智能呼吸训练系统、控制系统及控制方法与流程

本发明涉及体育运动保健训练器械技术领域，具体涉及智能呼吸训练系统、控制系统及控制方法。

背景技术：

众所周知，低氧环境对身体技能的代谢变化有损伤一面，也有抗损伤的一面，关键在于低氧发生的程度及持续时间等因素，因此适当的低氧训练提高机体的抗缺氧能力、增强体质有着十分显著的作用。在运动生理实践中，高原训练或模拟高原训练的低氧训练方式对一些特殊专业人员(如运动员、飞行员、宇航员、潜水员、高原工作者及健身人员等)提高运动成绩和工作能力、健身减肥等方面的作用被证明是行之有效的，而近年来所做的一些临床医学实践也表明，低氧训练可使人体红细胞数、血红蛋白、血细胞比容及血循环和氧利用能力提高。庞阳康等人发表在2009年7期《体育学刊》期刊上的“高氧恢复对低氧训练大鼠骨骼肌sdh和mdh活性的影响”一文中指出，高氧能提高血氧张力，增加血氧含量和组织储氧量，改善机体缺血缺氧状态，改善组织代谢；高氧可以迅速改善机体缺氧状况和能量代谢的模式，进而改善机体自由基的代谢状况。因此补氧可以拮抗自由基直接攻击细胞的超微结构，保证了细胞结构的完整性及其功能的正常发挥；并防止自由基损伤酶的结构导致有氧代谢酶活性的下降。瞿超艺等人发表在2020年4期《中国体育教练员》期刊上的“高氧气体补充对人体运动后恢复相关指标的影响”一文中指出，高氧气体补充对人体运动后恢复的相关指标具有一定的积极作用，对于运动后机体的恢复，高氧气体补充是一种无创、有效的干预手段。

间歇性高低氧训练运用上述原理，要求模拟高海拔地区的低氧及低压的环境以达到促进细胞感知和适应氧气变化机制的训练效果，有效改善身体机能，提高身体适应低氧环境的耐受性。目前间歇性高低氧训练被医学和生理学证明，对于部分人群的高血压、高血脂、动脉硬化、心肌功能、男性精子质量、造血能力和人脑认知有着比较明显的改善效果，可用于提高人体机能，增强人体的免疫系统、非特异性补偿能力和有氧输出。

目前的呼吸训练设备的气体控制不够精细灵活，结构复杂，可靠性低，气流不能稳定输出，部分设备还需配备气罐作为缓冲罐，导致设备体积增大。

技术实现要素：

针对现有呼吸训练设备的气体控制不够精细灵活、结构复杂、可靠性低、气流不能稳定输出的技术问题，本发明提供的智能呼吸训练系统、控制系统及控制方法，能够稳定地调节气体流量、含氧量和气压，并能输出稳定气流。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

智能呼吸训练系统，包括依次连接的的流体设备、净化设备、气体分离装置、气体混合器和加湿器，还包括通信组件、生理参数监测仪和控制器，所述控制器通过所述通信组件连接所述生理参数监测仪，所述净化设备连接有压力传感器，所述气体分离装置具有第一出口和第二出口，所述第一出口通过第一阀门连接所述气体混合器，所述第二出口通过第二阀门连接所述气体混合器，所述第一出口还连接有第三阀门，所述第二出口通过第四阀门连通大气，所述气体混合器连接有氧气传感器，所述加湿器连接有温湿度传感器，所述流体设备、加湿器、第一阀门和第二阀门均连接所述控制器。

可选地，所述流体设备连接有冷凝器，所述冷凝器连接有气液分离器。

可选地，所述气液分离器通过换热器连接所述净化设备。

可选地，所述气液分离器连接所述加湿器。

可选地，所述加湿器通过第五阀门连通大气。

可选地，所述第三阀门连接所述第四阀门。

可选地，所述流体设备连接有温度传感器和散热器，所述温度传感器连接所述控制器。

可选地，所述加湿器连接有气囊。

为实现本发明的目的，本发明还提供智能呼吸训练控制系统，包括所述的智能呼吸训练系统、终端设备和服务器，所述智能呼吸训练系统与所述终端设备连接，所述终端设备与所述服务器连接。

应用于所述智能呼吸训练控制系统的控制方法，包括以下步骤：执行自检程序，判断所述智能呼吸训练系统的设备状态是否为正常；若所述智能呼吸训练系统的设备状态正常，则检测生理参数监测仪与所述控制器的连接状态；如果所述连接状态为已连接，则控制终端设备展示模式选项；监控终端设备发出的启动指令，所述启动指令用于启动流体设备；当接收到所述启动指令，依据所述启动指令启动流体设备，开启安全监测程序；执行所述模式选项。

可选地，所述安全监测程序包括，流体设备温度监测、管路压力监测和生理参数监测。

可选地，所述模式选项包括第一模式和第二模式。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

智能呼吸训练系统以尽量少的传感器和部件降低了设备的复杂度，可靠性得以提升；第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门的配合工作能够灵活地调节含氧量、气流量和气压，智能呼吸训练系统能够实现与终端设备、生理参数监测仪和服务器的通信，设备运行状态能够被实时监控，能够根据外部信息和指令工作，并能根据用户生理状态调整输出气体参数，用户也能够在终端设备上直接选择或设置训练模式；气体分离装置能够持续稳定地分离出富氮气体和富氧气体，制气效率较高，第五阀门的设置允许在气压低时让空气进入气体输出管路，使得用户使用时不会产生不适感，同时通过加湿器利用了气液分离器产生的水，减少了补水操作，进一步减小了设备体积。

附图说明

图1为本发明实施例提出的智能呼吸训练系统结构示意图；

图2为本发明实施例提出的智能呼吸训练控制系统结构示意图。

附图标记：1、控制器；2、流体设备；3、换热器；4、气囊；5、气液分离器；6、气体混合器；7、排水阀；8、气体分离装置；9、加湿器；13、冷凝器；15、净化设备；10、第五阀门；11、第一阀门；12、第二阀门；16、第三阀门；17、第四阀门；20、终端设备；21、服务器；22、生理参数监测仪；100、智能呼吸训练系统。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示的智能呼吸训练系统100，包括依次连接的的流体设备2、净化设备15、气体分离装置8、气体混合器6和加湿器9，流体设备2采用空气压缩机或鼓风机，优选为无油空压机或无油鼓风机，净化设备15包含一级滤芯和二级滤芯，一级滤芯的过滤精度为0.5微米，二级滤芯的过滤精度为0.01微米，气体分离装置8采用有机高分子膜组件，优选采用中空纤维膜组件，压缩空气通过气体分离装置8分离为富氮气体和富氧气体，气体混合器6可以为一段包含三通接头的管路，还可以在管路中设置静态混合器，加湿器9采用超声波雾化技术，还包括通信组件、生理参数监测仪22和控制器1，控制器1通过通信组件有线连接或无线连接生理参数监测仪22(图中未示出)，生理参数监测仪22可选用血氧仪或血氧心率监测仪，不同类型的生理参数监测仪22可以佩戴在用户指尖或手腕处，生理参数监测仪22优选为蓝牙无线连接控制器1。

气体分离装置8具有第一出口和第二出口，第一出口输出富氮气体，第二出口输出富氧气体，第一出口通过第一阀门11连接气体混合器6，第一阀门11采用流量调节阀，优选为电磁比例阀，第二出口通过第二阀门12连接气体混合器6，第二阀门12为电磁阀，第一出口还连接有第三阀门16，第三阀门16采用压力调节阀，优选为溢流阀，当第一出口的气体压力超过预设值时，第三阀门16开启并排出气体，第二出口通过第四阀门17连通大气，第四阀门17采用电磁阀，优选为两位三通阀，气体混合器6连接有氧气传感器，氧气传感器采集混合气体的含氧量并传输给控制器1，加湿器9连接有温湿度传感器，温湿度传感器采集气体温湿度并传输给控制器1，流体设备2、加湿器9、第一阀门11和第二阀门12均连接控制器1，根据需要，第三阀门16也可连接控制器1，第四阀门17连接控制器1。净化设备15气体出口处或气体分离装置8气体进口处连接有压力传感器，压力传感器采集气体压力并传输给控制器1。当第三阀门16采用机械式溢流阀时，第三阀门16可连接第四阀门17，第四阀门17采用两位三通阀，依靠第四阀门17控制富氮气体或富氧气体的排放。

流体设备2连接有冷凝器13，流体设备2通过换热器3连接冷凝器13，换热器3能够利用流体设备2输出的热空气的热量，换热器3能够降低压缩空气的温度，冷凝器13采用风冷或水冷来降低压缩空气温度并使水蒸汽冷凝，冷凝器13连接有气液分离器5，气液分离器5在分离气体和液体的同时也能除去一部分颗粒物，可以在气液分离器5内设置滤芯，滤芯的过滤精度为5微米。气液分离器5通过换热器3连接净化设备15，冷却后的干燥压缩空气从气液分离器5流向换热器3，并在换热器3中与热空气实现热交换，升温后的干燥压缩空气进入净化设备15进一步除去颗粒物等杂质。

气液分离器5还通过排水阀7连接加湿器9，排水阀7优选为为电磁阀，并与控制器1连接，通过控制排水阀7可控制加湿器9的供水量，进而控制流出加湿器9的气体湿度；加湿器9通过第五阀门10连通大气，第五阀门10可采用电磁阀，当气液分离器5中水量较多时，通过开启第五阀门10排放部分水汽；或者第五阀门10采用双向止回阀，双向止回阀的阀瓣上设有扭簧或阻尼件使得双向止回阀具有一定的开启压力范围，当加湿器9出口管路中的压力处于开启压力范围内时，双向止回阀向外或向内开启，压力过大时，气体外排，压力过小时，空气被吸入；由于加湿器9直接连通呼吸面罩，双向止回阀的设置改善了使用效果，气体压力更加稳定，避免了不适感。

加湿器9出口管路上连接有气囊4，气囊4可容纳一定容量的含氧气体，当用户佩戴呼吸面罩使用并吸入气体时，气囊4内的气体起到缓冲作用；气囊4的容量为2～5l，由于本发明能够持续地输出含氧气体，对于个人使用，并不需要大容量缓冲气罐。

如图2所示的智能呼吸训练控制系统，包括的智能呼吸训练系统100、终端设备20和服务器21，智能呼吸训练系统100与终端设备20连接，终端设备20与服务器21连接，生理参数监测仪22通过智能呼吸训练系统100的通信组件连接终端设备20，智能呼吸训练系统100和终端设备20均可获取生理参数监测仪22采集的信息。终端设备20可以为移动电话、手机、智能手表、平板电脑或笔记本电脑。终端设备20上可安装与智能呼吸训练控制系统配合工作的应用程序，终端设备20包含显示屏，显示屏可显示用户生理参数及训练进度，用户使用记录及训练进度可备份存储于服务器。

智能呼吸训练控制系统可通过下载服务器21上的软件升级包对控制系统实现程序升级，终端设备20上安装的应用程序也能联网实现在线升级，智能呼吸训练系统100的通信组件还可连接外部存储设备获取软件升级包实现程序升级。

在其他实施方式中，终端设备20还可与生理参数监测仪22连接。

在其他实施方式中，流体设备连接有温度传感器和散热器，温度传感器连接控制器。

应用于智能呼吸训练控制系统的控制方法，包括以下步骤：执行自检程序，判断智能呼吸训练系统的设备状态是否为正常；若智能呼吸训练系统的设备状态正常，则检测生理参数监测仪与控制器的连接状态；如果连接状态为已连接，则控制终端设备展示模式选项；监控终端设备发出的启动指令，启动指令用于启动流体设备；当接收到启动指令，依据启动指令启动流体设备，开启安全监测程序；执行模式选项。自检程序可用于检查通信组件、温度传感器、压力传感器、温湿度传感器和氧气传感器等部件；如果检测生理参数监测仪与控制器的连接状态为已连接，则控制器可接收生理参数监测仪所采集的生理参数。安全监测程序包括，流体设备温度监测、管路压力监测和生理参数监测。流体设备温度超过预设值时，安全监测程序发出指令给控制器，控制流体设备停机并在终端设备上显示信息，告知用户停机原因；压力传感器获得的压力值超过预设值，安全监测程序发出指令给控制器，控制开启第四阀门；生理参数监测仪获取的生理参数出现异常，心率超过预设值或血氧浓度低于预设值，安全监测程序发出指令给控制器，控制器控制设备输出含氧量为30％以上的气体。

在其他实施方式中，生理参数监测仪与控制器的连接状态为未连接状态，用户也可以自行操作设备展示模式选项，或者用户可操作智能呼吸训练系统与普通智能手环连接，通过智能手环获取心率参数来代替生理参数监测仪采集的生理状态参数。

模式选项包括第一模式和第二模式。第一模式为呼吸训练模式，第二模式为吸氧模式，模式选项还包括推荐模式和自定义模式，呼吸训练模式可以为间歇性低氧训练模式或间歇性高低氧训练模式；根据不同的运动项目，智能呼吸训练控制系统可提供不同类型的呼吸训练模式，智能呼吸训练控制系统也可通过操作终端设备从服务器下载并导入新的呼吸训练模式。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。