一种具有自动佩戴检测的可穿戴设备和实现方法与流程

1.本发明涉及智能穿戴技术领域，特别涉及一种具有自动佩戴检测的可穿戴设备和实现方法。


背景技术：

2.目前，穿戴设备——是指可以直接穿戴在人体上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备多以具备部分计算功能、可连接手机及各类终端的便携式配件形式存在，主流的产品形态包括以手腕为支撑的watch类(包括手表和腕带等产品)，以脚为支撑的shoes类(包括鞋、袜子或者将来的其他腿上佩戴产品)，以头部为支撑的glass类(包括眼镜、头盔、头带等)，以及智能服装、书包、拐杖、配饰等各类非主流产品形态。随着可穿戴设备智能化、便携化的普及，在不同行业中作为人员数据采集终端得到了广泛应用，实现了更加智慧的人员管理、健康监测、智能交互等应用场景解决方案。
3.计步穿戴设备主要是利用加速度传感器来实现运动计步的，通过这个加速度传感器，可以测量手环在多个不同方向上的加速度。通过对加速度的值进行计算，就可以大概测出走路的步数。针对人体佩戴标准的穿戴位置，结合大数据模型产生的算法，就可做到准确的测量人员的运动形态和运动的步数。心率胸戴、臂带或手环等穿戴设备主要是利用光学心率传感器来实现检测人体的心率脉搏变化的，它采用电光溶剂脉搏波描记法(ppg)来测量心率及其他生物计量指标。通过光学心率传感器的电容灯光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号，再经过电信号转换成数字信号，再根据血液的吸光率算出心率。简化测量过程就是：发射光——转换成电信号——转换成数字信号。在人体皮肤薄且易佩戴的部位，光学心率传感器的发射光更容易穿透皮肤并捕获折射光，从而提高心率测量的准确性。测量时，光学心率传感器需要紧贴皮肤固定，所以在剧烈运动时选择腕部佩戴更适合。
4.对于人体是否佩戴穿戴设备，各类穿戴设备都是内置的不同类型传感器来实现，主要有两种形式：一是固定频次或特定条件下通过传感器检测获得数据后判别是否佩戴；另一种是通过传感器全程监测获得数据实时判别是否佩戴。
5.但是，现有技术存在如下缺陷：
6.光学心率传感器功耗高，持续监测会增加穿戴设备的充电频次；
7.光学心率传感器被非皮肤的物体遮挡时佩戴检测不准确；
8.光学心率传感器受肤色，汗水和强光的影响佩戴监测的准确度；
9.光学心率传感器配合加速度传感器时佩戴监测准确度不够；
10.光学心率传感器配红外光学传感器佩戴监测准确度高，但实现难度大，硬件成本高。


技术实现要素：

11.本发明提供一种具有自动佩戴检测的可穿戴设备和实现方法，用以解决上述技术
问题。
12.一种具有自动佩戴检测的可穿戴设备，包括：
13.穿戴设备壳体；
14.内置温度传感器，设置于穿戴设备壳体内部，获取内部温度；
15.外置温度传感器，设置于穿戴设备壳体外部，获取外部温度；
16.光学心率传感器，置于穿戴设备壳体外部，获取心率温度；
17.计算组件，与所述内置温度传感器、外置温度传感器和连接光学心率传感器，通过内外温度对比进行佩戴检测，判断穿戴设备是否佩戴，并基于心率检测结果，判断穿戴设备是否佩戴；
18.通信单元：设置于穿戴设备壳体内部，控制所述内置温度传感器、外置温度传感器和计算组件数据传输和外部通信。
19.优选的，所述穿戴设备壳体内还包括：
20.存储器，与所述计算组件连接，并存储所述客户穿戴设备的检测数据和计算数据；
21.输入输出组件，包括显示屏单元和音频输入输出单元，所述显示屏单元和音频输入输出单元于所述计算组件连接；其中，
22.所述显示屏单元用于显示所述传感组件的身体检测信息、内置温度传感器和外置温度传感器的温度数据；
23.传感组件，与所述计算组件连接，用于通过多种传感设备对用户身体进行监测，获取用户身体的动态数据；其中，
24.所述多种传感设备至少包括：重力加速度传感器、光学心率传感器、电极式心率传感器、血氧传感器、红外传感器。
25.优选的，所述穿戴设备壳体为密封防水外壳，所述密封防水外壳的壳体材料为导热性能差的非金属类材料。
26.优选的，所述穿戴设备壳体上还设置有设备穿戴固定配件；其中，
27.所述设备穿戴固定配件包括但不限于：腕带、臂带、胸带、头带、脚环。
28.优选的，所述通信单元包括：
29.fpga模块，用于接收传感数据，将传感设备的传感数据送至微处理器，按照传感数据的时序进行数模转换后发送至计算组件；
30.微处理器，用于传感数据并解析处理以供显示屏单元和音频输入输出单元进行显示和播报，并发送至网络通信模块；
31.网络通信模块，用于接收微处理器发送的传感数据并发送至目标网络服务器；其中，
32.所述网络通信模块还包括外部无线通信装置；其中，
33.所述外部无线通信单元包括：不限于2.4g hz频率的wifi装置、蓝牙装置、zigbee装置和gprs通信装置；
34.所述无线通信单元遵从但不限于：2.4g hz频率的wifi协议、蓝牙协议、zigbee协议、gprs协议、3g协议、4g协议、5g协议、lora协议、nbiot协议；
35.时钟电路，用于为微处理器提供运行时钟；
36.存储器，用于存储微处理器接收和处理的数据；
37.接口电路，用于实现与外设的数据交互。
38.优选的，所述计算组件还用于对传感数据校准，其包括如下步骤：
39.根据内置温度传感器的内温度数据，建立基于时序变换的第一变化关系曲线；
40.根据所述第一变化关系曲线和所述传感组件的传感数据进行时序对应，生成传感数据的第一传感曲线；
41.根据外置温度传感器的内温度数据，建立基于时序变换的第二变化关系曲线；
42.将所述第一变化关系曲线和第二变化关系曲线进行微小线段化处理并获取关系曲线中的突变点，并根据不同温度数据的几何特征设置约束条件；
43.通过所述约束条件进行突变点对比，确定突变时间点；
44.根据所述突变时间点，对不同传感数据进行检测，判断是否存在突变；
45.当存在突变时，对传感数据进行校正；
46.当不存在突变时，对传感数据进行可信标记。
47.一种自动佩戴检测可穿戴设备的实现方法，所述方法包括：
48.根据所述内置温度传感器，获取人体的第一温度信息；
49.根据所述外置传感器，获取人体的第二温度信息；
50.将所述第一温度信息和第二温度信息进行对比，生成第一佩戴判断结果；其中，
51.所述第一对比结果包括：当第二温度信息大于所述第一温度信息时，表示已佩戴穿戴设备，当第二温度信息小于所述第一温度信息时，表示未佩戴穿戴设备；
52.根据所述心率传感器，获取心率数据，根据心率数据，生成第二佩戴判断结果；其中，
53.所述第二佩戴判断结果为：当存在心率数据时，表示已佩戴穿戴设备，当不存在心率数据时，表示未佩戴穿戴设备。
54.优选的，所述方法还包括：
55.根据所述第一温度信息生成第一温度曲线；
56.根据所述第二温度信息生成第二温度曲线；
57.将所述第一温度曲线和第二温度曲线的离散温度数据进行拟合，得到拟合温度曲线；
58.将距离对应拟合温度曲线的距离大于设定阈值的离散温度数据进行标记；
59.根据所述标记，确定不同时刻穿戴设备检测的错误温度数据。
60.优选的，所述方法还包括：
61.通过光学心率传感器采集光学心率信号；
62.对所述光学心率信号进行滤波处理；
63.从所述光学心率信号选取预设长度的信号片段，使用亲和传播聚类算法从所述信号片段中进行模板的自学习，获得光学心率信号模板；
64.将所述光学心率信号在所述光学心率信号模板上连续向右滑动，依据相关性来寻找光学心率信号每拍心跳的最高点，进行心率计算。
65.优选的，所述方法还包括：
66.计算组件在上电后通过通信单元与不同的传感器件建立连接，由上位机将计算组件配置为传感节点，并且初始化各种通信服务；
67.创建定时器任务来定时采集传感数据，并存入存储模块；
68.接收传感数据后，通过建立用户的生命体征模型；
69.通过生命体征模型，对用户进行生命状态检测，并实时输出生命状态信息。
70.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
71.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
72.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
73.图1为本发明实施例中一种具有自动佩戴检测的可穿戴设备设备结构；
74.图2为本发明实施例中一种自动佩戴检测的可穿戴设备设备检测方法的流程图。
具体实施方式
75.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
76.在现有技术中：目前可穿戴设备主要是依据检测有无心率值来确定是人体否佩戴；穿戴设备检测人体心率主要是采用了光学心率传感器来实现的，当光学心率传感器检测不到心率数据时，则判断设备没有正确佩戴在人体上。其原理是：光学心率传感器发射光射向皮肤组织，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号，再经过数据处理后可得出心率值。如果穿戴设备没有佩戴在人体上，光学心率传感器就没有被遮挡，光学心率传感器发射光之后，光敏传感器就不会接受到反射光，所以不能测量出心率数值，穿戴设备则判断未佩戴。
77.由于光学心率传感器对于可穿戴设备来说是高功耗的组件，为了穿戴设备的续航考虑，光学心率传感器不能持续工作来监测用户是否佩戴。常见的方案都是按固定的时间段频次，启动光学心率传感器检测是否有心率值来判断是否佩戴。或者配合加速度传感器驱动光学心率传感器工作，当加速度传感器监测到设备发生特定动作时，启动光学心率传感器工作，此时没有检测到心率值则判定设备未佩戴。显然所述这两种方案都不能实时持续监测有无心率来判断是否佩戴，目前最好的方案是在光学心率传感器中嵌入红外光学传感器配合监测来实现佩戴判断。其原理是：红外光学传感器的工作功耗远低于光学心率传感器，故红外光学传感器在穿戴设备中可持续不间断工作。因红外光学传感器对能有温度可发散红外光的物体探测灵敏，当红外光学传感器探测到靠近可发散红外光的物体时，驱动光学心率传感器进行检测心率，检测到心率则判断为正常佩戴，此时红外光学传感器停止工作；未检测到心率时则判断未佩戴，启动红外光学传感器工作继续探测，如此反复可实现对穿戴设备佩戴的实时监测。
78.如附图1所示，一种具有自动佩戴检测的可穿戴设备，包括：
79.穿戴设备壳体；
80.内置温度传感器，设置于穿戴设备壳体内部，获取内部温度；
81.外置温度传感器，设置于穿戴设备壳体外部，获取外部温度；
82.光学心率传感器，置于穿戴设备壳体外部，获取心率温度；
83.计算组件，与所述内置温度传感器、外置温度传感器和连接光学心率传感器，通过内外温度对比进行佩戴检测，判断穿戴设备是否佩戴，并基于心率检测结果，判断穿戴设备是否佩戴；
84.通信单元：设置于穿戴设备壳体内部，控制所述内置温度传感器、外置温度传感器和计算组件数据传输和外部通信。
85.上述技术方案中：本发明设置了一种通过内外温度对比的方式，实现智能穿戴检测可穿戴设备。在现有技术中，穿戴设备被用做人员身份标识和体征数据采集终端时，需要正确佩戴在人体才能获得准确的数据。计步手环不佩戴在手腕上也会监测到计步数据，心率臂带或手环不佩戴在人体上也会测量出心率数据，尤其在各行业大规模智慧人员管理的应用场景中，如何判别人员是否正确穿戴设备，是否脱离监管，如何提高各类数据采集的真实性、可靠性、准确性。本发明通过内外温度的对比，以及心率检测两种方式进行佩戴检测，判断用户是否正常穿戴佩戴设备。本发明时通过内置温度传感器和外置温度传感器实时监测的温度，基于穿戴设备内温度值和人体皮肤温度值的差值监测判别是否佩戴，本发明通过低成本低功耗的温度传感器实现了穿戴设备的佩戴监测，能够不受强光和肤色因素影响实现穿戴设备的佩戴监测，当然高温情况下可能存在判断偏差，这个时候在高气温环境下温度传感器和心率传感器配合监测实现佩戴监测。光学心率传感器是是智能穿戴设备中最为普及的用于心率检测的传感器之一。它采用电光溶剂脉搏波描记法(ppg)来测量心率及其他生物计量指标。测量原理：通过电容灯光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号，再经过电信号转换成数字信号，再根据血液的吸光率算出心率。简化测量过程就是：发射光——转换成电信号——转换成数字信号。
86.优选的，如附图1所示，所述穿戴设备壳体内还包括：
87.存储器，与所述计算组件连接，并存储所述客户穿戴设备的检测数据和计算数据；
88.输入输出组件，包括显示屏单元和音频输入输出单元，所述显示屏单元和音频输入输出单元于所述计算组件连接；其中，
89.所述显示屏单元用于显示所述传感组件的身体检测信息、内置温度传感器和外置温度传感器的温度数据；
90.传感组件，与所述计算组件连接，用于通过多种传感设备对用户身体进行监测，获取用户身体的动态数据；其中，
91.所述多种传感设备至少包括：重力加速度传感器、光学心率传感器、电极式心率传感器、血氧传感器、红外传感器。
92.本发明在除了佩戴检测，主要还是用于获取用户身体的传感数据，在这个过程中，本发明通过传感组件对用户身体进行实时监测。而且通过输入输出组件实现对不同数据的显示，并接受用户的语音控制。
93.优选的，所述穿戴设备壳体为密封防水外壳，所述密封防水外壳的壳体材料为导热性能差的非金属类材料。
94.本发明还需要通过设置密封的防水外壳这是因为本发明需要适应不同的环境，而采用导热性能差的非金属类材料是因为为了保证温度监测的准确性，准确确定内外温度的
偏差。
95.优选的，所述穿戴设备壳体上还设置有设备穿戴固定配件；其中，
96.所述设备穿戴固定配件包括但不限于：腕带、臂带、胸带、头带、脚环。
97.优选的，所述通信单元包括：
98.fpga模块，用于接收传感数据，将传感设备的传感数据送至微处理器，按照传感数据的时序进行数模转换后发送至计算组件；
99.微处理器，用于传感数据并解析处理以供显示屏单元和音频输入输出单元进行显示和播报，并发送至网络通信模块；
100.网络通信模块，用于接收微处理器发送的传感数据并发送至目标网络服务器；其中，
101.所述网络通信模块还包括外部无线通信装置；其中，
102.所述外部无线通信单元包括：不限于2.4g hz频率的wifi装置、蓝牙装置、zigbee装置和gprs通信装置；
103.所述无线通信单元遵从但不限于：2.4g hz频率的wifi协议、蓝牙协议、zigbee协议、gprs协议、3g协议、4g协议、5g协议、lora协议、nbiot协议；
104.时钟电路，用于为微处理器提供运行时钟；
105.存储器，用于存储微处理器接收和处理的数据；
106.接口电路，用于实现与外设的数据交互。
107.在上述技术方案中，本发明在进行通信的时候传感数据通过fpga模块实现数据的处理和转发，微处理器对数据解析为音频数据和显示数据，而网络通信模块时为了实现通过多种无线通信设备和多种无线通信协议实现数据传输。
108.优选的，所述计算组件还用于对传感数据校准，其包括如下步骤：
109.根据内置温度传感器的内温度数据，建立基于时序变换的第一变化关系曲线；
110.根据所述第一变化关系曲线和所述传感组件的传感数据进行时序对应，生成传感数据的第一传感曲线；
111.根据外置温度传感器的内温度数据，建立基于时序变换的第二变化关系曲线；
112.将所述第一变化关系曲线和第二变化关系曲线进行微小线段化处理并获取关系曲线中的突变点，并根据不同温度数据的几何特征设置约束条件；
113.通过所述约束条件进行突变点对比，确定突变时间点；
114.根据所述突变时间点，对不同传感数据进行检测，判断是否存在突变；
115.当存在突变时，对传感数据进行校正；
116.当不存在突变时，对传感数据进行可信标记。
117.在本发明中还存在建立不同的数据传感曲线通过不同的数据传感曲线实现温度变化的判断，在温度变化的时候都有几句变化的突变点，例如，拿下可穿戴设备的时候，或者可穿戴设备丢失的时候，然后通过这些时间段的突变时间点，判断温度数据的错误，通过温度数据的错误，对传感数据进行校正和可信标记。
118.一种自动佩戴检测可穿戴设备的实现方法，所述方法包括：
119.根据所述内置温度传感器，获取人体的第一温度信息；
120.根据所述外置传感器，获取人体的第二温度信息；
121.将所述第一温度信息和第二温度信息进行对比，生成第一佩戴判断结果；其中，
122.所述第一对比结果包括：当第二温度信息大于所述第一温度信息时，表示已佩戴穿戴设备，当第二温度信息小于所述第一温度信息时，表示未佩戴穿戴设备；
123.根据所述心率传感器，获取心率数据，根据心率数据，生成第二佩戴判断结果；其中，
124.所述第二佩戴判断结果为：当存在心率数据时，表示已佩戴穿戴设备，当不存在心率数据时，表示未佩戴穿戴设备。
125.本发明采用的方法也是进行温度对比和心率监测。
126.优选的，所述方法还包括：
127.根据所述第一温度信息生成第一温度曲线；
128.根据所述第二温度信息生成第二温度曲线；
129.将所述第一温度曲线和第二温度曲线的离散温度数据进行拟合，得到拟合温度曲线；
130.将距离对应拟合温度曲线的距离大于设定阈值的离散温度数据进行标记；
131.根据所述标记，确定不同时刻穿戴设备检测的温度数据，通过温度差值，判断是不是没有佩戴穿戴设备。如附图2所示，在日常人体活动环境中，适宜气温大约为-10℃—﹢30℃之间，而人体皮肤的表面温度在﹢33.5℃—﹢37℃之间。所述温度传感器是一种低功耗、低成本、持续可靠工作的简易电子元器件，其对所在环境的温度变化探测非常敏感，精准度在
±
0.1℃之内。
132.当所述穿戴设备温度传感器2不与人体皮肤保持接触时，内置温度传感器1监测到的温度值是由壳体传导的壳体外部环境温度值，加上内置温度传感器处于壳体狭小密闭的空间内，壳体内部的电子元器件工作时会产生发热，导致内置温度传感器1监测的温度值实际大于壳体外部的环境气温值大约0.3℃-0.5℃之间；外置温度传感器2不佩戴的时候是暴露在壳体外部环境空气中，散热条件好，所以监测到的温度值即为壳体外部的实际环境气温值。此时所述温度传感器1的温度大于温度传感器2的温度值，所述穿戴设备则通过监测后判别设备未佩戴在人体上。
133.当温度传感器2与人体皮肤保持接触时，温度传感器2由于和皮肤接触后，温度值迅速变化至和皮肤温度值一致，温度传感器2和皮肤的紧密接触使得温度传感器2散热条件变差，温度传感器2的温度值会大于外部实际环境气温值0.3℃-0.5℃之间。由于人体皮肤温度最低33℃时，此时所述温度传感器2监测值在33.3℃-33.5℃之间；实际环境气温值最高30℃时，温度传感器1检测值为30.3℃-30.5℃之间；此时温度传感器2监测温度值远大于温度传感器1监测温度值，所述穿戴设备通过监测后判定为人体佩戴状态。
134.综上所述，当所述温度传感器1监测温度值大于温度传感器2监测温度值时，所述穿戴设备判定未佩戴状态；当所述温度传感器1监测温度值小于温度传感器2监测温度值时，所述穿戴设备判定人体已佩戴状态。
135.优选的，所述方法还包括：
136.通过光学心率传感器采集光学心率信号；
137.对所述光学心率信号进行滤波处理；
138.从所述光学心率信号选取预设长度的信号片段，使用亲和传播聚类算法从所述信
号片段中进行模板的自学习，获得光学心率信号模板；
139.将所述光学心率信号在所述光学心率信号模板上连续向右滑动，依据相关性来寻找光学心率信号每拍心跳的最高点，进行心率计算。
140.本发明在监测过程中，还包括采用光学心率信号，确定不同时刻的心率的最高点，通过心率信号的最高点去判断是不是佩戴可穿戴设备。
141.优选的，所述方法还包括：
142.计算组件在上电后通过通信单元与不同的传感器件建立连接，由上位机将计算组件配置为传感节点，并且初始化各种通信服务；
143.创建定时器任务来定时采集传感数据，并存入存储模块；
144.接收传感数据后，通过建立用户的生命体征模型；
145.通过生命体征模型，对用户进行生命状态检测，并实时输出生命状态信息。
146.本发明主要的目的还是通过可穿戴设备实现对生命状态的检测，在这个检测的过程中，本发明建立生命体征的检测模型通过检测模型时刻记录生命状态信息。
147.在本发明的一种可选实施例中，内置温度传感器和外置温度传感器还包括如下的检测步骤：将内置温度传感器和外置温度传感器的温度数据在一定时序内进行对比，生成对比图；这个对比图是一种折线图形式，里面的两条线分别表示内置温度传感器和外置温度传感器；
148.步骤1：针对每一时刻图像数据进行边缘检测，首先需要对每一时刻图像中进行对比计算：
[0149][0150]
其中，g0表示内置温度传感器和外置温度传感器的对比值，g(dir(xn,yn))表示dir(xn,yn)的梯度函数；dir(xn,yn)表示内置温度传感器的每一时刻坐标对应的函数，g(dir(xw,yw))表示dir(xw,yw)的梯度函数；dir(xw,yw)表示外置温度传感器的每一时刻坐标对应的函数；w表示外置温度传感器；n表示内置温度传感器；
[0151]
上述公式的目的主要在于获取内置温度传感器和外置温度传感器在每一时刻的对比值，这个对比值是存在一定的梯度，这个梯度是温度变化的梯度，其用于表示通过这个对比值来判断内外温度的温差系数；起计算结果也是为了在步骤2中让不同波峰间隔时间段内的温度对比差值更加清楚。
[0152]
步骤2：计算不同波峰时间段，内置温度传感器和外置温度传感器的模糊参数：
[0153][0154]
其中，b
t
(xn,yn)表示内置温度传感器在不同波峰间隔时间段内的均值函数，t不同波峰间隔时间段；b
t
(xw,yw)表示外置温度传感器在不同波峰间隔时间段内的均值函数；f1表示内置温度传感器和外置温度传感器在每个波峰之间平均温差的模糊参数，a,b分别表示对应的每一时刻内置温度传感器和外置温度传感器横坐标和纵坐标的数值；
[0155]
上述公式的主要目的是计算不同波峰间隔时间段内的平均值的模糊函数，因为这个温度是存在一定的温度偏差的，在不同的波峰时间段之间，如果用户没有佩戴内外的波峰温差是非常巨大的，而这个模糊参数也变得非常大，因为只要带入不同的波峰时间段可以更加清楚的判断出是不是佩戴了可穿戴设备。
[0156]
步骤3：将内置温度传感器和外置温度的温差数据进行加权处理，获取加权后的模糊参数：
[0157][0158]
其中，表示内置温度传感器和外置温度的温差数据进行加权处理后的模糊参数，上述公式的主要目的在于通过加权计算，让不同坐标下内置温度传感器和外置温度传感器在不同波峰间隔内的温差更加明显，更容易触发本发明的佩戴检测机制，更容易发现可穿戴设备是否佩戴。
[0159]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。