CN107088056A - 一种基于pvdf的生命体征传感器及远程网络体征*** - Google Patents
一种基于pvdf的生命体征传感器及远程网络体征*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于PVDF的生命体征传感器及远程网络体征***。该生命体征传感器包括信息盒与PVDF压电薄膜带，以及用于封装PVDF压电薄膜带的外壳，信息盒包括依次连接的滤波整形模块、运算控制单元、通信模块，运算控制单元包括信号处理模块以及均与信号处理模块连接的扩展接口和输出接口。本体征传感器无需护理人员协助、无束缚且适合长时间测量，只需将传感器中任何一只PVDF压电薄膜与用户身体接触或间接接触，用户依靠身体自重或肢体压力将身体的体震压力变化传递至传感器，即可实时监测用户的生命体征数据信息，不影响用户的正常作息规律，适合于长期对用户体征数据信息进行监测，从而总结用户生命体征数据信息规律和趋势，起到健康预警和预防的作用。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种基于PVDF的生命体征传感器及远程网络体征***。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，各类便携式、可穿戴式智能设备陆续进入人们的视野，加之大数据、人工智能领域的快速发展，人们对于更舒适自由、可预判的未来寄予了更为迫切的希望。在这样的需求环境下，我们发现传统的生命体征(主要指呼吸、心率)测量方法具有以下三个缺点：
1.测量过程繁琐复杂，需要护理人员协助完成，消耗大量护理资源；
2.测量需要束缚用户，用户体验差；
3.测量需要束缚用户且测量过程繁琐，导致不能长时间作用于用户实时监测体征数据信息，数据量小，不能形成大数据，以分析和预判健康状态。
由此可见，传统的生命体征测量方法已不能满足护理人员和用户的需求，且不符合大数据、云智慧等科学技术的发展要求，故一种新颖的生命体征检测方法亟待被实现。
发明内容
针对目前产品存在的以上不足，本发明提供一种无需护理人员协助、无束缚且适合长时间测量的体征传感器，该体征传感器的测量方法只需用户将该传感器置于胸腔或后背等随呼吸、心率体震较强的部位对应的垫子上，即可实时监测用户的生命体征数据信息，不影响用户的正常作息规律，适合于长期对用户体征数据信息进行监测，从而总结用户生命体征数据信息规律和趋势，起到健康预警和预防的作用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于PVDF的生命体征传感器，包括PVDF压电薄膜带和控制盒，以及用于封装PVDF压电薄膜带的外壳，所述PVDF压电薄膜带包括多个并联的PVDF压电薄膜或多个分布式独立的PVDF压电薄膜，所述PVDF压电薄膜带的正负电极分别和控制盒的正负电极连接，所述控制盒包括依次连接的滤波整形模块、运算控制单元、通信模块，所述运算控制单元包括信号处理模块以及均连接所述信号处理模块的扩展接口和输出接口，所述输出接口连接所述通信模块。
本发明的有益效果是：采用高分子PVDF压电材料测量体表的压力和震动变化，不需要束缚用户，适合长期测量，该生命体征传感器的测量方法只需用户将传感器置于胸腔或后背等随呼吸、心率体震较强身体部位对应的垫子上，即可实时监测用户的生命体征信号，不影响用户的正常作息规律，适合于长期对用户体征信号进行监测，从而总结用户生命体征信号规律和趋势，起到健康预警和预防的作用。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述滤波整形模块包括依次连接的减法电路、积分电路、电压跟随电路和放大电路。
进一步，所所述减法电路包括运放U5B，连接在所述运放U5B反向输入端和输出端的并联电阻R19、电容C16，连接在所述运放U5B正向输入端的输入电阻R21，以及连接在所述运放U5B输出端的电阻R20；所述运放U5B反向输入端连接所述PVDF压电薄膜带采集的原始信号；
所述积分电路包括运放U5C，所述运放U5C的反向输入端和输出端相连接；连接在所述运放U5C正向输入端的串联输入电阻R22、电容C20，连接在所述运放U5C正向输入端的接地电容C25，以及连接在所述运放U5C输出端的输出电阻R24；
所述电压跟随电路包括运放U5D，所述运放U5D的反向输入端和输出端相连接；分别连接在所述运放U5D反向输入端的电容C33和正向输入端的电阻R25；所述电容C33和电阻R25连接，以及连接在所述运放U5D输出端的电容C35；
所述放大电路包括运放U5A，所述运放U5A的正向输入端接地，连接在所述运放U5A反向输入端和输出端的电阻R27，连接在所述运放U5A反向输入端的接地滑动变阻器Rx，以及连接在所述运放U5A输出端的接地电容C46，所述运放U5A连接电压VCC。
进一步，所述通信模块包括蓝牙通信模块、zigbee通信模块、wifi通信模块、4g通信模块和5g通信模块中的一种或多种。
采用上述进一步方案的有益效果是，能和具有不同通信方式的终端进行连接，满足客户的需求。
进一步，所述扩展接口连接扩展模块。
采用上述进一步方案的有益效果是：能根据需求相应的扩展功能，满足客户的需求。
进一步，所述扩展模块包括存储模块、交互模块、电池电源管理模块中的一种或多种。
采用上述进一步方案的有益效果是：存储模块用于通信模块离线时，将体征数据信息保存到本地，当通信模块在线时，将本地数据同步到用户端；交互模块用于与用户交互，对体征传感器相关参数进行设置；电池电源管理模块用于对电池进行充电管理。
进一步，所述信号处理模块包括AD转换器。
采用上述进一步方案的有益效果是：能进行高速采样，获取成离散的数字值，便于变换到频域。
另外，本发明还提供了一种远程网络体征***，包括上述生命体征传感器，数据处理中心及用户终端，所述生命体征传感器，数据处理中心及用户终端依次连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：生命体征传感器将用户长期的体征数据信息通过通信模块传递至数据处理中心，数据处理中心对用户的数据进行储存并分析数据信息，提取用户身体健康状态，进而根据健康状态为用户定制生活、饮食、运动等计划，并及时的推送至用户端。
进一步，所述用户终端包括手机、电脑或平板电脑。
附图说明
图1为本发明的体征传感器组成框图；
图2为本发明的体征传感器组成框图；
图3为本发明的征传感器控制盒组成框图；
图4为本发明的滤波整形模块原理图；
图5为本发明的网络体征***框图；
图6为本发明的体征传感器应用示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1、图2所示，本发明的体征传感器主要由控制盒、PVDF压电薄膜带组成，信息盒主要通过硬件和软件算法对PVDF压电薄膜带采集的信号进行处理，进而获得生命体征数据，并将体征数据保存到本地或向外传递；其中PVDF压电薄膜带根据应用需求，可由多个PVDF压电薄膜并联或分布式独立，分布式独立连接模式，由于可独立测量每个点的压力变化，进而可将PVDF压电薄膜按矩阵式排列并根据每个点受力情况，判断出用户的体动、翻身及睡眠姿态等信息，PVDF压电薄膜带的正负电极分别和控制盒的正负电极连接。PVDF压电薄膜是一种柔性材料，且厚度薄，由其组成的PVDF压电薄膜带具有柔韧度高、可曲饶、厚度薄的特性，使得用户依靠自重或肢体压力与PVDF压电薄膜带保持身体接触或间接接触时，不会给用户带来不适感，进一步的，当PVDF压电薄膜与用户身体间接接触时，传递介质对信号的衰减可通过对信息盒软硬件进行补偿调整来获得同样幅值的信号；同时，PVDF压电薄膜具有响应速度快、灵敏度高和线性度好的优良特性，在感受到用户呼吸、心率体震压力变化时，会线性的产生电荷信号变化，该变化通过正负电极传递至控制盒，经过硬件电路和软件算法处理，即可得到相关体征数据信息。
外壳用于封装PVDF压电薄膜带，材料应具有防水、防尘、可曲绕、摩擦噪音小等特性，以满足稳定性、低噪声、易使用、与用户身体接触的舒适性等要求。
如图3所示，该体征传感器的控制盒包括滤波整形模块、运算控制单元、通信模块以及扩展模块组成，其中运算控制单元包括信号处理模块、输出接口以及扩展接口，其体征数据信息获取流程：PVDF压电薄膜获取体征数据信息，其中叠加有较多的噪声信号，通过滤波整形模块进行滤波及整形后传递至运算控制单元，运算控制单元调用信号处理模块通过FFT算法将体征数据信息由时域变换到频域，并从中筛选出有用信号，并进一步转换为体征数据信息，通过输出接口发送至通信模块，供用户获取，通信模块输出通信方式主要包括蓝牙、zigbee、wifi、4g及5g等通信方式，扩展接口预留用于扩展开发用户需求的扩展模块，比如存储模块、交互模块、电池电源管理模块等，存储模块用于通信模块离线时，将体征数据信息保存到本地，当通信模块在线时，将本地数据同步到用户端；交互模块用于与用户交互，对体征传感器相关参数进行设置；电池电源管理模块用于对电池进行充电管理。
生命体征传感器主要由软件和硬件两部分组成，其中硬件部分主要包括PVDF压电薄膜及滤波整形模块。本发明采用的压电薄膜PVDF(Polyvinylidene fluoride,聚偏氟乙烯)压电材料具有独特的压电效应,是一种新型的高分子多功能材料，压电效应具有灵敏度和分辨率高的特点，适合于本方案用于微弱体征数据信息的采集。
如图4所示，为本发明滤波整形模块原理图，该模块主要包括依次连接的减法电路、积分电路、电压跟随电路和放大电路：
减法电路包括运放U5B，连接在运放U5B反向输入端和输出端的并联电阻R19、电容C16，连接在运放U5B正向输入端的输入电阻R21，以及连接在运放U5B输出端的电阻R20；运放U5B反向输入端连接所述PVDF压电薄膜带采集的原始信号；PVDF压电薄膜采集的原始信号首先传递至本运放单元，该运放搭建的是一个，其作用是将原始信号Vsensor的直流电平太高1/2*VCC，使得U5B的输出信号为1/2*VCC+Vsensor。这样处理的目的是将原始信号全部变成正极性电平，以用于运算控制单元的AD转换器识别和采集；
积分电路包括运放U5C，连接运放U5C的反向输入端和输出端；连接在运放U5C正向输入端的串联输入电阻R22、电容C20，连接在运放U5C正向输入端的接地电容C25，以及连接在运放U5C输出端的输出电阻R24；其作用是使其输入信号为常量时，使其输出端回归至1/2*VCC电平。这样处理的目的是滤除掉原始信号中的直流分量，只允许原始信号中的交流分量通过；
电压跟随电路包括运放U5D，连接运放U5D的反向输入端和输出端；分别连接在运放U5D反向输入端的电容C33和正向输入端的电阻R25；电容C33和电阻R25连接，以及连接在运放U5D输出端的电容C35；其作用是对信号进行阻抗匹配，增大其输入阻抗，降低其输出阻抗；
放大电路包括运放U5A，运放U5A的正向输入端接地，连接在运放U5A反向输入端和输出端的电阻R27，连接在运放U5A反向输入端的接地滑动变阻器Rx，以及连接在运放U5A输出端的接地电容C46，运放U5A连接电压VCC，其作用是通过调节Rx实现对信号放大幅度进行调节，以保证信号始终处于0-VCC之间，避免信号失真。进一步的，当用户身体与PVDF压电薄膜带为间接接触时，Rx为数字可调电位器，可通过软件对Rx进行调整，以补偿传递介质导致的信号衰减。
本发明软件部分主要采用FFT算法即快速傅里叶变换，过程是将经过滤波整形模块处理后的时域信号通过AD转换器获取成离散的数字值，并变换到频域。其运算过程如下：
通过AD转换器，按照采样频率F采集信号，采集N个点，为了方便进行FFT运算，N取2的整数次方；
采样点数为N，FFT变换之后结果就是一个N点的复数，每一个点就对应着一个频率点(以基波频率为单位递增)，这个点的模值(sqrt(实部2+虚部2))就是该频点频率值下的幅度特性；
基波频率，也叫频率分辨率，如果我们按照F的采样频率去采集一个信号，一共采集N个点，那么基波频率(频率分辨率)就是fk＝F/N；
按照以上流程，本方案采样频率F＝100HZ，采样点N＝4096，那么基波频率fk＝0.0244140625HZ，按此参数对采集的用户原始信号进行FFT变换后，在体征参数的极限频率范围内获取幅度最大的值，即可将该最大幅值对应点的频率作为该体征的输出参数。比如：人体心率最大极限值一般为250次/分，转换为频率为Fb＝4.16HZ，那么对应到FFT变换输出结果的最大点为Fb/fk＝170，故只需轮询FFT变换结果的0-170点中对应的最大幅值对应的点在乘以fk，即可得出当前用户的心率值。
如图5所示，本发明还将该生命体征传感器通过通信模块与互联网、物联网技术结合，构建一个远程的网络体征***，其主要包括生命体征传感器、数据处理中心及用户端三部分，生命体征传感器将用户长期的体征数据信息通过通信模块传递至数据处理中心，数据处理中心对用户的数据进行储存并分析数据信息，提取用户身体健康状态，进而根据健康状态为用户定制生活、饮食、运动等计划，并及时的推送至用户端。
如图6所示，为本发明的体征传感器应用示意图，在进行体征数据信息测量时，首先需将传感器的PVDF压电薄膜带置于用户体震较强身体部位(比如：胸腔或后背等部位)对应垫子位置的上面或下面，然后启动传感器控制盒，用户只需保证一定的压力靠压于传感器上，保证传感器压电薄膜带可有效接受用户身体的体震压力变化，无需再用户身体绑定任何额外的附件，PVDF压电薄膜即可将体震压力变化，转换为电荷信号变化，传递至控制盒处理得到体征数据信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于PVDF的生命体征传感器，其特征在于，包括PVDF压电薄膜带和控制盒，以及用于封装PVDF压电薄膜带的外壳，所述PVDF压电薄膜带包括多个并联的PVDF压电薄膜或多个分布式独立的PVDF压电薄膜，所述PVDF压电薄膜带的正负电极分别和控制盒的正负电极连接，所述控制盒包括依次连接的滤波整形模块、运算控制单元、通信模块，所述运算控制单元包括信号处理模块以及均连接所述信号处理模块的扩展接口和输出接口，所述输出接口连接所述通信模块。
2.根据权利要求1所述的基于PVDF的生命体征传感器，其特征在于，所述滤波整形模块包括依次连接的减法电路、积分电路、电压跟随电路和放大电路。
3.根据权利要求2所述的基于PVDF的生命体征传感器，其特征在于，所述减法电路包括运放U5B，连接在所述运放U5B反向输入端和输出端的并联电阻R19、电容C16，连接在所述运放U5B正向输入端的输入电阻R21，以及连接在所述运放U5B输出端的电阻R20；所述运放U5B反向输入端连接所述PVDF压电薄膜带采集的原始信号；
所述积分电路包括运放U5C，所述运放U5C的反向输入端和输出端相连接；连接在所述运放U5C正向输入端的串联输入电阻R22、电容C20，连接在所述运放U5C正向输入端的接地电容C25，以及连接在所述运放U5C输出端的输出电阻R24；
所述电压跟随电路包括运放U5D，所述运放U5D的反向输入端和输出端相连接；分别连接在所述运放U5D反向输入端的电容C33和正向输入端的电阻R25；所述电容C33和电阻R25连接，以及连接在所述运放U5D输出端的电容C35；
所述放大电路包括运放U5A，所述运放U5A的正向输入端接地，连接在所述运放U5A反向输入端和输出端的电阻R27，连接在所述运放U5A反向输入端的接地滑动变阻器Rx，以及连接在所述运放U5A输出端的接地电容C46，所述运放U5A连接电压VCC。
4.根据权利要求1所述的基于PVDF的生命体征传感器，其特征在于，所述通信模块包括蓝牙通信模块、zigbee通信模块、wifi通信模块、4g通信模块和5g通信模块中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的基于PVDF的生命体征传感器，其特征在于，所述扩展接口连接扩展模块。
6.根据权利要求5所述的基于PVDF的生命体征传感器，其特征在于，所述扩展模块包括存储模块、交互模块和电池电源管理模块中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的基于PVDF的生命体征传感器，其特征在于，所述信号处理模块包括AD转换器。
8.一种远程网络体征***，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的生命体征传感器，数据处理中心及用户终端，所述生命体征传感器，数据处理中心及用户终端依次连接。
9.根据权利要求8所述的远程网络体征***，其特征在于，所述用户终端包括手机、电脑或平板电脑。
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- 2017-04-28 CN CN201710297318.4A patent/CN107088056A/zh active Pending
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