一种人体无线监护系统的制作方法

1.本发明涉及人体监护技术领域，具体涉及一种人体无线监护系统。


背景技术：

2.随着社会进步和科学技术的发展，各个国家都非常重视医疗模式的改革，从“治愈疾病”向“预防疾病和创伤、促进与维持健康”模式转变，借助现代医学信息技术和远程医疗技术解决人口老龄化、医疗费用上升、人口众多、医院容量有限等一系列严重的问题。现代社会由于不断加快的工作节奏和竞争环境带给人们的压力，以及生活方式改变、体力活动减少、环境污染等原因，致使一些中老年易患的疾病逐渐向中青年低龄化转移，特别是心血管疾病已经成为人类生命健康的头号杀手，因此如何早期、无创地检测、诊断心脏病患者，更是一个急切需要解决的重大医学课题。近年来，面向家庭、个人的远程医疗监护系统逐渐成为医疗技术领域的热点。依靠家庭远程医疗系统，患者可以随时随地将各种生命信息传送给远端的医生，及时得到医疗指导或诊治，这对于患者获得高水平的医疗服务、及在紧急情况时的急救支援，具有重要意义。
3.现有的身体参数监护一般依赖医疗机构定点对人体的各项参数进行采集，采集完成后在进行分析，无法形成实时监护和数据上传，也不能针对用户的身体异常状态做出及时告警和救治。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种人体无线监护系统，以解决现有人体状态参数难以实时监测和形成告警的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明公开了一种人体无线监护系统，所述系统包括：电源模块、体征信息采集模块、通信模块、定位模块、存储模块、惯性传感模块和中央处理模块，所述电源模块为系统整体进行供电，所述体征信息采集模块采集人体的体征参数，所述通信模块在人体体征参数异常时向指定人员发出报警信息，所述定位模块实时定位用户的位置信息，并向后台发送用户的位置信息，所述存储模块对人体体征参数进行储存，便于后期进行调用，所述惯性传感模块监测人体姿态数据和运动数据，判断人体是否出现倾倒，并将检测结果发送至中央处理器。
7.进一步地，所述系统分为主设备和从设备，所述主设备为腕带，所述从设备为腰带，主设备与从设备之间通过蓝牙进行通信，所述体征信息采集模块、定位模块、存储模块、通信模块设置在主设备内，所述惯性传感模块设置在从设备内。
8.进一步地，所述电源模块包括：无线充电单元、锂电池管理单元、稳压单元，所述无线充电单元设置有无线发射器安装在电源底座内，所述电源底座通过适配器接入市电，无线接收器靠近无线发射器时，铜线圈之间耦合，将输入的电能从发射器端转移至接收器端。
9.进一步地，所述锂电池管理单元控制锂电池的充放电过程，通过电源保护设备对
锂电池进行保护。
10.进一步地，所述稳压单元进行稳压降压后，对定位模块进行供电，不需要开启定位功能时，可将控制使能端拉低，使稳压单元进入关断模式；若当前需要开启定位功能，则拉高控制使能端，使稳压单元进入直流转直流模式下正常进行电压转换。
11.进一步地，所述体征信息采集模块通过心率信号采集器对人体的心率进行采集，所述心率信号采集器发出可见光照射人体皮肤组织，再利用光敏传感器将人体皮肤组织反射回来的光信号转换为电信号，中央处理模块根据电信号分析心率。
12.进一步地，所述惯性传感模块通过惯性传感器采集用户人体姿态数据和运动数据，再将采集的数据发送至中央处理模块，所述中央处理模块运用跌倒检测算法分析识别当前是否发生跌倒险情。
13.进一步地，所述存储模块对采集的人体体征信息以及惯性传感模块采集的日常监护数据进行储存，中央处理模块对存储模块中储存的内容能够随机调用。
14.进一步地，所述定位模块基于北斗卫星定位设备，实时对用户的位置进行定位，并将位置信息发送至中央处理模块。
15.进一步地，所述通信模块通过gsm通信与指定人员的通信终端进行联系，同时发送用户的人体特征参数和位置信息，当出现异常状况时，发出报警信息。
16.本发明具有如下优点：
17.本发明公开了一种人体无线监护系统，通过体征信息采集模块采集人体心率信息，通过惯性传感模块监测人体姿态数据和运动数据，判断人体是否出现倾倒，当出现异常状况时，通过通信模块及时发出报警信息和用户的位置信息，便于快速施救，电源模块能够进行无线充电，控制各器件低功耗运行，实现对人体状态的无线监控，便于及时发现人体的异常情况，为用户提供更加安全的保障。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
19.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
20.图1为本发明实施例提供的一种人体无线监护系统整体架构图；
21.图2为本发明实施例提供的无线充电原理示意图；
22.图3为本发明实施例提供的无线充电电路图；
23.图4为本发明实施例提供的锂电池管理单元电路图；
24.图5为本发明实施例提供的稳压单元电路图；
25.图6为本发明实施例提供的定位模块供电电路图；
26.图7为本发明实施例提供的心率信号采集器电路图；
27.图8为本发明实施例提供的sim800l接口电路；
28.图9为本发明实施例提供的定位模块电路设计图；
29.图10为本发明实施例提供的sd卡硬件连接图；
30.图11为本发明实施例提供的惯性传感器电路图。
具体实施方式
31.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例
33.本实施例公开了一种人体无线监护系统，所述系统包括：电源模块、体征信息采集模块、通信模块、定位模块、存储模块、惯性传感模块和中央处理模块，所述电源模块为系统整体进行供电，并且能够进行无线充电，所述体征信息采集模块采集人体的心率信号，所述通信模块在人体体征参数异常时向指定人员发出报警信息，所述定位模块实时定位用户的位置信息，并向后台发送用户的位置信息，所述存储模块对人体体征参数进行储存，便于后期进行调用，所述惯性传感模块监测人体姿态数据和运动数据，判断人体是否出现倾倒，并将检测结果发送至中央处理器。
34.参考图1，系统分为主设备和从设备，所述主设备为腕带，所述从设备为腰带，主设备与从设备之间通过蓝牙进行通信，所述体征信息采集模块、定位模块、存储模块、通信模块设置在主设备内，所述惯性传感模块设置在从设备内。通过主设备与从设备之间的相互配合，能够形成对人体体征多种参数的监控。
35.电源模块的设计是保证整个系统能够正常运行的前提条件，由于系统分成主从设备，因此电源模块设计也必须分开设计。当下无线监护设备发展遭遇瓶颈，其中最重要的原因是设备续航能力差、电池充电不便。本系统主设备采用了qi标准无线充电解决方案，不仅可以增加主设备便携性，还可增加其防水性能，从设备采用了标准usb端口充电解决方案。主从设备均有完善的电池管理单元，具有过压保护设计方案，以达到保护锂电池及降低功耗的效果。
36.电源模块包括：无线充电单元、锂电池管理单元、稳压单元，所述无线充电单元设置有无线发射器安装在电源底座内，所述电源底座通过适配器接入市电，无线接收器靠近无线发射器时，铜线圈之间耦合，将输入的电能从发射器端转移至接收器端
37.典型的无线电源系统是在便携式终端设备内安置无线接收器(rx)，将其接受电磁能量用于锂电池充电。系统的无线发射器(tx)是安置在固定的电源底座内，电源底座通过与适配器相连并入市电中。当系统的发射器和接收器达到充电距离要求时，系统通过铜线圈之间的磁耦合作用，将输入的电能从发射器端转移至接收器端。典型的无线电源系统在恒流充电状态下输出电流可高达1a，能够为集成在无线监护设备内的锂电池充电ic提供输入功率。图2为典型的无线电源系统。
38.参考图3，无线电源系统中发射端的工作状态是由同一磁耦合路径下接收端内控制器回传的数据通信包反馈控制。qi标准的无线接收器与无线发射器之间的通信是利用负
载调制的手段将数据包跨线圈发送出去，接收器能够发送多种类型的数据包到发射器，以达到消息传递和反馈控制的目的。此外，通信失败将终止任何功率传输。为了保证将输入功率传递至指定终端上，避免可能存在的危险状态，qi标准中“识别与配置”命令数据包起着关键作用。当锂电池充电完成或是因为其它情况须终止当前电力传送，接收器可通过“充电完成”、“终止功率传输”命令实现控制作用。上述的命令操作均是为了保证无线电源系统内部发射器端与接收器端之间进行安全的电力传输。本实施例的终端主设备可在任何满足qi标准的无线充电器底座进行充电，极大提升了系统的便携性。
39.目前wpc(无线充电联盟)认证的符合qi标准的半导体器件，能够轻松应用于这一类型的低功耗设计方案，qi兼容器件的应用同时也极大的减少了无线充电终端的设计开发时间。该技术的核心思想就是利用电磁耦合作用在两个铜线圈之间传输电能，小巧轻薄的无线接收器线圈可轻松安装至无线监护设备内部。本实施例中接收端控制器选取的是bq51003。
40.参考图4，锂电池管理单元针对主设备搭载的外设功能模块较多，因此在电源管理方面存在一定的难度。通常无线监护设备内部的锂电池容量都比较小，因此为了保证终端设备可长时间续航工作且无需频繁充电，低功耗设计是无线监护设备设计中一个重要考虑因素。实际设计时考虑到无线监护设备的外观时尚性，对终端设备的体积就有严格的要求，内部的集成电路必须控制在符合要求的尺寸内，这也为提出完善的电源管理方案增加了难度。聚合物锂电池以其优良的特性，被普遍应用于便携式电子设备内。本系统主设备续航电源采用的是042030聚合物电芯7v容量200ma的聚合物锂电池。在保证无线监护设备电源的续航能力的同时，也必须保证其工作状态的稳定性和安全性，因此必须设计相应电源保护措施。无线监护设备电源系统设计时还需考虑电池电量监测、充电精度及充电设备兼容性问题。
41.参考图5，稳压模块主要给stm32系统以及其他外围功能模块供电，采用的是单路输出低压降稳压芯片tps62237，输入是锂电池电压7v左右，输出的为+3v电压。主要给北斗定位bds模块进行供电，电路同5降压稳压电路设计基本相同，但增加了stm32对tps62237的控制使能端，此设计主要为了降低设备功耗考虑。当系统不需要开启定位功能时，可将控制使能端拉低，使tps62237进入关断模式；若当前需要开启定位功能，则拉高控制使能端，使tps62237进入dc-dc模式下正常进行电压转换，输出+3v为北斗定位模块供电，此设计将有效降低设备功耗。
42.体征信息采集模块通过心率信号采集器对人体的心率进行采集。人体在没有剧烈运动状态下，人体中肌肉、静脉和骨骼等其它组织部分对光的吸收率曲线是平缓变化的。但是对于动脉中流动的血液而言，因为心脏泵血的作用，所以其对光的吸收作用具有明显的变化过程的。光电容积描记法(ppg)就是利用这一原理，首先由监测设备发出可见光照射人体皮肤组织，再利用光敏传感器将人体皮肤组织反射回来的光信号转换为电信号。由于动脉中血液对光的吸收有明显波动而人体其它组织没有，因此该电信号可分为交流ac量和直流dc量，利用信号处理手段将其中的ac量提取出来，就能够较为准确地反应岀心脏泵血的过程，心脏泵血的过程就是心率的变化过程。
43.本发明采用光电容积描记法进行心率测量。硬件设计过程中利用光学心率传感器em7028采集心率信号，具体硬件电路如图7所示。
44.em7028心率传感器是一种具有低功耗i2c接口的传感器模块，其中包括心脏速率传感器(hrs)和可电流驱动的两个led灯。它既可以工作在连续模式也可以工作在脉冲模式下。其主要特征如下：
45.(1)具有光电管/阵列对反射光线进行光谱分析处理，用于消除干扰。
46.(2)具有极低的功耗，正常模式下工作仅为1.5ma，睡眠模式下为10ua。
47.(3)具有afe/integrator/16bitsadc，提高了动态范围，无需考虑crosstalk的影响，从而简化外部电路设计。
48.(4)极小的封装尺寸(rohs封装：4.0mmx2.4mmx1.35mm)，极大的降低了pcb板面积。
49.(5)内部集成带通滤波器，采集到的信号即为有效的信号数据，无需再进行滤波放大处理，有效的简化了电路图的设计及pcb板大小。
50.为了在用户发生异常时，系统能够及时提供有用的报警信息，尽可能提高救援速度，因此系统设计高精度定位模块是不可或缺的。系统选取skg09d低功耗、小尺寸北斗定位模块。具体硬件电路设计如图6和图9所示。由高性能的单芯片及简单外围电路组成，其将射频信号施加到模块的天线输入端，模块能够提供一个具有位置、速度和时间信息的完整的串行数据消息，并且可在串行接口上提供nmea协议或自定义协议。
51.惯性传感模块提出了一种基于新型惯性传感器mpu6050的跌倒检测系统，利用惯性传感器mpu6050采集用户人体姿态数据及运动数据，再将采集到数据发送到从设备主控芯片msp430，msp430运用跌倒检测算法分析识别当前是否发生跌倒险情。具体硬件电路原理图如图11所示。
52.当用户出现体征参数不正常等状况，系统会立即做出反应并通知指定人员，同时推送当前位置信息，以便家人及时采取急救措施，因此必须设计远程报警通信模块。分析目前移动通信网络的发展状况，其中gsm通信技术已经成为当下最成熟的无线通信手段。gsm通信技术是一种高效简洁的通信方式，其应用方便、安全性高且覆盖面广，在系统设计开发时无需开发者自己搭建或维护网络。本系统选用sim800l低功耗、小尺寸gsm/gprs通信模块，在初步设计时将模块以直插接口的形式接入到系统中，具体接口电路如图8所示。
53.存储单元不仅是为用户提供短时间的健康保障，并且可在未来为医疗机构提供用户生理状态变化过程中相应的数据参考。因此对系统采集的数据进行长时间、稳定、低能耗的存储显得尤为重要。经过分析对比，本系统最终采用sd卡存储日常监护数据。具体硬件接口电路如图10所示。sd存储卡是一种基于半导体闪存的新一代存储设备，因为其拥有体积小、读写数据快、可热插拔等独特优势，被广泛地用于便携式设备上。sd卡读写包括两种模式：sd模式和spi模式。其中sd模式又可以分为1bit和4bit两种传输模式。sd模式下，信号线包括4条数据线dat3～dat0，一条命令传输线cmd和一条时钟同步线；而在spi模式下，只需要4根信号线，分别为sd卡数据输入输出信号线，工作时钟线及片选线。因为本次设计对数据存储速度没有过高要求，所以sd卡读写模式采用了spi模式。
54.本实施例公开的一种人体无线监护系统，通过体征信息采集模块采集人体心率信息，通过惯性传感模块监测人体姿态数据和运动数据，判断人体是否出现倾倒，当出现异常状况时，通过通信模块及时发出报警信息和用户的位置信息，便于快速施救，电源模块能够进行无线充电，控制各器件低功耗运行，实现对人体状态的无线监控，便于及时发现人体的异常情况，为用户提供更加安全的保障。
55.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。