腦、智能家電等方面)上有超帶寬模塊和天線模塊， 通過發(fā)射和接收超帶寬(UWB)脈沖雷達(dá)信號可以檢測生命特征，包括人體呼吸。
[0043]圖2示出了本發(fā)明一實施例提出的一種人體呼吸的檢測裝置的電路結(jié)構(gòu)，為了方 便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0044] 作為本發(fā)明一實施例，所述主控模塊101包括一主控芯片U1，所述主控芯片U1包 括：
[0045] 主控端CTRL、接收端RXD、電源端Bat-VCC、存儲端MEM和傳輸端FTP;
[0046]所述主控端CTRL接所述超帶寬模塊102，所述接收端RXD接所述高通濾波模塊104， 所述電源端Bat-VCC接所述電源模塊107，所述存儲端MEM接所述存儲模塊106，所述傳輸端 FTP接所述通信模塊105。在本實施例中，主控芯片U1采用了型號為ATSAM4E16E的微處理器 芯片，當(dāng)然，微處理器芯片的型號不做限定，只要能達(dá)到與本實施例主控芯片U1所述的功能 作用亦可。
[0047]作為本發(fā)明一實施例，所述超帶寬模塊102包括一超帶寬收發(fā)芯片U2,所述超帶寬 收發(fā)芯片U2包括：
[0048] 控制端Ctrl;
[0049] 所述控制端Ctrl接所述主控芯片U1的主控端CTRL。在本實施例中，超帶寬收發(fā)芯 片U2采用了型號為CC2400的超帶寬收發(fā)芯片，當(dāng)然，超帶寬收發(fā)芯片的型號不做限定，只要 能達(dá)到與本實施例超帶寬收發(fā)芯片U2所述的功能作用亦可。
[0050] 作為本發(fā)明一實施例，所述高通濾波模塊104包括一濾波芯片U4,所述濾波芯片U4 包括：
[0051] 發(fā)射端Send和濾波端Filt;
[OO52]所述發(fā)射端Send接所述主控芯片U1的接收端RXD，所述濾波端Fi It接所述天線模 塊。在本實施例中，濾波芯片U4采用了型號為HF3800的濾波芯片，當(dāng)然，濾波芯片的型號不 做限定，只要能達(dá)到與本實施例濾波芯片U4所述的功能作用亦可。
[0053]作為本發(fā)明一實施例，所述天線模塊103包括一天線芯片U3,所述天線芯片U3包 括：
[0054]發(fā)送端 TXD;
[0055]所述發(fā)送端TXD接所述濾波芯片U4的濾波端Filt。在本實施例中，天線芯片U3采用 了型號為PT2272的天線芯片，當(dāng)然，天線芯片的型號不做限定，只要能達(dá)到與本實施例天線 芯片U3所述的功能作用亦可。
[0056]作為本發(fā)明一實施例，所述通信模塊105包括一通信芯片U5,所述通信芯片U5包 括：
[0057]傳送端 RTP;
[0058]所述傳送端RTP接所述主控芯片U1的傳輸端FTP。在本實施例中，通信芯片U5采用 了型號為TMS320C6203的通信芯片，當(dāng)然，通信芯片的型號不做限定，只要能達(dá)到與本實施 例通信芯片U5所述的功能作用亦可。
[0059]作為本發(fā)明一實施例，所述存儲模塊106包括一存儲芯片U6,所述存儲芯片U6包 括：
[0060]儲存端 mem;
[00611所述儲存端mem接所述主控芯片U1的存儲端MEM。在本實施例中，存儲芯片U6采用 了型號為PC5300的存儲芯片，當(dāng)然，存儲芯片的型號不做限定，只要能達(dá)到與本實施例存儲 芯片U6所述的功能作用亦可。
[0062]作為本發(fā)明一實施例，所述電源模塊107包括：
[0063] 交流電源VCC;
[0064] 所述交流電源VCC接所述主控芯片U1的電源端Bat-vcc。
[0065]圖3示出了本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的人體呼吸的振幅曲 線示意圖，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0066]微處理器模塊包括電源指示燈，JTAG仿真結(jié)構(gòu)，RS232通信接口和復(fù)位結(jié)構(gòu)。微處 理器模塊采用Altera公司的ARM-Smart結(jié)構(gòu)的芯片，型號為ATSAM4E16E，該模塊具有運算速 度高，實時性控制性強(qiáng)的優(yōu)點。芯片具有128KB片內(nèi)SRAM，16KB R0M，1024KB內(nèi)部Flash，l路 USB 2.0 FS Device，4路 16位PWM，2路UART(1 路和SPI片選復(fù)用），2路USART，2路TWI(1 路和 JTAG復(fù)用），1路SD/SDI0/MMC，1路SPI，1路NAND控制器，1路EMAC控制器，支持16位AFEC，1路2 通道12位DAC，最高可在120M的頻率下運行，并且可以實現(xiàn)快速的處理數(shù)據(jù)，支持多種通訊 協(xié)議。
[0067]在低信噪比的環(huán)境下，UWB超帶寬系統(tǒng)在發(fā)送與接收信號時會存在一些靜態(tài)雜波， 白噪聲以及其他的諧波干擾信號，所以為了完成必要的測量工作，需要解決抑制雜波干擾 信號的疊加，使超帶寬接收系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較低干擾的接收正常的回波信號，提高回波數(shù)據(jù) 的?目噪比。在現(xiàn)有的算法中有FIR低通濾波算法，MS算法和LTS算法等，這幾種算法都有不足 的地方，MS算法能夠濾除靜態(tài)的噪聲信號，但是對于加性白噪聲以及諧波干擾等就起不到 相應(yīng)的效果，而LTS算法雖然能夠有效的一直靜態(tài)噪聲和線性波形干擾，但卻對其他干擾無 能為力，并且其運算量較大，受處理器運算性能制約，F(xiàn)IR低通濾波算法會在濾波過程中計 算量較大，在微控制器中需要完成FFT運算，并且需要加入窗濾波，但是好處是信號失真度 小，可以完成較有效的信息的提取。
[0068] 由于現(xiàn)有的脈沖雷達(dá)呼吸信號檢測的門限判決算法往往集中檢測信號中的一次 諧波，而忽略了其他階次諧波在檢測過程中的作用，這導(dǎo)致現(xiàn)有判決算法并未充分利用呼 吸信號的能量，造成數(shù)據(jù)丟失，沒有做到最優(yōu)檢測。因此，專門用于檢測包含多個諧波的周 期信號的檢測算法更適合用于對呼吸信號進(jìn)行檢測。并且在濾波算法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)其動 態(tài)響應(yīng)特性，完成快速的濾波，并且能夠獲知人體有效的呼吸響應(yīng)信號。
[0069] 通過對人體呼吸信號建模獲知人體呼吸信號的規(guī)律。用余弦函數(shù)的偶數(shù)次冪能更 準(zhǔn)確的描述人體的呼吸運動?；谏鲜鲅芯砍晒?，使用余弦函數(shù)的偶數(shù)次冪來模擬由呼吸 運動引起的胸腔表面徑向運動。當(dāng)一個人正對著機(jī)器人時，例如被探測人員的胸腔表面與 雷達(dá)之間的徑向距離將受到人體呼吸運動的影響。若用L(t)來表達(dá)人體胸腔起伏的變化， 根據(jù)最新的研究成果表達(dá)式為
[0070] L(t) =D-B(cos(JT*f*t) )n
[0071] 其中D表示智能機(jī)器人超帶寬傳感器與人體的空間距離，B表示人體的胸腔或者胸 腔錢的衣物的起伏大小，一般在1 〇mm到20mm的振幅，其中f為人體呼吸的頻率，η為余弦函數(shù) 的偶次冪，該表達(dá)式最接近人體呼吸的振幅曲線。
[0072] 圖4示出了本發(fā)明一實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置的工作示意圖，為了 方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0073]在實際工作中，在ARM內(nèi)核的控制器上電后，通過RESET接口喚醒超帶寬傳感器芯 片，并且通過SPI接口啟動X2超帶寬傳感器的工作，X2內(nèi)部集成了一個發(fā)射器，一個接收器 和相關(guān)的控制電路，系統(tǒng)配置了一個4線的串行外設(shè)接口，接收路徑RX中集成一低噪聲放大 器和256位的ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0074]圖5示出了本發(fā)明一實施例提出的一種人體呼吸的檢測裝置的工作流程示意圖， 為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0075]當(dāng)系統(tǒng)上電時，供電電壓為+3.3V，ATSAM4E16E芯片開始進(jìn)行自檢程序，并且對外 設(shè)進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)位以及初始化操作，ATSAM4E16E芯片通過四線全雙工SPI通信接口發(fā)送命 令給超帶寬傳感器，超帶寬傳感器發(fā)送超帶寬信號，當(dāng)超帶寬信號觸碰人體時，在發(fā)送的同 時，開始進(jìn)行時鐘計數(shù)，當(dāng)超帶寬信號在空氣介質(zhì)中傳播后，反饋給超帶寬信號接收天線， 然后通過下面的公式算出其距離：
[0076] d = C*t/2
[0077] 其中d表示超帶寬天線與人體的距離，由于超帶寬信號為光速傳播，C表示光速，通 過該公式可以算出實際的距離。當(dāng)該信號的數(shù)據(jù)經(jīng)過FIR低通濾波處理，加入截止帶寬為 1Hz的濾波器后，由于人體呼吸的頻率大概在0.1Hz~0.6Hz之間，所以可以獲得相應(yīng)人體胸 腔的振幅以及超帶寬信號與人體之間的線性距離。并且可以濾掉多余的噪聲干擾，如果并 沒有監(jiān)測到微弱的動態(tài)信號，機(jī)器人可以進(jìn)行頭部旋轉(zhuǎn)操作，可以通過視覺算法中的幀差 法或者光流法，驗證是否有動態(tài)的人體存在。如果在測試過程中發(fā)現(xiàn)被檢測人員呼吸停止 或者出現(xiàn)呼吸異常，通過機(jī)器人的3G通信模塊可以通知家人，或者進(jìn)行醫(yī)護(hù)人員救助電話 操作。
[0078]圖6示出了本發(fā)明一實施例提出的一種人體呼吸的檢測裝置的低通濾波器的通帶 特性示意圖，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0079]在ARM嵌入數(shù)字濾波器一般分為兩種形式，一種是有限長單位沖擊響應(yīng)濾波器 (FIR)，另一種是無限長單位沖擊響應(yīng)濾波器(IIR)，無限長單位沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的優(yōu) 點是可以利用模擬濾波器的結(jié)果，而且模擬濾波器的設(shè)計有大量的圖標(biāo)可以查看，方便簡 單，但是它有明顯的缺點就是相位的非線性，如果使相位線性的輸出，還需加入繁雜的相位 校正程序，并且代碼需要不斷迭代，比較復(fù)雜，而且運算速度慢。
[0080] FIR濾波器就不會有上述問題的存在，有限長單位沖擊響應(yīng)濾波器可以做到嚴(yán)格 的線性相位，，同時具有任意的幅度特性，并且由于FIR濾波器的單位沖擊響應(yīng)是有限長的， 濾波器的輸出時穩(wěn)定的，并且可以用快速傅里葉變換(FFT)算法來實現(xiàn)過濾信號，從而大大 提高運行效率。所以在DSP輸出信號時經(jīng)過FIR濾波器進(jìn)行濾波處理。
[0081 ] FIR濾波器的單位沖擊響應(yīng)h(n)是有限長的(0彡η彡N-1)，其Z變換為
[0082]
[0083] 這是的(Ν-1)階的多項式，在有限ζ平面(0<|ζ| <〇〇)內(nèi)有(Ν-1)個零，在ζ平面 原點ζ = 0處有(Ν-1)階極點。
[0084] h(n)的頻率響應(yīng)H(ejw)為
[0085]
[0086] 當(dāng)h(n)為實序列時，可將H(ejw) = ± | H(ejw) | ej<5(w)=H(W)ej<5( w)，其中 | H(ejw) | 是真 正的幅度響應(yīng)，有兩類準(zhǔn)確的線性相位條件，其分別滿足
[0087] Θ (w) =-iw
[0088] Θ (w)_P_tw
[0089] 其中τ，β都是常數(shù)，表示相位是通過坐標(biāo)原點w = 〇或是通過θ(〇)=β的斜直線，二 者的群延時都是常數(shù)s； = 保持線性相位必須滿足
[0090]
[0091] h(n) =h(N-1-n) ,0^Ξη^ΞΝ-1
[0092] 該公式是FIR濾波器具有線性相位的充分必要條件，它要求單位沖擊響應(yīng)的h(n) 序列以n=(N_l)/2為偶對稱中心，此時時間延時τ等于h(n)長度為N-1的一般為τ = (Ν_1)/2 個采樣周期.Ν為奇數(shù)時，延時為整數(shù);Ν為偶數(shù)時延時為整數(shù)加半個抽樣周期。不論Ν為奇數(shù) 還是偶數(shù)，此時h(n)都應(yīng)滿足對η=(Ν-1)/2軸呈偶對稱。因此輸入波形的濾波器系數(shù)h(n) 都為偶數(shù)個。在實際應(yīng)用中，一般采用窗函數(shù)法來設(shè)計窗函數(shù)。要設(shè)計一個FIR濾波器響應(yīng) _v , .
. t來逼近Hd(ejw)，可以反變換導(dǎo)出
[0093]
[0094] 由于Hd(dw)是矩形頻率特性，hd(n)-定是無限長的序列，但是FIR濾波器的h(n) 是有限長的，所以一般最有效的是用一個有限長度的窗函數(shù)序列w(n)來截取hd(n)，即
[0095] h(n) =w(n)hd(n).
[0096] 其中w(n)是有限長序列，當(dāng)n>N_l及n〈0時，w(n) =0。
[0097] 在實際工程中一般選取窗函數(shù)會遇到兩個問題，一個是窗函數(shù)的頻譜主瓣盡可能 的窄，另一個就是盡量減少最大旁瓣的幅度。但兩者往往不能同時滿足要求，比較常用的窗 函數(shù)為:矩形窗，巴特列特窗(Bartelett)，漢寧窗(Hanning)，海明窗(Hamming)，布萊克曼 (Blackman)窗，凱澤(Kaiser)窗。在選擇濾波器的過程中，濾波器的特性一般是增加了主瓣 的寬度來換取對旁瓣幅度的限制。選用不同的窗函數(shù)都是為了獲得較平穩(wěn)的通帶幅度特性 和較低的阻帶干擾。本發(fā)明選用了漢寧窗，漢寧(Hanning)窗(又稱升余弦窗)窗函數(shù)為
[0098]
[0099] 經(jīng)過傅里葉變換為 [0100] V / V '
}
[0101] 當(dāng)N>>1時，N-1~N，窗譜的幅度函數(shù)為
[0102]
[0103]這三部分之和使旁瓣能量抵消，使其更集中在主瓣。但同時也犧牲了主瓣的寬度。 圖6(a)和圖6(b)為低通濾波器的通帶特性。
[0104] 圖7示出了本發(fā)明一實施例提出的一種人體呼吸的檢測裝置的實際呼吸監(jiān)測曲 線，為了方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0105] 通過設(shè)置低通濾波器的階數(shù)為51，通帶截止頻率為10Hz，選擇漢寧窗，就可以濾除 一些高頻信號，可以較有效的得到人體的呼吸監(jiān)測信號。最終采樣的信號在濾波前會出現(xiàn) 較多的雜波，出現(xiàn)混疊的干擾信號以及線性趨勢等信號都可以進(jìn)行有效的濾除，并且采用 快速傅里葉變換可以得知其呼吸頻率在0.32Hz左右，通過該方案可以有效對人體的胸腔出 現(xiàn)的輕微振幅進(jìn)行監(jiān)控，能夠得到較好的呼吸監(jiān)控曲線。
[0106] 圖8示出了本發(fā)明另一實施例提出的一種人體呼吸的檢測方法的步驟流程，為了 方便說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分。
[0107] 基于上述檢測裝置的一種人體呼吸的檢測方法，所述檢測方法包括：
[0108] S11，超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號；
[0109] S12,主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號到達(dá)人體胸腔表面進(jìn)行反 射、產(chǎn)生回波信號；
[0110] S13,天線模塊接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進(jìn)行處 理；
[0111] S14,通信模塊用于當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值時，判斷人體呼吸 出現(xiàn)異常，并發(fā)送警報信息。
[0112] 作為本發(fā)明另一實施例，所述主控模塊對接收到的回波信號進(jìn)行處理包括判斷所 述回波信號的脈沖波動是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值，如是，則表明人體呼吸出現(xiàn)異常。
[0113] 作為本發(fā)明另一實施例，所述回波信號包括胸腔的周期運行信息，即是呼吸信息。
[0114] 本發(fā)明實施例提供的人體呼吸的檢測裝置及其檢測方法的工作原理為：
[0115] 首先，啟動電源模塊，使得交流電源VCC為所述檢測裝置供電，其次，主控模塊控制 超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號到達(dá)人體胸腔表面進(jìn)行反射、產(chǎn)生回波信號，接著天線模塊 接收到所述回波信號后，經(jīng)過高通濾波模塊對所述回波信號進(jìn)行濾波，然后將濾波后的回 波信號發(fā)送給所述主控模塊進(jìn)行處理并且判斷回波信號的脈沖波動，當(dāng)所述回波信號的脈 沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值時，判斷人體呼吸出現(xiàn)異常，通信模塊發(fā)送警報信息給相應(yīng)家屬，以 便開展救援，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)視老年人的效果，以及在老年人出現(xiàn)呼吸異常時馬上采取措施 以免造成更大的損失。
[0116] 綜上所述，本發(fā)明實施例提供的一種人體呼吸的檢測裝置及其檢測方法，包括超 帶寬模塊、主控模塊、天線模塊和通信模塊，所述主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷 達(dá)信號到達(dá)人體胸腔表面進(jìn)行反射、產(chǎn)生回波信號，天線模塊接收到所述回波信號后，將所 述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進(jìn)行處理，當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值 時，判斷人體呼吸出現(xiàn)異常，所述通信模塊發(fā)送警報信息給相應(yīng)家屬，以便開展救援，實現(xiàn) 了遠(yuǎn)程監(jiān)控人體呼吸的效果，同時解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在智能看護(hù)機(jī)器人不能監(jiān)控在場人 員的生命體征、尤其是人體呼吸的問題。本發(fā)明實施例實現(xiàn)簡單，不需要增加額外的硬件， 可有效降低成本，具有較強(qiáng)的易用性和實用性。
[0117] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解:實現(xiàn)上述方法實施例的步驟或部分步驟可以通過 程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲于計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在 執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟，而前述的存儲介質(zhì)包括:R〇M、RAM、磁碟或者光盤 等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。
[0118] 以上所述實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實 施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各 實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;而這些修改 或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實施例各實施例技術(shù)方案的精神和范 圍。
[0119] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述檢測裝置包括： 超帶寬模塊； 與所述超帶寬模塊相連接，控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號到達(dá)人體胸腔表面 進(jìn)行反射、產(chǎn)生回波信號的主控模塊； 與所述主控模塊相連接，接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊 進(jìn)行處理的天線模塊； 與所述主控模塊相連接，當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值時，判斷人體呼 吸出現(xiàn)異常，并發(fā)送警報信息的通信模塊。2. 如權(quán)利要求1所述的人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述回波信號包括胸腔的周 期運行信息。3. 如權(quán)利要求2所述的人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述檢測裝置還包括： 同時與所述主控模塊和天線模塊連接，將所述天線模塊接收的回波信號進(jìn)行濾波，并 發(fā)送給所述主控模塊的高通濾波模塊。4. 如權(quán)利要求3所述的人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述檢測裝置還包括： 與所述主控模塊連接，對所述回波信號進(jìn)行保存的存儲模塊。5. 如權(quán)利要求4所述的人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述檢測裝置還包括： 與所述主控模塊連接，對所述檢測裝置進(jìn)行供電的電源模塊。6. 如權(quán)利要求5所述的人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述主控模塊包括一主控芯 片U1，所述主控芯片U1包括： 主控端CTRL、接收端RXD、電源端Bat-VCC、存儲端MEM和傳輸端FTP; 所述主控端CTRL接所述超帶寬模塊，所述接收端RXD接所述高通濾波模塊，所述電源端 Bat-VCC接所述電源模塊，所述存儲端MEM接所述存儲模塊，所述傳輸端FTP接所述通信模 塊。7. 如權(quán)利要求6所述的人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述超帶寬模塊包括一超帶 寬收發(fā)芯片U2，所述超帶寬收發(fā)芯片U2包括： 控制端Ctrl; 所述控制端ctr 1接所述主控芯片U1的主控端CTRL。8. 如權(quán)利要求7所述的人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述高通濾波模塊包括一濾 波芯片U4，所述濾波芯片U4包括： 發(fā)射端Send和濾波端Fi It; 所述發(fā)射端Send接所述主控芯片U1的接收端RXD，所述濾波端Fi It接所述天線模塊。9. 如權(quán)利要求8所述的人體呼吸的檢測裝置，其特征在于，所述天線模塊包括一天線芯 片U3，所述天線芯片U3包括： 發(fā)送端TXD; 所述發(fā)送端TXD接所述濾波芯片U4的濾波端Filt。10. -種基于如權(quán)利要求1所述的檢測裝置的人體呼吸的檢測方法，其特征在于，所述 檢測方法包括： 超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號； 主控模塊控制所述超帶寬模塊發(fā)送脈沖雷達(dá)信號到達(dá)人體胸腔表面進(jìn)行反射、產(chǎn)生回 天線模塊接收所述回波信號、并將所述回波信號發(fā)送給所述主控模塊進(jìn)行處理； 通信模塊用于當(dāng)所述回波信號的脈沖波動未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)閾值時，判斷人體呼吸出現(xiàn)異 常，并發(fā)送警報信息。 波信號；
【文檔編號】A61B5/08GK105997083SQ201610270001
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】張建國, 向?qū)W科, 楊仙平
【申請人】深圳市前海萬象智慧科技有限公司