一種基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生命安全、生物醫(yī)學(xué)工程以及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備及其檢測方法。本發(fā)明通過檢測呼吸狀態(tài)，即用戶事先把正常呼吸、急促呼吸和屏息三種呼吸狀態(tài)進(jìn)行n≥1個呼吸狀態(tài)的排列組合，設(shè)定成一種特定呼吸狀態(tài)順序。當(dāng)用戶遇到緊急情況就按照這種事先設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)改變自身呼吸狀況，進(jìn)而使設(shè)備產(chǎn)生和發(fā)送報警求助信號。本發(fā)明裝置通過檢測用戶的呼吸過程中是否出現(xiàn)設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)從而明確用戶是否處于緊急狀況。本發(fā)明的設(shè)備具有隱蔽、誤報率低、安全有效的緊急求助、減少使用者緊急狀況下負(fù)面情緒和求助條件的可控性設(shè)定等優(yōu)點。
【專利說明】
-種基于呼吸信號的自動報譬求助設(shè)備及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于生命安全、生物醫(yī)學(xué)工程W及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于呼 吸信號的自動報警求助設(shè)備及其檢測方法。 技術(shù)背景
[0002] 隨著社會的進(jìn)步人們所處的治安環(huán)境狀況越來越好，但是一些惡劣事件還是偶有 發(fā)生，例如兒童被拐、夜跑女性被劫殺等。如果在運(yùn)些事件中被害人可W及時地、隱蔽地報 警，那么很多惡性事件都可W被及時地中止。
[0003] 雖然說市面上已經(jīng)有一些能夠起到緊急報警作用的設(shè)備。例如，名稱為"一種緊急 報警器"的實用新型專利(授權(quán)公告號CN 204440608 U)。當(dāng)用戶遇到危險時可W通過其上 面的按鍵發(fā)送緊急呼救信號。又如，名稱為"一種SOS按鍵結(jié)構(gòu)及其老人手機(jī)"的實用新型專 利(授權(quán)公告號CN 202617219 U)。當(dāng)老年人遇到危險時可W通過其上面的緊急按鍵進(jìn)行發(fā) 送SOS信號。但是運(yùn)些報警設(shè)備都需要用戶去按某個或者某些特殊按鍵。運(yùn)種方式既不夠隱 蔽，當(dāng)遇到歹徒時做出運(yùn)些特殊動作有可能會激怒歹徒使得事件更加惡化;運(yùn)種方式又不 夠安全有效，當(dāng)被害人處于被綁等嚴(yán)重限制自身活動的狀況下，很難有效的觸發(fā)運(yùn)些設(shè)備 的報警功能，并且由于用戶在移動狀態(tài)下，可能會觸碰到，從而出現(xiàn)誤報的情況。
[0004] 因此開發(fā)一種隱蔽、不誤報和安全有效的緊急求助和報警的設(shè)備和方法具有重要 的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問題，提供了一種基于呼吸信號的自動報警求 助設(shè)備及其檢測方法。圖1、圖2示出了本發(fā)明的設(shè)備及其檢測方法示意圖。
[0006] -種基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備，包括電源模塊、呼吸信號采集模塊、馬達(dá) 微振動模塊、GPS模塊、無線藍(lán)牙模塊、GSM模塊和MCU中央處理模塊；
[0007] 所述電源模塊包含裡電池、電壓轉(zhuǎn)換電路和充放電管理保護(hù)電路;為整個設(shè)備提 供電源保護(hù)功能和所需的各種工作電壓；
[000引裡電池為整個設(shè)備提供能源;充放電管理保護(hù)電路用來管理和保護(hù)裡電池充放電 過程，防止過壓、過流和欠壓現(xiàn)象損壞裡電池工作性能；電壓轉(zhuǎn)換電路用來把裡電池提供的 電壓轉(zhuǎn)換成工作電壓W供給其他的模塊使用；
[0009] 所述呼吸信號采集模塊用于采集用戶的呼吸信號并把呼吸信號數(shù)據(jù)輸送至MCU中 央處理模塊.
[0010] 所述馬達(dá)微振動模塊給予用戶觸覺反饋的作用；當(dāng)設(shè)備檢測到用戶做出設(shè)定的特 定呼吸狀態(tài)時或設(shè)備成功報警時，由MCU中央處理模塊控制馬達(dá)微振動模塊進(jìn)行一連串的 振動從而提醒用戶設(shè)備已經(jīng)檢測到或完成用戶的要求；
[0011] 所述GPS模塊為設(shè)備提供用戶的地理位置；當(dāng)設(shè)備檢測到用戶做出特定呼吸狀態(tài) 時，MCU中央處理模塊打開GI^模塊，GPS模塊實時監(jiān)測用戶的地理位置，并將其傳給MCU中央 處理模塊；
[0012]所述無線藍(lán)牙模塊用于用戶通過外部的智能手機(jī)或者電腦與MCU中央處理模塊進(jìn) 行通信；
[0013]所述GSM模塊插有電話卡用于撥打110、親友號碼和發(fā)送MCU中央處理模塊提供的 實時地理位置信息，并在撥打電話完成后反饋一個信息至MCU中央處理模塊；
[0014] 所述MCU中央處理模塊控制除開電源模塊外的各個模塊，通過無線藍(lán)牙模塊與手 機(jī)或電腦通信并使其進(jìn)行特定呼吸狀態(tài)和親友號碼的設(shè)定，并且對接收到的呼吸信號數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理、分析，并確認(rèn)呼吸信號是否為設(shè)定的特定呼吸狀態(tài);是則通過GSM模塊撥打求助 電話，并同時打開GPS模塊，實時地監(jiān)測用戶的地理位置，并通過GSM模塊持續(xù)發(fā)出；求助完 成后MCU中央處理模塊接收GSM模塊的反饋信息，然后控制馬達(dá)微振動模塊給予用戶觸覺反 饋;否則繼續(xù)監(jiān)測呼吸信號。
[0015] 所述特定呼吸狀態(tài)為n>l個呼吸狀態(tài)進(jìn)行排列組合;呼吸狀態(tài)為:正常呼吸、急促 呼吸或屏息，每個呼吸狀態(tài)中均包括次數(shù)和時間，且通過事先設(shè)定。
[0016] 所述電壓轉(zhuǎn)換電路為+3.3V&+1.8V生成電路。
[0017] 所述呼吸信號采集模塊包括呼吸信號傳感器、高頻電流信號產(chǎn)生電路、電壓-電阻 轉(zhuǎn)換電路W及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路;高頻電流信號產(chǎn)生電路通過呼吸信號傳感器向人體注入高 頻電流信號，同時呼吸信號傳感器測量人體的電壓，通過電壓-電阻轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成胸 腔阻抗值，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將胸腔阻抗值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸送至MCU中央處理模塊。
[0018] 上述基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備的檢測方法，包括W下步驟：
[0019] 步驟1、基于先驗信息或快速傅里葉變換FFT明確需要檢測的呼吸信號當(dāng)中是否含 有直流成分；
[0020] 所述先驗信息是指根據(jù)呼吸信號測量方法來明確所需檢測的呼吸信號是否帶有 直流成分；
[0021] 所述快速傅里葉變換是指對信號進(jìn)行時域到頻域的轉(zhuǎn)換然后分析OHz成分的大小 從而明確所需檢測的呼吸信號是否帶有直流成分；
[0022] 步驟2、通過闊值算法或特征算法把需要檢測的呼吸信號轉(zhuǎn)換成只含有-1,1兩種 值的方波信號;對于不含有直流成分的呼吸信號首選闊值算法作為轉(zhuǎn)換方法，對于含有直 流成分的呼吸信號首選特征算法作為轉(zhuǎn)換方法；
[0023] 所述闊值算法是指:將所需檢測的呼吸信號中的每點按照特殊映射fi(n)進(jìn)行闊 值比較從而得到一組與輸入數(shù)據(jù)等長的只含有-1，1兩種值的方波信號;如果某點數(shù)值大于 X值，fi(n)設(shè)為1;如果某點數(shù)值小于-X值，fi(n)設(shè)為-1;如果某點數(shù)值處于-X和X之間時，fi (η)保持fi(n-l)的值；
[0024]
[0025] 其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點；x(n)為所需檢測的呼吸信號中η點的值;fi (n-1)為n-1點的方波信號值;X值大小取決于先驗信息、數(shù)值可調(diào);fi(n)為本步驟輸出的方 波信號；
[0026] 所述特征算法是指:首先，尋找所需檢測的呼吸信號中的極大值和極小值;具體如 下：
[0027]①將所需檢測的呼吸信號中的每點與其下一點做差，得一組差值數(shù)據(jù)diffi(n); [002引 diffi(n)=x(n+：L)-x(n)(n = 0，l，...）
[0029] 其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點；n+1為所需檢測的呼吸信號中η點的下一 點;x(n)為所需檢測的呼吸信號中η點的值;χ(η+υ為所需檢測的呼吸信號中η+1點的值;diffl (η)為輸出的差值數(shù)據(jù)；
[0030] ②尋找diffi(n)數(shù)據(jù)中符合diffi(n) >0且diffi(n-l )《0或diffl(n)《0且diffl (n-l)>0條件的點;運(yùn)些點即為所需找的呼吸信號中的極大值和極小值；
[0031] 然后，對信號中的所有極值點進(jìn)行分析;具體過程如下：
[0032] ①將每個極點與其下一個極點做差，得一組差值數(shù)據(jù)diff2(m);
[0033] diff2(m) =x(m+i)-x(m)
[0034] 其中，m為呼吸信號中某極值點坐標(biāo);m+1為m點后下一個極值點坐標(biāo);x(m)為所需檢 測的呼吸信號中極值點m對應(yīng)的值；x(m+i)為所需檢測的呼吸信號中極值點m+1對應(yīng)的值； diff2(m)為輸出的差值數(shù)據(jù)；
[0035] ②對diff2(m)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將所需檢測的呼吸信號中的每點按照特殊映射f2(n) 進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而得到一組與輸入數(shù)據(jù)等長的只含有-1，1兩種值的方波信號；如果diff2(m)值 大于D且極值點m和極值點m+1的時間間隔大于T，則把極值點m和極值點m+1之內(nèi)的所有f2 (η)設(shè)為1;如果diff2(m)值小于-D且極值點m和極值點m+1的時間間隔大于T，則把極值點m 和極值點m+1之內(nèi)的所有f2(n)設(shè)為-1;其余的f2(n)保持上一個f2(n-l)的值；
[0036]
[0037] 其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點，m為呼吸信號中某極值點坐標(biāo)，m+1為m點后 下一個極值點坐標(biāo)，dif f 2(m)為極值點m對應(yīng)的差值數(shù)據(jù)，U為極值點m對應(yīng)的時刻，tm+i為極 值點m+1對應(yīng)的時刻;D值大小取決于先驗信息、數(shù)值可調(diào)；0.0<Τ《1.5秒，取決于先驗信 息;f 2 (η)為本步驟輸出的方波信號；
[0038] 步驟3、通過跳變點提取算法尋找出步驟2產(chǎn)生的方波信號中的跳變點并把運(yùn)些點 構(gòu)成跳變點序列；
[0039] 所述的跳變點提取算法是指：
[0040] ①將步驟2產(chǎn)生的方波信號中每點與其下一點做差，得一組差值信號diff3(n)
[0041 ] di掛(η) = y(n+：L)-y(n)(n = 0,1，...）
[0042] 其中，η為所需檢測的方波信號中某點，yw為所需檢測的方波信號中η點的值， Κη+υ為所需檢測的方波信號中n+1點的值，diff3(n)為輸出的差值數(shù)據(jù)；
[0043] ②對diff3(n)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；當(dāng)diff3(n)不為0時，則代表方波信號在η點處發(fā)生跳 變，即η點和n+1點為所要尋找的跳變點從而加入跳變點序列；當(dāng)diff3(n)為0時，則代表方 波信號在η點處沒有發(fā)生跳變，即η點和n+1點不為所要尋找的跳變點從而不加入跳變點序 列；
[0044] 步驟4、計算步驟3中跳變點序列中相鄰兩點之間的時間間隔，然后去除那些間隔 為一個采樣周期的間隔，將剩余的時間間隔按序構(gòu)成時間間隔序列；
[0045] 步驟5、將步驟4中所得的時間間隔序列進(jìn)行特殊映射f3(n)得到一組由0，1，2Ξ種 值構(gòu)成的序列;如果步驟4中所得的時間間隔序列中某點對應(yīng)的時間間隔小于To,則把f3(n) 設(shè)為1;如果步驟4中所得的時間間隔序列中某點對應(yīng)的時間間隔大于Ti，則把f3(n)設(shè)為2; 其余f3(n)設(shè)為0:
[0046]
[0047] 其中，η為步驟4中產(chǎn)生的時間間隔序列中的某個點，t(n)為η點所對應(yīng)的時間間隔， 0<1'〇《1.5秒，其值大小取決于先驗信息，3秒<。，其值大小取決于先驗信息龍(11)為輸出 的由0，1，2Ξ種值構(gòu)成的序列；
[004引步驟6、判斷步驟5中所得的序列中是否含有0、1和2按照特定順序構(gòu)成的組合，即 符合設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)符合時MCU中央處理模塊控制馬達(dá)微震動模塊給予用戶 第一次觸覺反饋，認(rèn)為用戶處于緊急狀況需要進(jìn)行報警求助，并執(zhí)行報警求助，同時MCU中 央處理模塊打開GPS模塊，通過GI^模塊實時監(jiān)測用戶位置信息；當(dāng)不符合時，即認(rèn)為用戶處 于正常狀態(tài)，保持監(jiān)測；
[0049] 步驟7、報警求助執(zhí)行后，即接收到GSM模塊的反饋信息后，MCU中央處理模塊控制 馬達(dá)微震動模塊給予用戶第二次觸覺反饋，并且MCU中央處理模塊實時地把GPS模塊得到的 用戶位置信息通過GSM模塊持續(xù)發(fā)送到用戶親友手機(jī)上。
[0050] 所述報警求助是指MCU中央處理模塊通過GSM模塊撥打110和親友號碼。
[0051] 本發(fā)明通過檢測人為主動產(chǎn)生的呼吸變化，即用戶事先把正常呼吸(包括正常呼 吸的次數(shù)和時間）、急促呼吸(包括急促呼吸的次數(shù)和時間）和屏息（包括屏息的次數(shù)和時 間）Ξ種呼吸狀態(tài)進(jìn)行n>l個呼吸狀態(tài)的排列組合，并設(shè)定成一種特定呼吸狀態(tài)。當(dāng)用戶遇 到緊急情況就按照運(yùn)種事先設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)改變自身呼吸狀況，進(jìn)而使設(shè)備產(chǎn)生和發(fā) 送報警求助信號。本發(fā)明裝置通過檢測用戶的呼吸過程中是否出現(xiàn)運(yùn)種設(shè)定的特定呼吸狀 態(tài)從而明確用戶是否處于緊急狀況。實現(xiàn)了誤報率低至不誤報的可調(diào)控，求助方式隱蔽并 且安全有效。并且當(dāng)檢測到特定呼吸狀態(tài)和報警求助完成時，設(shè)備給予用戶觸覺反饋從而 減少使用者緊急狀況下負(fù)面情緒。
[0052] 正常成年人每次呼吸時間在3 - 6秒（吸氣時間不小于1.5秒、呼氣時間不小于1.5 秒），換而言之正常人每次正常呼吸都會產(chǎn)生一個時長為3-6秒的帶有波動的呼吸信號。另 夕h當(dāng)人主動急促呼吸時可W產(chǎn)生一個時長小于3秒(一般為1秒左右）的帶有波動的呼吸信 號，而當(dāng)人主動屏息時可W產(chǎn)生數(shù)秒甚至數(shù)十秒的幾乎沒有波動的呼吸信號。
[0053] 綜上所述，本發(fā)明的設(shè)備實現(xiàn)了求助隱蔽、誤報率低、安全有效的緊急求助、減少 使用者緊急狀況下負(fù)面情緒和求助條件的可控性設(shè)定。
【附圖說明】
[0054] 圖1為本發(fā)明的檢測方法示意圖；
[0055] 圖2為本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0056] 圖3為實施例設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)示意圖；
[0057] 圖4為帶有特定呼吸狀態(tài)順序的使用闊值算法的結(jié)果圖；
[0058] 圖5為不帶有特定呼吸狀態(tài)順序的使用闊值算法的結(jié)果圖；
[0059] 圖6為帶有特定呼吸狀態(tài)順序的使用特征算法的結(jié)果圖；
[0060] 圖7為不帶有特定呼吸狀態(tài)順序的使用特征算法的結(jié)果圖。 具體實施方案
[0061] 下面結(jié)合附圖和具體的實施對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。
[0062] 選用電壓轉(zhuǎn)換電路為+3.3V&+1.8V生成電路。圖3為本實施例設(shè)定的特定呼吸狀態(tài) 示意圖，事先設(shè)定急促呼吸3次然后緊接著屏息4秒W上作為特定呼吸狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)用戶出 現(xiàn)急促呼吸3次然后屏息4秒W上的現(xiàn)象即認(rèn)為用戶處于緊急狀況從而幫助用戶報警求助。
[0063] 對于圖3所示的特定呼吸狀態(tài)，上述基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備的檢測方 法，包括W下步驟：
[0064] 步驟1、基于先驗信息或快速傅里葉變換FFT明確需要檢測的呼吸信號當(dāng)中是否含 有直流成分；
[0065] 所述先驗信息是指根據(jù)呼吸信號測量方法來明確所需檢測的呼吸信號是否帶有 直流成分；
[0066] 所述快速傅里葉變換是指對信號進(jìn)行時域到頻域的轉(zhuǎn)換然后分析OHz成分的大小 從而明確所需檢測的呼吸信號是否帶有直流成分；
[0067] 步驟2、通過闊值算法或特征算法把需要檢測的呼吸信號轉(zhuǎn)換成只含有-1,1兩種 值的方波信號;對于不含有直流成分的呼吸信號首選闊值算法作為轉(zhuǎn)換方法，對于含有直 流成分的呼吸信號首選特征算法作為轉(zhuǎn)換方法；
[0068] 所述的闊值算法是指:將所需檢測的呼吸信號中的每點按照特殊映射fi(n)進(jìn)行 闊值比較從而得到一組與輸入數(shù)據(jù)等長的只含有-1，1兩種值的方波信號;如果某點數(shù)值大 于X值，fi(n)設(shè)為1;如果某點數(shù)值小于-X值，fi(n)設(shè)為-1;如果某點數(shù)值處于-X和X之間時， 。(11)保持^]1-1)的值；
[0069]
[0070] 其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點；x(n)為所需檢測的呼吸信號中η點的值;fi (n-1)為n-1點的方波信號值;X值取0.00005;fi(n)為本步驟輸出的方波信號；
[0071 ]所述的特征算法是指:首先，尋找所需檢測的呼吸信號中的極大值和極小值;具體 過程如下：
[0072] ①將所需檢測的呼吸信號中的每點與其下一點做差，得一組差值數(shù)據(jù)diffi(n);
[0073] diffi(n)=x(n+：L)-x(n)(n = 0，l，...）
[0074] 其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點；n+1為所需檢測的呼吸信號中η點的下一 點;x(n)為所需檢測的呼吸信號中η點的值;χ(η+υ為所需檢測的呼吸信號中η+1點的值;diffi (η)為輸出的差值數(shù)據(jù)；
[00巧]②尋找diffi(n)數(shù)據(jù)中符合diffi(n) >0且diffi(n-l )《0或diffl(n)《0且diffl (n-l)>0條件的點;運(yùn)些點即為所需找的呼吸信號中的極大值和極小值；
[0076]然后，對信號中的所有極值點進(jìn)行分析;具體過程如下：
[0077]①將每個極點與其下一個極點做差，得一組差值數(shù)據(jù)diff2(m);
[007引 diff2(m) =X(m+l)-X(m)
[0079] 其中，m為呼吸信號中某極值點坐標(biāo);m+1為m點后下一個極值點坐標(biāo);x(m)為所需檢 測的呼吸信號中極值點m對應(yīng)的值；x(m+i)為所需檢測的呼吸信號中極值點m+1對應(yīng)的值； diff2(m)為輸出的差值數(shù)據(jù)；
[0080] ②對diff2(m)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將所需檢測的呼吸信號中的每點按照特殊映射f2(n) 進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而得到一組與輸入數(shù)據(jù)等長的只含有-1，1兩種值的方波信號；如果diff2(m)值 大于D且極值點m和極值點m+1的時間間隔大于T，則把極值點m和極值點m+1之內(nèi)的所有f2 (η)設(shè)為1;如果diff2(m)值小于-D且極值點m和極值點m+1的時間間隔大于T，則把極值點m 和極值點m+1之內(nèi)的所有f2(n)設(shè)為-1;其余的f2(n)保持上一個f2(n-l)的值；
[0081]
[0082] 其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點，m為呼吸信號中某極值點坐標(biāo)，m+1為m點后 下一個極值點坐標(biāo)，dif f 2(m)為極值點m對應(yīng)的差值數(shù)據(jù)，U為極值點m對應(yīng)的時刻，tm+i為極 值點m+1對應(yīng)的時刻;D值取0.00005; T值取0.3; f2(n)為本步驟輸出的方波信號；
[0083] 步驟3、通過跳變點提取算法尋找出步驟2產(chǎn)生的方波信號中的跳變點并把運(yùn)些點 構(gòu)成跳變點序列；
[0084] 所述的跳變點提取算法是指：
[0085] ①將步驟2產(chǎn)生的方波信號中每點與其下一點做差，得一組差值信號diff3(n)
[0086] diff3(n)=y(n+：L)-y(n)(n = 0，l，...）
[0087] 其中，η為所需檢測的方波信號中某點，yw為所需檢測的方波信號中η點的值， y <η+υ為所需檢測的方波信號中η+1點的值，dif f 3(η)為輸出的差值數(shù)據(jù)；
[0088] ②對diff3(n)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；當(dāng)diff3(n)不為0時，則代表方波信號在η點處發(fā)生跳 變，即η點和η+1點為所要尋找的跳變點從而加入跳變點序列；當(dāng)diff3(n)為0時，則代表方 波信號在η點處沒有發(fā)生跳變，即η點和n+1點不為所要尋找的跳變點從而不加入跳變點序 列；
[0089] 步驟4、計算步驟3中跳變點序列中相鄰兩點之間的時間間隔，然后去除那些間隔 為一個采樣周期的間隔，將剩余的時間間隔按序構(gòu)成時間間隔序列；
[0090] 步驟5、將步驟4中所得的時間間隔序列進(jìn)行特殊映射f3(n)得到一組由0，1，2Ξ種 值構(gòu)成的序列;如果步驟4中所得的時間間隔序列中某點對應(yīng)的時間間隔小于To,則把f3(n) 設(shè)為1;如果步驟4中所得的時間間隔序列中某點對應(yīng)的時間間隔大于Ti，則把f3(n)設(shè)為2; 其余f3(n)設(shè)為0:
[0091]
[0092] 其中，η為步驟4中產(chǎn)生的時間間隔序列中的某個點，t(n)為η點所對應(yīng)的時間間隔， To值取1.化，Τι值取4，f3(n)為輸出的由0，1，2Ξ種值構(gòu)成的序列；
[0093] 步驟6、判斷步驟5中所得的序列中是否含有0、1和2按照特定順序構(gòu)成的組合，即 符合設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)，如圖3所示的特定呼吸狀態(tài)下需要檢測是否存在"1111112"運(yùn)種 組合;當(dāng)發(fā)現(xiàn)符合時MCU中央處理模塊控制馬達(dá)微震動模塊給予用戶第一次觸覺反饋，認(rèn)為 用戶處于緊急狀況需要進(jìn)行報警求助，并執(zhí)行報警求助，同時MCU中央處理模塊打開GPS模 塊，通過GPS模塊實時監(jiān)測用戶位置信息；當(dāng)不符合時，即認(rèn)為用戶處于正常狀態(tài)，保持監(jiān) 測；
[0094]步驟7、報警求助執(zhí)行后，即接收到GSM模塊的反饋信息后，MCU中央處理模塊控制 馬達(dá)微震動模塊給予用戶第二次觸覺反饋，并且MCU中央處理模塊實時地把GPS模塊得到的 用戶位置信息通過GSM模塊持續(xù)發(fā)送到用戶親友手機(jī)上。
[00%]本方法檢測人為主動產(chǎn)生的呼吸變化具有十分高的準(zhǔn)確性，具體效果如下：
[0096] 如圖4帶有特定呼吸狀態(tài)順序的使用闊值算法的結(jié)果圖所示，圖中第一個波形為 所需檢測的呼吸信號波形;第二個波形為經(jīng)過闊值算法轉(zhuǎn)換的方波波形，其中黑點為經(jīng)過 跳變點提取算法找到的跳變點；第Ξ個波形為后續(xù)步驟處理的結(jié)果，其中虛線為檢測到不 含有特定呼吸狀態(tài)順序的部分，實線為檢測到的含有特定呼吸狀態(tài)順序的部分。本方法準(zhǔn) 確地發(fā)現(xiàn)本次檢測中帶有某種事先設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)，即急促呼吸3次、屏息4秒。
[0097] 如圖5不帶有特定呼吸狀態(tài)順序的使用闊值算法的結(jié)果圖所示，圖中第一個波形 為所需檢測的呼吸信號波形;第二個波形為經(jīng)過闊值算法轉(zhuǎn)換的方波波形，其中黑點為經(jīng) 過跳變點提取算法找到的跳變點；第Ξ個波形為后續(xù)步驟處理的結(jié)果，虛線為檢測到不含 有特定呼吸狀態(tài)順序的部分。本方法準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)本次檢測中不帶有某種事先設(shè)定的特定呼 吸狀態(tài)。
[0098] 如圖6帶有特定呼吸狀態(tài)順序的使用特征算法的結(jié)果圖所示，圖中第一個波形為 所需檢測的呼吸信號波形，其中黑點為經(jīng)過特征算法找尋到各個極值點；第二個波形為經(jīng) 過特征算法轉(zhuǎn)換的方波波形，其中黑點為經(jīng)過跳變點提取算法找到的跳變點；第Ξ個波形 為后續(xù)步驟處理的結(jié)果，其中虛線為檢測到不含有特定呼吸狀態(tài)順序的部分，實線為檢測 到的含有特定呼吸狀態(tài)順序的部分。本方法準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)本次檢測中帶有某種事先設(shè)定的特 定呼吸狀態(tài)，即急促呼吸3次、屏息4秒。
[0099] 如圖7不帶有特定呼吸狀態(tài)順序的使用闊值算法的結(jié)果圖所示，圖中第一個波形 為所需檢測的呼吸信號波形，其中黑點為經(jīng)過特征算法找尋到各個極值點；第二個波形為 經(jīng)過特征算法轉(zhuǎn)換的方波波形，其中黑點為經(jīng)過跳變點提取算法找到的跳變點；第Ξ個波 形為后續(xù)步驟處理的結(jié)果，虛線為檢測到不含有特定呼吸狀態(tài)順序的部分。本方法準(zhǔn)確地 發(fā)現(xiàn)本次檢測中不帶有某種事先設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備，其特征在于:包括電源模塊、呼吸信號采集 模塊、馬達(dá)微振動模塊、GPS模塊、無線藍(lán)牙模塊、GSM模塊和MCU中央處理模塊； 所述電源模塊包含鋰電池、電壓轉(zhuǎn)換電路和充放電管理保護(hù)電路;為整個設(shè)備提供電 源保護(hù)功能和所需的各種工作電壓； 鋰電池為整個設(shè)備提供能源；充放電管理保護(hù)電路用來管理和保護(hù)鋰電池充放電過 程，防止過壓、過流和欠壓現(xiàn)象損壞鋰電池工作性能；電壓轉(zhuǎn)換電路用來把鋰電池提供的電 壓轉(zhuǎn)換成工作電壓以供給其他的模塊使用； 所述呼吸信號采集模塊用于采集用戶的呼吸信號并把呼吸信號數(shù)據(jù)輸送至MCU中央處 理模塊； 所述馬達(dá)微振動模塊給予用戶觸覺反饋的作用；當(dāng)設(shè)備檢測到用戶做出設(shè)定的特定呼 吸狀態(tài)時或設(shè)備成功報警時，由MCU中央處理模塊控制馬達(dá)微振動模塊進(jìn)行一連串的振動 從而提醒用戶設(shè)備已經(jīng)檢測到或完成用戶的要求； 所述GPS模塊為設(shè)備提供用戶的地理位置；當(dāng)設(shè)備檢測到用戶做出特定呼吸狀態(tài)時， M⑶中央處理模塊打開GPS模塊，GPS模塊實時監(jiān)測用戶的地理位置，并將其傳給M⑶中央處 理模塊； 所述無線藍(lán)牙模塊用于用戶通過外部的智能手機(jī)或電腦與MCU中央處理模塊進(jìn)行通 ?目； 所述GSM模塊插有電話卡用于撥打110、親友號碼和發(fā)送MCU中央處理模塊提供的實時 地理位置信息，并在撥打電話完成后反饋一個信息至MCU中央處理模塊； 所述MCU中央處理模塊控制除開電源模塊外的各個模塊，通過無線藍(lán)牙模塊與手機(jī)或 電腦通信進(jìn)行特定呼吸狀態(tài)和親友號碼的設(shè)定，并且對接收到的呼吸信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、 分析，并確認(rèn)呼吸信號是否為設(shè)定的特定呼吸狀態(tài);是則通過GSM模塊撥打求助電話，并同 時打開GPS模塊，實時地監(jiān)測用戶的地理位置，并通過GSM模塊持續(xù)發(fā)出；求助完成后MCU中 央處理模塊接收GSM模塊的反饋信息，然后控制馬達(dá)微振動模塊給予用戶觸覺反饋;否則繼 續(xù)監(jiān)測呼吸信號。2. 如權(quán)利要求1所述基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備，其特征在于:所述特定呼吸狀 態(tài)為η多1個呼吸狀態(tài)進(jìn)行排列組合;呼吸狀態(tài)為：正常呼吸、急促呼吸或屏息，每個呼吸狀 態(tài)中均包括次數(shù)和時間，且特定呼吸狀態(tài)通過事先設(shè)定。3. 如權(quán)利要求1所述基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備，其特征在于:所述電壓轉(zhuǎn)換電 路為+3.3V&+1.8V生成電路。4. 如權(quán)利要求1所述基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備，其特征在于:所述呼吸信號采 集模塊包括呼吸信號傳感器、高頻電流信號產(chǎn)生電路、電壓-電阻轉(zhuǎn)換電路以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換 電路;高頻電流信號產(chǎn)生電路通過呼吸信號傳感器向人體注入高頻電流信號，同時呼吸信 號傳感器測量人體的電壓，通過電壓-電阻轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成胸腔阻抗值，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電 路將胸腔阻抗值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸送至MCU中央處理模塊。5. 如權(quán)利要求1所述基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備的檢測方法，包括以下步驟： 步驟1、基于先驗信息或快速傅里葉變換FFT明確需要檢測的呼吸信號當(dāng)中是否含有直 流成分； 所述先驗信息是指根據(jù)呼吸信號測量方法來明確所需檢測的呼吸信號是否帶有直流 成分； 所述快速傅里葉變換是指對信號進(jìn)行時域到頻域的轉(zhuǎn)換然后分析OHz成分的大小從而 明確所需檢測的呼吸信號是否帶有直流成分； 步驟2、通過閾值算法或特征算法把需要檢測的呼吸信號轉(zhuǎn)換成只含有_1，1兩種值的 方波信號;對于不含有直流成分的呼吸信號首選閾值算法作為轉(zhuǎn)換方法，對于含有直流成 分的呼吸信號首選特征算法作為轉(zhuǎn)換方法； 所述的閾值算法是指:將所需檢測的呼吸信號中的每點按照特殊映射fKn)進(jìn)行閾值比 較從而得到一組與輸入數(shù)據(jù)等長的只含有-1，1兩種值的方波信號;如果某點數(shù)值大于X值， AU)設(shè)為1;如果某點數(shù)值小于-X值，fKn)設(shè)為-1;如果某點數(shù)值處于-X和X之間時,Μη) 保持fi(n-l)的值；其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點；χω為所需檢測的呼吸信號中η點的值 為η-1點的方波信號值;X值大小取決于先驗信息、數(shù)值可調(diào)；(η)為本步驟輸出的方波信 號； 所述的特征算法是指:首先，尋找所需檢測的呼吸信號中的極大值和極小值;具體過程 如下： ① 將所需檢測的呼吸信號中的每點與其下一點做差，得一組差值數(shù)據(jù)difTKn); diffi(n) =χ(η+ι)-χ(η)(η = 0,1,...) 其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點;n+1為所需檢測的呼吸信號中η點的下一點;χω 為所需檢測的呼吸信號中η點的值;χ(η+υ為所需檢測的呼吸信號中η+1點的值;Cliff1(Ii)S 輸出的差值數(shù)據(jù)； ② 尋找diffi(n)數(shù)據(jù)中符合 diffi(n)彡0且虹€;1^1(11-1)<0或(1丨€;1^1(11)<0且(1丨€;1^1(11-1) 多〇條件的點;這些點即為所需找的呼吸信號中的極大值和極小值； 然后，對信號中的所有極值點進(jìn)行分析;具體過程如下： ① 將每個極點與其下一個極點做差，得一組差值數(shù)據(jù)di(m); diff2(m) =X(m+l)-X(m) 其中，m為呼吸信號中某極值點坐標(biāo);m+1為m點后下一個極值點坐標(biāo);x(m)為所需檢測的 呼吸信號中極值點m對應(yīng)的值;X (m+1)為所需檢測的呼吸信號中極值點m+1對應(yīng)的值;d i ff2 (m)為輸出的差值數(shù)據(jù)； ② 對diff2(m)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將所需檢測的呼吸信號中的每點按照特殊映射f2(n)進(jìn)行 轉(zhuǎn)換從而得到一組與輸入數(shù)據(jù)等長的只含有-I，1兩種值的方波信號;如果diff 2(m)值大于 D且極值點m和極值點m+1的時間間隔大于T，則把極值點m和極值點m+1之內(nèi)的所有f2(n)設(shè) 為1;如果diff 2(m)值小于-D且極值點m和極值點m+1的時間間隔大于T，則把極值點m和極值 點m+1之內(nèi)的所有f 2 (η)設(shè)為-1:其佘的f 2 (η)保持上一個f 2 (η-I)的值：其中，η為所需檢測的呼吸信號中某點，m為呼吸信號中某極值點坐標(biāo)，m+1為m點后下一 個極值點坐標(biāo)，diff2(m)為極值點m對應(yīng)的差值數(shù)據(jù)，U為極值點m對應(yīng)的時刻，^+1為極值點 m+1對應(yīng)的時刻;D值大小取決于先驗信息、數(shù)值可調(diào);O . 0<T< 1.5秒，取決于先驗信息;f2 (η)為本步驟輸出的方波信號； 步驟3、通過跳變點提取算法尋找出步驟2產(chǎn)生的方波信號中的跳變點并把這些點構(gòu)成 跳變點序列； 所述的跳變點提取算法是指： ① 將步驟2產(chǎn)生的方波信號中每點與其下一點做差，得一組差值信號diff3(n) diff3(n) =y(n+i)-y(n)(n = 0,1,...) 其中，η為所需檢測的方波信號中某點，y(n)為所需檢測的方波信號中η點的值，y(n+1)為 所需檢測的方波信號中n+1點的值，diff3(n)為輸出的差值數(shù)據(jù)； ② 對diff3(n)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；當(dāng)diff3(n)不為O時，則代表方波信號在η點處發(fā)生跳變， 即η點和n+1點為所要尋找的跳變點從而加入跳變點序列；當(dāng)diff 3(n)為O時，則代表方波信 號在η點處沒有發(fā)生跳變，即η點和n+1點不為所要尋找的跳變點從而不加入跳變點序列； 步驟4、計算步驟3中跳變點序列中相鄰兩點之間的時間間隔，然后去除那些間隔為一 個采樣周期的間隔，將剩余的時間間隔按序構(gòu)成時間間隔序列； 步驟5、將步驟4中所得的時間間隔序列進(jìn)行特殊映射f3(n)得到一組由0，1，2三種值構(gòu) 成的序列;如果步驟4中所得的時間間隔序列中某點對應(yīng)的時間間隔小于To,則把f3(n)設(shè)為 1;如果步驟4中所得的時間間隔序列中某點對應(yīng)的時間間隔大于T 1,則把f3(n)設(shè)為2;其余 f3(n)設(shè)為 0:其中，η為步驟4中產(chǎn)生的時間間隔序列中的某個點，t ω為η點所對應(yīng)的時間間隔，0 < T0 < 1.5秒，其值大小取決于先驗信息，3秒（T1，其值大小取決于先驗信息，f3(n)為輸出的由 0，1，2三種值構(gòu)成的序列； 步驟6、判斷步驟5中所得的序列中是否含有0、1和2按照特定順序構(gòu)成的組合，即符合 設(shè)定的特定呼吸狀態(tài)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)符合時MCU中央處理模塊控制馬達(dá)微震動模塊給予用戶第一 次觸覺反饋，認(rèn)為用戶處于緊急狀況需要進(jìn)行報警求助，并執(zhí)行報警求助，同時MCU中央處 理模塊打開GPS模塊，通過GPS模塊實時監(jiān)測用戶位置信息；當(dāng)不符合時，即認(rèn)為用戶處于正 常狀態(tài)，保持監(jiān)測； 步驟7、報警求助執(zhí)行后，即接收到GSM模塊的反饋信息后，M⑶中央處理模塊控制馬達(dá) 微震動模塊給予用戶第二次觸覺反饋，并且MCU中央處理模塊實時地把GPS模塊得到的用戶 位置信息通過GSM模塊持續(xù)發(fā)送到用戶親友手機(jī)上。6.如權(quán)利要求5所述基于呼吸信號的自動報警求助設(shè)備的檢測方法，其特征在于:所述 報警求助是指MCU中央處理模塊通過GSM模塊撥打110和親友號碼。
【文檔編號】A61B5/08GK105877749SQ201610407597
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】陳超, 顏紅梅, 黃偉, 劉秩銘
【申請人】電子科技大學(xué)