一种多传感器可穿戴健康监测系统及方法

1.本发明涉及电子设备技术领域，特别是涉及一种多传感器可穿戴健康监测系统及方法。


背景技术：

2.在智能手机发展同质化越来越严重的今天，可穿戴设备作为智能手机功能的“延伸”，开拓了一个新兴的电子消费市场，呈现出“井喷”式的发展态势。尤其是在医疗健康领域为人们健康保健和医疗服务提供了丰富的数据支持，也为无创医疗、健康保健行业客户开创了不同的业务模式。人们不仅仅局限于传统就医模式，更期望在非医院、非约束环境下实现随时、便捷地动态健康监测，实现对疾病的早期预防、早期诊断和早期治疗的目的。因此在基本生理参数监测如此必要，而医院距离远、就诊程序复杂、有创医疗带来的痛苦、费用昂贵、伴随的副作用多等形势下，亟需研究适用于个人的简单便捷、小型化、低成本的多指标可穿戴健康监测设备，以实时监测人体健康状况。
3.因此，公开号为cn106691426a的发明公开了一种复合了振动和电感传感器的腕式装置实现了基于pc端的脉搏心率连续监测；公开号为cn115054034a的发明充分利用戒指的内外环设计嵌入加速度、温度和光电容积传感器实现了运动、体温和心率监测；公开号为cn103720461a的发明公开了一种基于蓝牙数据传输的可穿戴式多参数生理指标采集器，实现了腕式脉搏、血氧饱和度、体温和心电图的实时监测。
4.但现有技术的可穿戴健康设备仍存在一定的缺陷，具体包括以下几点：(1)大部分监测指标单一，功能不够全面；(2)获取的生理参数太浅显，缺乏参考价值，且缺乏数据相关性分析：血压(bp)和脉搏传输时间(ptt)都是心血管循环的重要标志，两者之间的短期波动之间的关联也可以传递心血管系统调节机制的重要信息，然而，目前的健康监测尚未系统地研究ptt和bp中之间的关系；此外，呼吸暂停事件与血氧饱和度水平密切相关，对二者进行联合分析更能整体地、客观地反映人体的睡眠状况，而目前的多参数健康监测系统都是将二者分立而视；(3)上位机显示端使用的通常是电子屏或web端显示，实时性、便携性弱，功能单一，用户可操作性和数据管理流动性弱。


技术实现要素：

5.为克服上述技术的不足，本发明提供一种多传感器可穿戴健康监测系统及方法，以满足个人便捷快速的脉搏、血氧、体温、呼吸多指标监测分析，并由脉搏信号的特征参数提取建立脉搏-血压预测模型，实现血压监测，以实现人体健康状况的实时全面评估。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种多传感器可穿戴健康监测系统，包括电源供电模块、数据采集模块、数据处理模块、有机发光半导体oled显示模块、声光报警模块、蓝牙通信模块和app显示端。
8.所述数据采集模块含有脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器，所述脉搏血氧传感器是基于光电容积(ppg)原理，用于采集人体指尖脉搏血氧信号，所述体温传感器是
基于红外原理，用于采集人体手腕温度；所述呼吸传感器是基于温湿度原理，用于采集人体呼吸的温湿度信号；数据采集模块中的脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器分别通过i2c总线将采集到的数据发送至数据处理模块进行数据处理。
9.所述数据处理模块上设置有微控制器，所述微控制器的多个数据接收端分别与数据处理模块的各个传感器对应输出端连接，通过i2c总线接收数据采集端的数据并对数据进行处理，并提取脉搏信号的特征参数，建立特征参数与血压之间的多元线性回归模型(脉搏-血压模型)，由此预测血压信号，最终将处理后的脉搏、血氧、血压、体温和呼吸数据通过i2c总线、全双工通用同步/异步串行收发器usart分别发送至oled显示模块和蓝牙通信模块。
10.所述oled显示模块通过i2c总线连接接收来自数据处理模块处理后的健康数据，实时显示人体脉搏、血氧、血压、体温和呼吸监测结果。
11.所述声光报警模块由数据处理模块的微控制器io口发送高电平进行控制，用于提示系统工作状态和向用户警示超出人体正常范围的异常健康信息。
12.所述蓝牙通信模块与所述数据处理模块通过usart进行数据传输，蓝牙通信模块使用低功耗蓝牙5.1通信协议，接收数据处理模块处理后的数据，通过蓝牙传输至app端。
13.所述app端与所述蓝牙通信模块通过蓝牙5.1协议进行数据传输，接收蓝牙传输的数据，app包括用户注册登录、密码找回在内的用户信息数据库管理功能和包括健康参数显示、波形显示和历史数据查询在内的实时健康数据管理功能，在app端实现健康信息可视化。
14.所述电源供电模块设置有充电电路、电池供电电路和电压转换电路，通过typec接口和恒压恒流充电芯片给3.7v锂电池充电，经两个电压转换器实现3.7v转3.3v和3.3v转1.8v，用于给数据采集模块的各个传感器、数据处理模块和蓝牙通信模块供电，并通过两档开关控制电源开、关来控制系统工作状态。
15.本发明还提供一种多传感器可穿戴健康监测方法，该方法包括：
16.s1、通过脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器获取人体的ppg信号、红外辐射信号和温湿度信号。
17.s2、对ppg信号进行经验模态分解(eemd)和重构，再经过两次阈值处理提取出脉搏血氧波形，提取脉搏波形的峰峰值获取心率和脉搏参数，提取脉搏波形的特征参数作为脉搏-血压模型的特征值构建多元线性回归模型，由此模型预测血压参数。
18.s3、对红外辐射信号建立环境温度因素和距离因素多元拟合模型，通过最小二乘法消除环境温度和距离因素带来的体温参数的扰动。
19.s4、融合温湿度信号，区分正常呼吸状态和呼吸暂停事件，在正常呼吸状态下通过呼吸状态方波间距获取呼吸频率参数，在呼吸暂停状态下通过形状上下文(shape context)法识别呼吸暂停类别。
20.通过蓝牙将处理结果同步至app端。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.1.本发明采用微控制器stm32f103c8t6，集成多传感器搭配相应算法，实现了多指标可靠健康监测，实现了便捷、迅速、实时多指标可穿戴健康监测。
23.2.本发明建立了脉搏-血压模型，一方面减少了血压检测模块，另一方面实现了数
据的相关分析，实现了全面的健康监测系统。
24.3.本发明采用app作为数据可视化平台，界面美观，实时性、便携性强，功能丰富，用户可操作性和数据管理流动性强。
25.综上本发明技术方案通过电源供电模块的电压转换为系统的不提供工作电源，启动系统进入正常工作状态后，数据采集模块采集人体脉搏、血氧、体温和呼吸信息，通过i2c总线传输至数据处理模块，通过相应的计算算法提取出能表征人体健康状况的信息，实时在oled屏上显示测试结果，并通过蓝牙发送至app端，实现健康参数、波形的可视化，并提供历史数据查询、上传功能。实现了个人健康状况的便携快速、在现场即分析、实时监测。
附图说明
26.为了更清楚地说明发明实施例或现有技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例多传感器可穿戴健康监测系统的结构框图；
28.图2为本发明实施例电源供电模块；
29.图3为本发明实施例脉搏血氧数据处理流程和构建脉搏-血压模型图；
30.图4为本发明实施例体温数据处理流程图；
31.图5为本发明实施例呼吸数据处理流程图；
32.图6为本发明实施例app功能框图；
33.图7为本发明实施例用户注册登录界面图；
34.图8为本发明实施例人体健康数据显示界面图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
37.如图1所示，本实施例提供的一种多传感器可穿戴健康监测系统，包括电源供电模块、数据采集模块、数据处理模块、oled显示模块、声光报警模块、蓝牙通信模块和app端。
38.电源模块设置有充电电路、电池供电电路和电压转换电路，通过typec接口和恒压恒流充电芯片给3.7v锂电池充电，经两个电压转换器实现3.7v转3.3v和3.3v转1.8v，用于给数据采集模块的各个传感器、数据处理模块和蓝牙通信模块供电，并通过两档开关控制电源开、关来控制系统工作状态。
39.数据采集模块用于实时采集人体脉搏、血氧、体温和呼吸数据。数据采集模块含有穿戴于人体的脉搏血氧传感器(max30102)、体温传感器(mlx90614)和呼吸传感器(sht30)，所述脉搏血氧传感器是基于光电容积(ppg)原理，用于采集人体指尖脉搏血氧信号，所述体
温传感器是基于红外原理，用于采集人体手腕温度；所述呼吸传感器是基于温湿度原理，用于采集人体呼吸的温湿度信号；数据采集模块中的脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器分别通过i2c总线将采集到的数据发送至数据处理模块进行数据处理。
40.数据处理模块，设置有微控制器(stm32f103c8t6)，与数据采集模块连接，用于对脉搏、血氧、体温和呼吸数据进行处理，提取出能表征人体健康状况的信息，最终将处理后的数据通过i2c总线、全双工通用同步/异步串行收发器usart分别发送至oled显示模块和蓝牙通信模块。
41.oled显示模块通过i2c总线连接接收来自数据处理模块处理后的健康数据，实时显示人体脉搏、血氧、血压、体温和呼吸监测结果。
42.声光报警模块由数据处理模块的微控制器io口发送高电平进行控制，对系统工作状态进行提示和对亚健康信息进行报警警示。
43.蓝牙通信模块使用低功耗蓝牙5.1通信协议以降低系统功耗，与微控制器通信，接收微控制器处理后的信息。
44.app端，与蓝牙通信模块通信，接收微控制器处理后的信息，实现健康参数、波形的可视化，并提供历史数据查询、上传功能。
45.数据传输过程为：数据采集模块通过i2c总线与数据处理模块的微控制器进行数据传输，微控制器通过i2c总线与oled显示模块通信，通过串口与蓝牙模块进行通信，蓝牙模块通过蓝牙5.1协议与将数据上传至app端。
46.电源供电模块包括充电接口、供电电池、电压转换模块。
47.图2是电源供电模块，所述电源供电模块使用锂聚合物电池，锂电池提供的可用电压范围为4.2v(充满电)至2.7v(完全放电)。通过typec接口由电源管理芯片tc4056a对电池进行充电，内部采用了金属氧化物半导体场效应晶体管(pmosfet)架构，待机模式下的供电电流仅为55ua，并加上了防倒充电路和恒压恒流自主切换电路，保护电池免受过度充电。电压转换芯片spx3819-3.3和spx3819-1.8提供非常低的接地电流为800μa输出和低噪声输出，分别将电压转换至3.3v和1.8v，供数据采集模块的各个传感器、微控制器和蓝牙通信模块工作。
48.数据采集模块包括脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器。
49.脉搏血氧传感器使用基于光电容积(ppg)原理的max30102芯片，工作电压范围为1.8v-5.0v(工作电压通常为1.8v，led供电电压通常为3.3v)，正常工作温度通常为-40℃-85℃，集成了一个红光光源、红外光源和光电检测器，集成的玻璃盖可抑制环境光，具有0.7μa的超低关断电流和1mw超低功耗的低噪声电子电路。
50.体温传感器使用基于红外原理的mlx90614芯片，工作电压范围为8.0v-16.0v(工作电压通常为3.3v)，正常工作温度通常为-40℃-85℃，分辨率可达0.02℃，精度可达
±
0.1℃，具有非接触、体积小、精度高，成本低等优点。
51.呼吸传感器使用基于温湿度原理的sht30芯片，采用业内知名的瑞士sensirion公司推出的新一代sht30温湿度传感器芯片。得益于sensirion的技术，高集成度电容式测湿元件和能隙式测温元件，sht30能够提供极高的可靠性和出色的长期稳定性，温度和湿度分辨率分别可达0.01℃、0.006％，温度和湿度精度分别可达
±
0.2℃、
±
3％rh，具有体积小、功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。传感器内部经过校准、线性化与放大，能
够输出与温湿度呈线性关系的模拟电压，使用简单方便，兼容各类3.3v/5v主控系统。
52.数据采集模块采集了ppg脉搏血氧数据、红外温度数据和呼吸温湿度数据后分别通过i2c总线发送至数据处理模块，数据处理模块通过相应的计算算法提取出表征人体健康状况的信息，测试结束声光报警模块的指示灯变为绿色，并将结果通过i2c总线显示在oled上，同时对亚健康信息由蜂鸣器向用户报警警示。
53.数据处理模块将处理后的数据通过usart传输至蓝牙通信模块，蓝牙通信模块使用的是深圳大熊智能有限公司打造的bt-11，配置2mbit flash空间,遵循v5.1 ble蓝牙规范，通信距离可达80m，正常工作电流仅为1.84ma，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点，最终有通过蓝牙将数据上传至app端。
54.app端通过低功耗蓝牙通用属性(gatt)协议接收来自微控制器的数据，实现功能如图6所示，包括低功耗蓝牙连接、用户信息管理功能和用户健康数据管理功能。
55.低功耗蓝牙连接和数据交换，在app蓝牙界面启动蓝牙扫描，扫描到目标蓝牙后，通过获取相应蓝牙传输数据的服务(service)下的特征数据(characteristic)与该蓝牙建立连接，此时app可与下位机进行数据交互。
56.用户界面包含用户注册登陆界面、密码找回界面，如图7所示，当用户提交用户名和密码时，服务器会将用户名以及密码与数据库对比，数据完全符合则登陆成功进入下一界面，否则提示错误，建议注册新账号或者找回密码。
57.健康数据显示界面：如图8所示，用户在成功登陆后，进入脉搏、血氧、体温和呼吸测试界面，用户通过点击相应模块进入对应指标测试，通过蓝牙向微控制器发送测试指令获取相应指标数据，app接收数据后将相应健康信息参数和波形实时显示在界面上。对已经获取到的健康信息，用户可选择保存到用户健康信息数据库或者选择丢弃本次数据。
58.本实施例提供的一种多传感器可穿戴健康监测方法包括：
59.由数据采集模块的脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器采集人体指尖ppg信号、手腕温度信号和呼吸温湿度信号。
60.脉搏血氧数据处理流程如图3所示，脉搏血氧传感器采样率设置为100hz，数据窗口大小设置为500，移动步长设置为100，窗口每次移动将捕获的ppg信号发送至微控制器。
61.微控制器对收到的500个数据进行eemd分解，分解为12个imf分量，对高阶固有模态函数(imf)分量采用均值滤波去除基线漂移，低阶imf分量计算与原信号的相关系数，采用相关系数法筛选imf分量，然后重构信号，得到滤除干扰的脉搏血氧信号，再通过两次阈值处理提取出ppg波形峰值从而获取人体心率、血氧参数。
62.对滤除干扰的脉搏信号提取脉搏周期t、脉面积k值和脉搏波传导速度v等特征参数后，建立特征参数与血压之间的多元线性回归模型(脉搏-血压模型)，通过梯度下降算法解算出回归模型的各项系数，最终由此模型通过脉搏信号预测收缩压和舒张压。
63.体温数据处理流程如图4所示，实际测试时应先对传感器进行校准，在不同环境温度和测温距离下，由体温传感器获取多组手腕温度和商用体温计获取真实体温，建立环境温度和距离因素的多元回归模型，通过最小二乘法拟合环境温度和距离因素，消除环境温度和测量距离度测温结果的影响。
64.呼吸数据处理流程如图5所示，呼吸传感器采样率设置为10hz。体温传感器每隔100ms进行一次呼吸温湿度采样，并将数据发送至微控制器。
65.微控制器取每两个相邻采样点间的温度和湿度的差值；若温度值差值不为负，湿度值差值为正，证明当前受试者处于呼吸状态，且处于呼吸状态的时间将随着采样的持续不断增加，此时呼吸状态置为1，计时器1增加100ms，并清除计时器2；否则说明受试者的呼吸状态已经结束，呼吸状态置0，计时器2增加100ms，若呼吸状态超过1.5s，计时器2增加100ms，当结束的时间计时器2的时间超过10s时，即可判定发生了呼吸暂停。在处于正常呼吸状态时通过计算呼吸中状态方波间隔获取呼吸频率参数；在发生了呼吸暂停时通过形状上下文法判断暂停类型为阻塞型、中枢型还是混合型。
66.数据处理模块通过蓝牙将数据处理后的结果发送至app，由app提供实时心率、血氧、血压、体温、呼吸频率及呼吸状态参数和脉搏波形、呼吸波形显示。

技术特征：
1.一种多传感器可穿戴健康监测系统，其特征在于，包括电源供电模块、数据采集模块、数据处理模块、有机发光半导体oled显示模块、声光报警模块、蓝牙通信模块和app显示端；所述数据采集模块含有脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器，各传感器分别通过i2c总线将采集到的数据发送至数据处理模块；所述数据处理模块上设置有微控制器，所述微控制器的多个数据接收端分别与数据处理模块的各个传感器对应输出端连接，接收数据采集端的数据并对数据进行处理，提取脉搏信号的特征参数，建立特征参数与血压之间的多元线性回归模型，即脉搏-血压模型，由此预测血压信号，最终将处理后的脉搏、血氧、血压、体温和呼吸数据通过i2c总线、全双工通用同步/异步串行收发器usart分别发送至oled显示模块和蓝牙通信模块；所述蓝牙通信模块使用低功耗蓝牙5.1通信协议，接收数据处理模块处理后的数据，通过蓝牙传输至app端；所述app端接收蓝牙传输的数据，app端包括用户注册登录、密码找回在内的用户信息数据库管理功能和包括健康参数显示、波形显示和历史数据查询在内的实时健康数据管理功能，在app端实现健康信息可视化。2.根据权利要求1所述的一种多传感器可穿戴健康监测系统，其特征在于，所述脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器穿戴于人体；所述脉搏血氧传感器是基于光电容积原理，用于采集人体指尖脉搏血氧信号；所述体温传感器是基于红外原理，用于采集人体手腕温度；所述呼吸传感器是基于温湿度原理，用于采集人体呼吸的温湿度信号。3.根据权利要求1所述的一种多传感器可穿戴健康监测系统，其特征在于，所述声光报警模块由数据处理模块的微控制器io口发送高电平进行控制，用于提示系统工作状态和向用户警示超出人体正常范围的异常健康信息。4.根据权利要求1所述的一种多传感器可穿戴健康监测系统，其特征在于，所述oled显示模块通过i2c总线连接接收来自数据处理模块处理后的健康数据，实时显示人体脉搏、血氧、血压、体温和呼吸监测结果。5.根据权利要求1所述的一种多传感器可穿戴健康监测系统，其特征在于，所述电源供电模块设置有充电电路、电池供电电路和电压转换电路，通过typec接口和恒压恒流充电芯片给3.7v锂电池充电，经两个电压转换器实现3.7v转3.3v和3.3v转1.8v，用于给数据采集模块的各个传感器、数据处理模块和蓝牙通信模块供电，并通过两档开关控制电源开、关控制系统工作状态。6.根据权利要求1所述的一种多传感器可穿戴健康监测系统，其特征在于，所述app端显示的健康参数包括心率、血氧、血压、体温、呼吸频率及呼吸状态参数；所述所述app端显示的波形包括脉搏波形和呼吸波形。7.一种多传感器可穿戴健康监测方法，用于权利要求1至6任一所述的系统，其特征在于，包括如下步骤：s1、通过脉搏血氧传感器、体温传感器和呼吸传感器获取人体的光电容积ppg信号、红外辐射信号和温湿度信号；s2、对ppg信号进行经验模态分解和重构，再经过两次阈值处理提取出脉搏血氧波形，
提取脉搏波形的峰峰值获取心率和脉搏参数，将提取到的参数作为脉搏-血压模型的特征值构建多元线性回归模型，由此模型预测血压参数；s3、对红外辐射信号建立环境温度因素和距离因素多元拟合模型，通过最小二乘法消除环境温度和距离因素带来的体温参数的扰动；s4、融合温湿度信号，区分正常呼吸状态和呼吸暂停事件，在正常呼吸状态下通过呼吸状态方波间距获取呼吸频率参数，在呼吸暂停状态下通过形状上下文法识别呼吸暂停类别。

技术总结
本发明公开了一种多传感器可穿戴健康监测系统及方法，该系统包括电源供电模块、数据采集模块、数据处理模块、OLED显示模块、声光报警模块、蓝牙通信模块和APP显示端。数据采集模块通过传感器采集人体数据，并发送至数据处理模块进行数据处理。数据处理模块对数据进行处理，并提取脉搏信号的特征参数，建立特征参数与血压之间的多元线性回归模型，由此预测模型监测血压信号，最终将处理后的数据分别发送至OLED显示模块和蓝牙通信模块。声光报警模块提示系统工作状态和向用户警示超出人体正常范围的异常健康信息。本发明实现了个人健康状况的便携快速，并且全面的健康监测系统。并且全面的健康监测系统。并且全面的健康监测系统。


技术研发人员：白茹 谢鑫 寇传嘉
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/28