一种用于户外运动的可穿戴身体状态监测装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置，属于智能可穿戴技术领域。


背景技术：

2.户外运动(尤其户外冰雪运动)因为其户外的特点，对运动员进行实时可持续的身体健康状态监测是提供训练运动表现分析，及时发现运动员健康问题的重要手段。目前可穿戴的身体监测主要用病人和老年人的监护。运动方面的可穿戴监测设备主要是面对大众健身时心率，血氧等的监测，其主要用于能量消耗，疲劳等的检测。这些并不适用户外运动(尤其户外冰雪运动)的健康监测。心电不仅可以获得心率，还可以获得hrv等身体信息，其可以提供疲劳，情绪，压力，健康状态等信息。呼吸率能够反应身体机能的变化。同时失温是户外冰雪运动中不可忽略的健康因素。针对户外运动尤其户外冰雪运动的推广。
3.运动员在户外进行训练和比赛时，其身体状态是影响其运动表现甚至身体健康的重要因素。快速实时掌握运动员身体状况，进行及时的反馈调整是提高运动训练效果，保护运动员身体健康的重要手段。根据实时性要求以及户外运动的特点，本发明融合心电、呼吸和身体温度作为采集的传感器数据。其中心电可以获得心率和hrv等信息，其和运动员疲劳，情绪，压力以及运动表现等密切相关。呼吸能够反应身体机能的变化。同时身体失温不仅影响着运动员的运动表现而且过度失温甚至危害运动员的健康，因此在户外运动中实时监测运动员的身体温度也尤其重要。本发明针对户外运动(尤其户外冰雪运动)提供一种便捷的可穿戴身体健康状态监测设置。随着户外运动，冰雪运动的推广，本发明具有较广的应用前景。
4.户外运动和户外冰雪运动由于其在室外的特征，个体容易忽视自身的身体反应，有时甚至造成身体的损伤。身体的反应通常会体现在生理生化等指标上，人们可以通过生理生化等数据监测来判断身体状况。其中有些生理信号可以实时采集处理，比如心电、呼吸等。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对户外和户外冰雪运动的特点，把传感器数据通过无线传到手机上并通过手机上传服务器供专家研判，提出了一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置，该装置为融合心电、呼吸和身体温度的可穿戴健康监测装置。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.所述可穿戴身体状态监测装置，包括传感器模块、融合处理模块、手机端以及服务器；
8.其中，传感器模块包括一个心电采集模块，一个呼吸波检测电路以及温度采集模块；
9.温度采集模块对核心温度进行估算，其原理为：户外运动和冰雪运动中的失温会
影响运动表现和身体损伤，而失温往往被个体所忽视；核心温度指的是人体内的温度和体表温度有一定差距，考虑单独一处的体表温度存在误差，不能准确表示身体温度的变化；
10.所述温度采集模块通过多个温度传感器获取左胸和右胸和后背处的体表温度，再估算核心温度的变化；
11.其中，呼吸波检测电路为传感器2；
12.融合处理模块为2个，一个融合处理模块将温度和呼吸波融合，另一个融合处理模块包括传感器1及传感器1的电路系统，该处理模块融合温度、心电传感器和蓝牙模块；
13.其中，心电传感器采集反映心脏活动状态的心电信号；
14.其中，心电信号包含心率及hrv身体信息，通过这些信息对身体疲劳、情绪、压力和健康状况做出判断；
15.其中，传感器1的电路系统包括蓝牙模块、mcu控制器以及心率采集器；
16.蓝牙模块与mcu控制器相连，mcu控制器与心率采集器及温度采集模块相连；
17.手机端的app负责接收数据和传感器数据处理及发送数据到服务器；
18.其中，呼吸波检测电路，包括压阻传感器和检测电路；
19.其中，检测电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3以及放大器；其中，电阻r3一端接地，另一端接压阻传感器及放大器的正端；放大器负端接电阻r2接地以及电阻r1接输出端；
20.呼吸波检测电路中的压阻传感器能将胸部压力变化转换为传感器电阻变化，检测电路再把传感器电阻变化转化为电压值输出，然后统计每分钟的呼吸次数；
21.所述可穿戴身体状态监测装置的工作过程，包括如下步骤：
22.步骤1、参加运动前穿戴此状态监测装置中的传感器，打开开关进行初始化和校准；
23.步骤2、运动过程中由胸带上传感器1、传感器2、传感器3和传感器4进行心率、呼吸率和温度的实时获取；
24.步骤3、由传感器1上的mcu对传感获取的实时数据进行处理，通过蓝牙模块将传感器1获取的心电数据和心率、传感器2获取的呼吸率以及传感器3和传感器4获取的体温上传到手机端；
25.其中，心率通过传感器1中的心率采集器获取；呼吸率通过传感器2，即呼吸波检测电路中的压阻传感器和检测电路共同获取；
26.其中，所述传感器3和传感器4均为温度采集模块；
27.步骤4、手机端获取数据后通过计算获取本人运动时心率变化量δh、呼吸率变化量δv以及运动时四处体温的变化量δt1、δt2、δt3、δt4，并通过聚类的方法判断身体状态，并实时显示身体状态；
28.其中，身体状态包括正常、疲劳、过度疲劳以及失温；
29.步骤5、手机端处理完数据后，将获取的传感器数据通过手机端app上传到服务器端；
30.至此，从步骤1到步骤5，完成了所述可穿戴身体状态监测装置的工作过程。
31.有益效果：
32.本发明提出了一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置，与现有技术相比，具有如下有益效果：
33.1.所述监测装置，根据户外运动(尤其户外冰雪运动)的特点，融合心电、呼吸和身体温度三个反应身体健康状态的传感器数据进行身体状态的检测；
34.2.所述监测装置提供一种可实时显示在手机上，实现健康的便捷监测、即时上传到服务器以供医生或教练员实时掌握运动员身体状态；
35.3.所述监测装置的创造性在于开发的是一套用于户外运动的可穿戴身体状态监测系统。
附图说明
36.图1是本发明一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置的设备外观；
37.图2本发明一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置中传感器1的电极分布；
38.图3是本发明一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置中传感器1上的系统；
39.图4是本发明一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置呼吸波检测电路；
40.图5是本发明一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置传感器2的电极分布；
41.图6是本发明一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置中传感器3和传感器4的电极；
42.图7是本发明一种用于户外运动可穿戴身体状态监测装置的手机端界面。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加淸楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
44.图1是本发明的可穿戴传感器外观。图2是传感器1的电极分布；图3传感器1上的系统，蓝牙模块与mcu控制芯片相连，mcu控制芯片与心率采集芯片及温度采集芯片相连。图4是呼吸波检测电路，包括压阻传感器、电阻r1、电阻r2、电阻r3以及放大器；其中，电阻r3一端接地，另一端接压阻传感器及放大器的正端；放大器负端接电阻r2接地以及电阻r1接输出端；图5传感器2的电极分布；图5是传感器2的电极分布，图6是传感器3和传感器4的电极分布；图7中是手机端界面，界面中包括心电波形、心率、呼吸率、体温、身体状态以及数据上传信息。
45.具体实施时：标准的12导心电采集需要10个电极分布在左胸和四肢的不同位置，能够获取较全的心电数据，事实上单导数据也能够反应心电主要特征；通过两个电极在左胸处采集单导心电信号，心电采集采用bmd101芯片。
46.所述装置具体实施时，通过四个温度传感器获取左胸和右胸和后背两处等共四处体表温度估算核心温度的变化；
47.所述可穿戴身体状态监测装置，包括传感器模块、传感器数据融合处理以及通信模块；其中，传感器模块包括一个心电采集模块，一个呼吸波传感器模块以及温度采集模块；
48.心电采集模块采集的心电信号反映了心脏的活动状态，所述心电信号，包含心率以及hrv身体信息，通过这些信息对身体疲劳、情绪、压力和健康状况做出判断；
49.呼吸波传感器模块中包括压阻传感器何监测电路，该压阻传感器能将胸部压力变化转换为传感器电阻变化，检测电路再把传感器电阻变化转化为电压值输出；然后，统计每
分钟呼吸次数；
50.温度采集模块：核心温度在户外运动和冰雪运动中尤其重要，因为失温会影响运动表现和身体损伤，而失温往往被个体所忽视；核心温度指的是人体内的温度和体表温度有一定差距，考虑单独一处的体表温度存在误差，不能准确表示身体温度的变化，本发明通过四个温度传感器获取左胸和右胸和后背两处等共四处体表温度估算核心温度的变化；优选的温度采集模块数量为4个。
51.传感器数据融合处理，具体通过心率变化量、呼吸率变化量和温度变化量构建模型，并通过聚类方法获取身体所处的状态，包括正常、疲劳、过度疲劳以及失温。具体方法为：通过实验获取不同身体状下运动员心率变化量，呼吸率变化量及温度变化量的数据，通过聚类的方法训练出在不同身体状态下率变化量，呼吸率变化量及温度变化量的模型。并将此模型嵌入在手机端app中。
52.通信模块：包括两部分，第一部分传感器数据通过蓝牙与手机相连，第二部分通过手机通信把心电数据、呼吸波和温度数据上传到服务器端进行专家研判。
53.所述装置的体系架构包括可穿戴传感器和手机端app。
54.其中，可穿戴传感器利用胸带穿在运动者身上，胸带包括两个温度传感器、一个融合温度和呼吸波的传感器和一个融合温度，心电传感器和蓝牙模块的传感器。手机端app负责接收数据和传感器数据处理以及发送数据到服务器。
55.具体过程为：第一，参加运动前穿戴此传感器，打开开关进行初始化和校准。第二，运动过程中由胸带上传感器1、传感器2、传感器3和传感器4进行心率，呼吸率和温度的实时获取。第三，由传感器1上的mcu对传感获取的实时数据进行处理，通过蓝牙模块将传感器获取的心电数据，心率，呼吸率和体温进行上传到手机端。第四，手机端获取数据后通过计算获取本人运动时心率变化量δh、呼吸率变化量δv以及运动时四处体温的变化量δt1、δt2、δt3、δt4，并通过聚类的方法判断身体处于何种状态，比如正常、疲劳、过度疲劳以及失温。并通过手机端app进行实时的显示。第五，手机端处理完数据后同时将获取的传感器数据通过手机上传到服务器端。
56.所述装置的工作过程，包括如下步骤：
57.步骤1、通过运动前校准获取初始心率h0、呼吸率v0和四处初始体表温度t1、t2、t3、t4；
58.步骤2、运动时通过传感器模块获取运动者心率变化量δh、呼吸率变化量δv以及运动时四处体温的变化量δt1、δt2、δt3、δt4；
59.其中，四处体温的变化，具体通过温度传感器获取左胸和右胸和后背两处等四处体表温度，再通过估算得出核心温度的变化；
60.步骤3、根据模型训练值进行聚类分析获取身体状态并实时显示在手机上，同时心电和体温数据也通过手机上传服务器供专家研判。
61.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。