CN103230268A - 一种可以进行远程监控的人体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以进行远程监控的人体检测装置，包括无线传感单元、外部处理单元和存储单元，无线传感单元包括：无线生理传感器，用于采集人体的生理信号；微控制器模块，用于接收并预处理生理信号，还用于依据来自外部处理单元的控制信号控制无线生理传感器的运行；第一无线收发模块，用于将经过预处理的生理信号发送至外部处理单元；外部处理单元包括：第二无线收发模块，用于与第一无线收发模块相互通信；中央处理模块，用于接收来自第二无线收发模块的生理信号并进行显示，还用于将来自第二无线收发模块的生理信号转换为相应的控制信号并发送至微控制器模块。本发明体积小、速度快、功耗低、成本低，且可进行远程监控。

Description

一种可以进行远程监控的人体检测装置

技术领域

本发明涉及人体检测设备领域，具体涉及一种可以进行远程监控的人体检测装置。

背景技术

作为一个涉及了多学科高度交叉、知识高度集成的前沿研究领域，无线传感器网络受到了国际社会的广泛关注,被公认为将对二十一世纪产生巨大影响的技术之一，其具有非常广阔的应用前景。

无线传感器网络(WSN．Wireless Sensor Network)是一种自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络。其中的节点成本低、体积小，网络节点多数为固定式，要求节点可以持续工作较长时间；在通信方式上，采用短距离的低功率无线通信技术，例如可以采用ZigBee技术、蓝牙、Wi-Fi和红外等技术。

BSN（无线生理传感网络）是一种在IEEE802.15.6标准的基础上建立的一种短距离无线通信技术，是无线传感器网络的重要成员之一。BAN网络的协议栈使用了IEEE802.15.6标准定义的物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC），并在此基础上定义了网络层（NWK）、应用层（APL）和安全层。它具有组网成本低、复杂度低、功耗低、数据速率低、短距离等特点，是人体上的生理参数收集传感器或移植到人体内的生物传感器共同形成的一个无线网络，它不仅是一种新的普适医疗保健、疾病监控和预防的解决方案，还是物联网的重要感知及组成部分。其目的是提供一个集成硬件、软件和无线通信技术的计算平台，并为普适的健康医疗监控系统的未来发展提供必备的条件。

无线生理传感器节点能够采集身体重要的生理信号（如温度、血糖、血压和心电信号等）、人体活动或动作信号以及人体所在环境信息，将这些信息处理后传输到身体外部附近的本地基站，再通过互联网或无线传输给医院、病人家属或其它终端。正因为如此，BSN技术可以广泛的用于医疗保健、疾病监控等诸多领域。目前，BSN技术已成为低速率无线个域网（Low Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）的研究热点之一。

发明内容

本发明提供了一种体积小、速度快、功耗低、成本低，且可进行远程监控的人体检测装置。

一种可以进行远程监控的人体检测装置，包括无线传感单元、外部处理单元和存储单元，所述无线传感单元与外部处理单元之间通过第一通信总线相互通信，所述外部处理单元与存储单元之间通过第二通信总线相互通信，

所述无线传感单元包括：

无线生理传感器，用于采集人体的生理信号；

微控制器模块，用于接收并预处理所述生理信号，还用于依据来自外部处理单元的控制信号控制无线生理传感器的运行；

第一无线收发模块，用于将经过预处理的生理信号发送至外部处理单元；

所述外部处理单元包括：

第二无线收发模块，用于与第一无线收发模块相互通信；

中央处理模块，用于接收来自第二无线收发模块的生理信号并进行显示，还用于将来自第二无线收发模块的生理信号转换为相应的控制信号并发送至所述微控制器模块。

作为优选，所述存储单元包括ZBT SRAM存储器和第二Flash存储器。所述ZBT SRAM存储器带有ZBT SRAM控制器，所述第二Flash存储器带有第二Flash控制器。

本发明采用的ZBT SRAM存储器通过高效利用系统总线，进行随机读写，避免了读写状态之间的转换周期，消除了读写延迟，实际数据传输速率得到了显著的提高，此外，该存储器还具有容量大，可根据用户对系统的要求动态调整输出状态的特点，通过消除无效周期，提高了系统带宽，同时，降低了通信系统对系统计时的要求；ZBT SRAM控制器解决了该存储器与系统的其他模块之间在进行数据通信时的总线竞争问题。

ZBT SRAM控制器包括接口电路传输层、流水线延时控制模块、地址控制输出模块、时钟输出控制模块、和数据存储通道，接口电路传输层存储用户的输入，并输出信号；流水线延时控制模块根据ZBT SRAM存储器的工作模式为输出数据提供适合的延时时间；地址控制输出模块用于对地址和控制信号进行存储；数据存储通道用于对数据的存储提供双向控制。

作为优选，所述无线传感单元还包括一个与所述微控制器模块相互通信的第一Flash存储器，用于存放所述无线生理传感器采集的生理信号。无线传感器单元还包括一个第一FLASH控制器，第一FLASH控制器与微控制器模块通信，第一FLASH控制器提供与第一FLASH存储器的接口。

作为优选，所述无线生理传感器为温度传感器、血压传感器、心电信号传感器、血糖传感器中的一种或几种的组合。

作为优选，所述无线生理传感器为穿戴式传感器或植入式传感器。

更优选，所述穿戴式传感器贴附于人体表面或植入人体浅层。用于短期监测，一般为一个月左右，该类传感器重量轻、体积小、用于实现实时、自由移动式健康监测。

更优选，所述植入式传感器安装于人体内部区域；安装于人体心脏、大脑和/或脊髓处。拥有主动刺激和生理被动监测功能，主要用于慢性疾病的长期监测，除被动监测人体生理信息外，还能实现某些治疗功能，如慢性疼痛脊髓刺激、尿失禁膀胱刺激、胰岛素定期注射等。

其中，所述的无线生理传感器要求指定其重要的生理参数的精度、低功耗信号处理的水平，并要求具备无线连接功能。

所述微控制器模块针对生理信号进行预处理时，包括：

对于任意一个无线生理传感器，在预定时间内间隔的采集若干生理信号点；

对所有生理信号点利用设定的阈值删除异常点；

对剩余的生理信号点取平均值后作为一个生理信号向外部处理单元发送。减少传感器的安装节点。

作为优选，所述预定时间为100ms～1000ms；；在预定间隔时间内间隔的采集5～20个生理信号点。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明将人体监测装置经过先进的系统级优化设计理论进行优化设计，使用SOC芯片、无线传输、贴片微带天线技术实现小型化数据采集和传输单元，通过外接传感器模块、ZBT SRAM存储器、FLASH存储器实现人体生理状态数据流的无缝处理，通过外部处理单元实现网络配置、信息显示及B/S结构的人体生理状态信息监测功能，模块体积小、速度快、耗低，本发明可应用到医疗保健、疾病监控和预防等领域。

附图说明

图1是本发明人体监测装置的结构示意图。

图2是嵌入式Web服务器、CGI功能脚本、远程主机端WEB浏览器等系统各部分工作流程图。

图3是ZBT SRAM控制器的内部结构示意图。

具体实施方式

一种可以进行远程监控的人体监测装置，如图1所示，无线传感单元1、外部处理单元2和存储单元3，无线传感单元1与外部处理单元2之间第一通信总线相互通信，该第一通信总线采用IEEE802.15.4标准规定的无线信道，外部处理单元2与存储单元3之间通过第二通信总线相互通信。

无线传感单元1用于采集人体的生理信号，并将采集的生理信号发送给外部处理单元2，无线传感单元1包括无线生理传感器、微控制器模块、第一无线收发模块、第一Flash存储器和第一Flash控制器，无线生理传感器与微控制器模块之间相互通信，微控制器模块分别与第一收发模块及第一Flash控制器之间相互通信，第一Flash控制器与第一Flash存储器之间相互通信。

无线生理传感器用于检测人体的生理信号，如心电信号、体温、血压、血糖等的生理信号，例如可以是温度传感器、血压传感器、心电信号传感器和血糖传感器的其中一种或几种的组合，根据不同的检测对象的特征进行选择，无线生理传感器可以采用穿戴式传感器或植入式传感器。

当用于短期监测（一个月左右）时，选择穿戴式传感器，该穿戴式传感器贴附于人体表面或植入人体浅层，该类传感器重量轻、体积小、用于实现实时、自由移动式健康监测，例如可以是人体体表温度传感器、体表血压传感器，体表湿度传感器，脉搏波传感器。

当用于慢性疾病的长期监测时，选择植入式传感器，植入式传感器安装于人体内部区域；例如安装于人体心脏、大脑和/或脊髓处。拥有主动刺激和生理被动监测功能，主要用于慢性疾病的长期监测，除被动监测人体生理信息外，还能实现某些治疗功能，如慢性疼痛脊髓刺激、尿失禁膀胱刺激、胰岛素定期注射等。

其中，线生理传感器要求指定其重要的生理参数的精度、低功耗信号处理的水平，并要求具备无线连接功能。

本实施方式中，所采用的传感器的参数要求如下：

血压传感器：

P-300型生理压力传感器为半导体压阻式传感器，具有灵敏度高、线性度好、结构坚固等优点，适用于测量血压和其它生理压力。

性能指标：

1．量程：-50～+300mmHg

2．使用温度：-10℃～+50℃

3．灵敏度：0.1mv/mmHg（标称值）

4.工作电压：直流6v～8v

5．绝缘电阻：≥50Mn/250v

6．过压极限：>600mmHg·

7．输出阻抗：2Kn

8．精度：

型号P-30OA P-300B

非线性≤1%≤05%

迟滞≤1%≤0.5%

零位漂移≤1％h≤0.5％h

9．外形尺寸：28x60mm

体表脉搏波传感器：

压阻式适用于心脏功能监测仪检测体表动脉搏动波形。可用于橈动脉、颞动脉、颈动脉、下肢动脉等不同部位浅表动脉的搏动波形测量，也可用于某些动物的肢体动脉搏动波的测量。

本产品具有灵敏度高、频率响应范围良好（脉搏波中含有较丰富的超低频成份，所以要求传感器应具有良好的超低频测量性能，本传感器的频率响应可从直流信号开始,因此所测得的波形比压电式，或高分子压电薄膜式传感器所得波形的保真度要好得多)、线性度好、体积小、耗电低、使用方便等特点。适合于与多种脉搏（脉象）测量仪配套使用。

主要技术指标：

量程：0～25g（克）满幅度输出：＞100mv/25克/5V(DC)

精度：＜1%

电源电压：5～9V(DC)（推荐使用5V(DC)）

输出阻抗：＜3KΩ

尺寸：44×16.5×8.5mm

心音传感器：

压电式适用于心脏功能监测仪检测心音及血管音。

本传感器已包容专用放大器于其壳体内,灵敏度很高，免接外部放大器,可直接与A/D变换器等环节相配。

本传感器采用了全隔离技术,具有良好的电器绝缘性能，抗干扰能力较强，使用方便坚固耐用，适合与多种测量仪配套使用。

主要技术指标：

灵敏度：＞6mv/Pa/9Vdc

频率范围:5～600Hz

电源电压：5～9Vdc（推荐使用5Vdc）

输出阻抗：＜3KΩ

尺寸A：Φ28×15mm(含配重外套)

尺寸B:Φ23×11mm(不含配重外套)

心电传感器；HKD-10B心电传感器

该传感器为输出单导二进制数字心电信号的心电采集模块。采用高精度运算放大器和我所特有的微弱信号调理电路，具有高精度输出、信噪比高等特点。广泛应用于心电监护、以及各类心电信号实时采集系统。

性能参数：

电源：＋／-5VDC

电流：＜6mA

量程：0-4mV

精度：5μV

频率：200Hz

波特率：9600。

血氧传感器：ELM-3001血氧传感器

性能参数：

精确度：±2%

工作电压：5V DC

工作温度：-55℃～70℃

量程：

特点：光电技术

典型应用：血氧探头,脉博血氧测试仪，手指或耳朵血氧探头血氧探头利用红光和近红光不同波长（660nm的红光）在光区域吸收光谱特性原理精制传感器，可实现无创、快速监测血氧浓度指标，其相关参数如表1所示。

表1

体温传感器：HKT-09B

HKT-09B数字体温传感器是采用负湿度系数热敏电阻为感温元件，通过放大电路、AD采样，将实时的体温数据转送到服务器。

性能参数：

电源：5V DC

数据刷新频率：1Hｚ、2Hｚ、4Hｚ

精度：0.1℃

最大分辨率：0.001摄氏度

尺寸：16mm*9mm。

微控制器模块，微控制器模块分别与无线生理传感器和第一无线收发模块相互通信，微控制器模块用于接收并预处理无线生理传感器发送来的生理信号（心电信号、体温、血压、血糖等的生理信号），并对该信号进行A/D转换，经预处理后，将A/D转换后的数据传输到第一Flash存储器，还依据来自外部处理单元2的控制信号控制无线生理传感器的运行。

在微控制器模块中进行的预处理过程为：

（1）对于任意一个无限生理传感器，在预定时间（一般可以是100ms～1000ms）内间隔的采集若干生理信号点（一般可以是5～20个）；

（2）对所有生理信号点利用设定的阈值删除异常点；

（3）对剩余的生理信号点取平均值后作为一个生理信号通过第一无线收发模块向外部处理单元2发送。

还包括一个外接在无线传感单元1上的第一Flash存储器，该第一Flash存储器用于存放传感数据，该第一Flash存储器带有一个与微控制器模块相互通信的第一Flash控制器，该第一Flash控制器用于控制第一Flash存储器。

第一无线收发模块与外部处理单元2中的第二无线收发模块相互通信，用于将经过预处理的生理信号发送至外部处理单元。

外部处理单元2包括：一个第二无线收发模块、一个串行总线、一个中央处理模块、一个网络接口、一个LCD显示器。

第二无线收发模块与第一无线收发模块相互通信，用于接收第一无线收发模块发送的生理信号，并将其通过串行总线传输给中央处理模块。

串行总线用于连接第二无线收发模块与中央处理模块，实现第二无线收发模块与中央处理模块之间的相互通信。

中央处理模块采用ARM中央处理器，用于接收来自第二无线收发模块的生理信号并通过LCD显示器显示，还用于将来自第二无线收发模块的生理信号转换为相应的控制信号并发送至微控制器模块。

网络接口用于外部处理单元1通过100M网络接口连接到Internet，以实现用户通过Web浏览器远程监控。

LCD显示器作为外部处理单元1的可选模块，用于实时显示无线生理传感器采集的生理状态信息。

外部处理单元2上外接一个存储单元3，该存储单元3包括ZBT SRAM存储器和第二Flash存储器，还包括一个ZBT SRAM控制器和一个第二Flash控制器。本系统采用外接的第二FLASH存储器存放无线生理传感器采集并通过无线发送到外部处理单元的生理信息，第二FLASH控制器提供与第二FLASH存储器的接口。

人体监测装置的存储单元采用ZBT（zero bus turn-around）SRAM存储器，并通过高效利用系统总线，进行随机读写，避免了读写状态之间的转换周期，消除了读写延迟，实际数据传输率得到显著提高。ZBT SRAM控制器的设计是系统中的关键部分，其性能直接影响到整个系统的性能。全新智能ZBT SRAM系列存储器，容量大，可根据用户系统的要求动态调整输出状态，它通过消除无效周期，提高了系统带宽，同时降低通信系统对系统计时的要求。

ZBT SRAM控制器解决ZBT SRAM与系统的中央处理模块、第二FLASH存储器数据通信中的总线竞争的问题。ZBT SRAM接口控制器主要由5个模块组成，如图3所示，分别是，接口电路传输层、流水线延时控制模块、地址控制输出模块、时钟输出控制模块、数据存储通道。接口电路传输层存储用户的输入，并输出信号；流水线延时控制模块根据ZBTSRAM存储器的工作模式为输出数据提供适合的延时时间；地址控制输出模块用于对地址和控制信号进行存储；数据存储通道用于对数据的存储提供双向控制。

如图3所示，ZBT SRAM的接口信号主要由时钟信号、控制总线、地址总线和数据总线等组成。其中，时钟信号clk_zbt是为ZBT SRAM实现包括读、写操作在内的各种操作提供驱动信号。控制总线主要由三种信号组成，we_n是读写信号控制、we_n=1允许读操作、we_n=0允许写操作。bw_n是同步字节写使能信号，每个字节都有自己有效的写使能低电平。ld_n是地址控制信号，ld_n=0时内部的寄存器加载新的地址，若在时钟的上升沿ld_n=1则内部地址计数器增加。地址总线addr为对ZBT SRAM读写操作存储器单元提供存储地址寻址信号，其位数由ZBT SRAM的存储容量决定；数据总线dq是ZBT SRAM在读写操作时与外部进行数据交换的通道。

外部处理单元采用B/S（Browser/Server）结构，这种结构通过将系统的核心功能部分集中到服务器上加以实现，简化了系统的开发、维护和使用，用户端无需安装任何客户端软件，只需具有一个普通的Web浏览器即可通过Internet访问人体监测装置。

设计的嵌入式Web服务器、CGI功能脚本、远程主机端WEB浏览器等系统各部分工作流程图如图2所示：

1．客户端(PC)通过Web浏览器登录嵌入式网络服务器。

2．嵌入式网络服务器的CGI读取HTML网页至其缓存。

3．CGI发送网页至客户端的Web浏览器。

4．CGI从Linux的Shell、嵌入式数据或驱动中读取参数。

5．CGI对读取的参数进行数据转换后，发给客户端的Web浏览器。

6．在客户端，嵌入于网页内的脚本程序(JavaScript、Python等)读取参数并给网页上对应位置的变量赋值，这样网页将在规定的位置显示参数，保证了网页显示的一致性。

7．客户端通过HTML表单发送新的参数至CGI。

8．CGI接收参数并调用应用程序，应用程序获取的参数是由CGI脚本通过嵌入式Linux系统的系统函数传输至嵌入式操作系统。

9.应用程序用CGI传来的参数调用驱动程序并最终控制无线生理传感器。

人体检测装置的工作流程如下：

1、人体监测装置软件

a、无线传感器单元驱动程序，无线通信协议栈。

b、外部处理单元嵌入式操作系统、驱动程序、人机界面、嵌入式数据库。

2、使用方法及工作流程

a、信息采集，无线传感器单元通过无线生理传感器采集血压、心跳等人体生理状态信息，并通过微控制模块将所述的状态信息进行预处理后，存入第一FLASH存储器，最后通过第一无线发射模块将数据传输到外部处理单元。

b、数据接收，外部处理单元的第二无线收发接收无线传感器单元1传输的数据，并通过串行总线将数据传输到中央处理模块。

c、数据处理，中央处理模块对数据进一步处理，最后存入Flash存储器。

d、B/S结构，外部处理单元2通过网络接口模块同因特网连接，用户通过浏览器登陆外部处理模块，在通过用户权限认证后，进入人体生理信息监测界面。

e、除了上述d中的方式，显示模块以动态方式实时显示人体的生理状态信息。

f、历史信息查询，除了显示实时状态信息，本监测装置还提供了历史数据的查询。

g、网络自愈，通过优化的无线通信协议栈，无线传感器单元实现了网络节点的故障检测和自动回复功能。

Claims (9)

1.一种可以进行远程监控的人体检测装置，包括无线传感单元、外部处理单元和存储单元，所述无线传感单元与外部处理单元之间通过第一通信总线相互通信，所述外部处理单元与存储单元之间通过第二通信总线相互通信，其特征在于，

所述无线传感单元包括：

无线生理传感器，用于采集人体的生理信号；

微控制器模块，用于接收并预处理所述生理信号，还用于依据来自外部处理单元的控制信号控制无线生理传感器的运行；

第一无线收发模块，用于将经过预处理的生理信号发送至外部处理单元；

所述外部处理单元包括：

第二无线收发模块，用于与第一无线收发模块相互通信；

中央处理模块，用于接收来自第二无线收发模块的生理信号并进行显示，还用于将来自第二无线收发模块的生理信号转换为相应的控制信号并发送至所述微控制器模块。

2.根据权利要求1所述的人体检测装置，其特征在于，所述存储单元包括ZBT SRAM存储器和第二Flash存储器。

3.根据权利要求1所述的人体检测装置，其特征在于，所述无线传感单元还包括一个与所述微控制器模块相互通信的第一Flash存储器，用于存放所述无线生理传感器采集的生理信号。

4.根据权利要求1所述的人体检测装置，其特征在于，所述无线生理传感器为温度传感器、血压传感器、心电信号传感器、血糖传感器中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的人体检测装置，其特征在于，所述无线生理传感器为穿戴式传感器

6.根据权利要求1所述的人体检测装置，其特征在于，所述无线生理传感器为植入式传感器。

7.根据权利要求1所述的人体检测装置，其特征在于，所述微控制器模块针对生理信号进行预处理时，包括：

对于任意一个无线生理传感器，在预定时间内间隔的采集若干生理信号点；

对所有生理信号点利用设定的阈值删除异常点；

对剩余的生理信号点取平均值后作为一个生理信号向外部处理单元发送。

8.根据权利要求7所述的人体检测装置，其特征在于，所述预定时间为100ms～1000ms。

9.根据权利要求7所述的人体检测装置，其特征在于，在预定间隔时间内间隔的采集5～20个生理信号点。

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