基于呼吸信号的通信设备和通信系统的制作方法

本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种适于语言交流障碍的人群对外通信的基于呼吸信号的通信设备和通信系统。

背景技术：

残疾人作为社会中的一类特殊群体，他们的生活有着诸多不便，而顺畅的交流是其获得外界帮助从而解决基本生存问题的必要条件。现如今市场上不乏一些专为聋哑人群体设计的语言交流工具，但这些语言交流工具大都需要通过双手来完成操作且操作方法复杂繁琐不易上手，因而这些工具都不适用于患有渐冻症，帕金森氏症等丧失语言能力且四肢无法正常动作的残疾人群体。

渐冻症被世界卫生组织列为与艾滋病、癌症等并列的五大绝症之一，会引起患者肌萎缩侧索硬化，因而也被称为运动神经元病。渐冻人通常会全身肌肉重度萎缩，最终完全丧失语言和正常行为能力。帕金森氏症是一种神经系统变性疾病，帕金森患者丧失主动运动能力并伴随着语言功能的衰退。因而此类残疾人群体无法通过话音、手势等常见方式进行对外交流，造成其生活质量受到严重影响。尤其当此类残疾人群体遇到危急情况时，无法在第一时间准确求助他人来获得及时有效的帮助或将使其生命受到严重威胁。

截至目前，市场上还未出现一款适用于上述群体的对外通信设备能够脱离双手操作来完成残疾人对外通信及紧急求救的任务。

技术实现要素：

本实用新型提供了基于呼吸信号的通信设备和通信系统，解决了当前渐冻人等特殊人群对外沟通不便，以及在危机状况下无法及时求救的问题。

根据本实用新型的一种实施方式，所述通信设备包括：

呼吸采集器，用于采集用户的呼吸信号并将采集的呼吸信号转换为呼吸数字信号；

微处理器，用于按照摩尔斯编码规则将所述呼吸数字信号转换为文本信息；

输出设备，用于将所述文本信息向外部输出。

在本实用新型的另一种实施方式中，所述呼吸采集器包括：

麦克风阵列，用于采集用户的呼吸声音的模拟信号；

模数转换器，用于将所述多个麦克风采集的模拟信号转换为呼吸数字信号。

在本实用新型的另一种实施方式中，所述麦克风阵列通过多路复用器与所述模数转换器连接。

在本实用新型的另一种实施方式中，所述微处理器包括：

存储器，用于存储常用短语词库和设备配置参数；

处理器，用于按照摩尔斯编码规则将所述呼吸数字信号编译成摩尔斯电码，并按照摩尔斯电码与二进制数之间的对应规则将所述摩尔斯电码编译为对应的字符，并根据所述字符从所述存储器的常用短语词库获得对应的语句，并将获得的语句发送至所述输出设备，或者将所述字符直接发送至所述输出设备。

在本实用新型的另一种实施方式中，所述输出设备包括：

文语转换器，用于将来自所述微处理器的文本信息转换为语音数据；

扬声器，用于向外部播放来自所述文语转换器的语音数据。

在本实用新型的另一种实施方式中，所述输出设备包括：

显示控制器，用于将来自所述微处理器的文本信息转换为支持VGA(Video Graphics Array)接口的信号；

显示器，通过VGA接口与所述显示控制器连接，用于向外部显示所述文本信息。

在本实用新型的另一种实施方式中，所述通信设备还包括：

网络通信模块，用于通过网络实现远程通信。

在本实用新型的另一种实施方式中，所述通信设备还包括：

定位模块，用于采集该通信设备的位置信息。

同时，本实用新型还提供一种通信系统，所述通信系统包括如上所述的通信设备和远程服务器。

在本实用新型的另一种实施方式中，所述远程服务器包括下述中的一种或多种：医疗机构的服务器、紧急救援机构的服务器、用户家庭服务器。

采用本实用新型各实施方式所提供的基于呼吸信号的通信设备和通信系统，具有以下优点：

通过检测渐冻人等语言功能障碍人的呼吸信号，并对其准确快速识别，转换为常见文本或语音信号，实现对外通信和求救。其不仅便于这类人对外沟通，还对他们提供了实时监控和紧急呼救。

附图说明

图1是根据本实用新型实施方式的基于呼吸信号的通信设备的结构示意图；

图2是图1所示通信设备中所述呼吸采集器的结构示意图；

图3是图1所示通信设备中所述呼吸采集器另一实施方式的结构示意图；

图4是图1所示通信设备中所述微处理器的结构示意图；

图5是图1所示通信设备中所述输出设备的结构示意图；

图6是图1所示通信设备中所述输出设备另一实施方式的结构示意图；

图7是根据本实用新型实施方式的基于呼吸信号的通信设备的另一实施方式的结构示意图；

图8是根据本实用新型实施方式的基于呼吸信号的通信设备的又一实施方式的结构示意图；

图9是根据本实用新型实施方式的通信系统的结构示意图；

图10示出了图9所述通信系统中所述远程服务器200的分类。

具体实施方式

为使本实用新型的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

实施例1：

图1是根据本实用新型实施方式的一种基于呼吸信号的通信设备的结构示意图，参照图1，所述通信设备可以包括，但不限于：

呼吸采集器110，用于采集用户的呼吸信号并将采集的呼吸信号转换为呼吸数字信号；作为选择，呼吸采集器可以为采集用户呼吸节奏信号的呼吸节奏采集器。

微处理器120，用于按照摩尔斯编码规则将所述呼吸数字信号转换为文本信息；

输出设备130，用于将所述文本信息向外部输出。

根据本实施例，通过利用检测到的渐冻人的呼吸节奏信号，并对其准确快速识别，转换为常见文本或语言信号，实现渐冻人的对外通信和求救。不仅便于渐冻人的对外沟通，还对渐冻人提供了实时监控和紧急呼救。

实施例2：

在本实施例中，通信设备包括实施例1所述的呼吸采集器110、微处理器120、输出设备130。与实施例1不同的是，如图2所示，在本实施例中，所述呼吸采集器110可以包括：

麦克风阵列111，用于采集用户的呼吸气流(低频声音)的模拟信号；

模数转换器112，用于将所述多个麦克风采集的模拟信号转换为呼吸数字信号。

根据本实用新型实施例，麦克风阵列的使用极大程度上提高了信噪比，降低了失真度，优化了输入信号的采集，使得信号的采集更准确稳定。同时，麦克风阵列对于个别麦克风的失效具有极强的鲁棒性，从而增加了设计冗余，有效避免系统突然失效给使用者带来的威胁。

实施例3：

在本实施例中，通信设备具有与实施例1所述的通信设备相同的结构。与实施例2不同的是，参照图3，所述麦克风阵列111通过多路复用器1100与所述模数转换器112连接。其中，麦克风阵列111用于对呼吸节奏信号的采集，麦克风阵列111的输出端通过多路复用器与模拟数字转换芯片的输入端连接，用于将麦克风阵列采集到的模拟信号转换为数字信号。模拟数字转换芯片的输出端与微处理器的输入端相连。

采用麦克风阵列进行信号采集。麦克风阵列是由2个微机电式集成硅微型麦克风(MEMS)组成，其被一前一后同向放置于一根可调节支架上。2个微机电式集成硅微型麦克风(MEMS)的间距为9cm。近声端的麦克风主要负责采集使用者的呼吸信号，远声端的麦克风主要负责采集来自于周围环境的噪声信号。通过对2个麦克风采集来的信号进行波束赋形(如最大比合并)从而获得最佳信噪比。相对于单麦克风系统可以有效抑制噪声，降低失真度。麦克风连接模拟数字转换芯片(A/D)，以合适的频率和精度(12比特)将模拟信号转换为数字信号。采用一定压缩算法(如PCM编码)，将所得到的数字信号进行一定压缩。多路复用器的使用大大提高麦克风的数量，提高系统的麦克风冗余，增强系统的鲁棒性。

实施例4：

在本实施例中，所述通信设备可以具有上述实施例1、2、3中任意一个所述的结构，并且，如图4所示，在本实施例中，所述微处理器120可以包括，但不限于：

存储器121，用于存储常用短语词库和设备配置参数；

处理器122，用于按照摩尔斯编码规则将所述呼吸数字信号编译成摩尔斯电码，并按照摩尔斯电码与二进制数之间的对应规则将所述摩尔斯电码编译为对应的字符，并根据所述字符从所述存储器的常用短语词库获得对应的语句，并将获得的语句发送至所述输出设备130，或者将所述字符直接发送至所述输出设备130。

在本实用新型的优选实施方式中，处理器122可以内置一个数字信号到摩尔斯电码的转换程序和一个摩尔斯电码解码程序。所述数字信号到摩尔斯电码的转换程序可用于识别来自呼吸采集器(例如，呼吸节奏采集器)的数字信号，并根据有效信号持续的时间长短将其编译成摩尔斯电码，输入方式简单快捷，只包含两种符号：点(·)与划(—)。经过简单改进，使用者也可以通过气流，点触，灯光或声音等各种方式来完成信号输入。短促呼气一次对应点(·)，稍长呼吸一次对应划(—)，长呼吸一次表示删除，关机状态下四次稍长呼吸表示开机，开机状态下四次稍长呼吸为关机。当试图输入文本时，微处理器将建立一个新的二进制变量作为待处理值，初始值为二进制的1。程序将点(·)视为1，将划(—)视为0。当收到划(—)时，将当前二进制待处理值左移一位并将低位补零。当收到点(·)时，将当前二进制待处理值左移一位并在末尾补1。程序将收到的摩尔斯代码通过以上规则转换为由0和1组成的二进制数。为防止首位为0产生歧义，故将待处理值的初始值设为1。例如待处理数字为初始值为1时，收到划时，左移一位变成二进制数字10，对应字母T的摩斯码；待处理数字为初始值1时，收到点时，左移一位并加1变成二进制数字101对应字母E的摩斯码。以此类推，每个字母都可以通过一个独一无二的二进制数字表示。如果需要输入中文，则可通过加载拼音软件，通过汉语拼音输入。通过简单查看摩斯码对照表以及常用缩写，无经验的患者也可轻松使用摩斯码进行交流。摩斯码国际通用，一些实用电码被大众熟知。例如最著名的摩斯电码三短三长三短表示SOS为国际求救信号。

另外，微处理器120可具有两种模式：工作模式和睡眠模式。当微处理器120接受到预定义(例如：四次)稍长呼吸或者预定义时长(例如：3分钟)内未接收到规律的编码呼吸节奏信号，设备将进入睡眠模式。在睡眠模式下微处理器120保持极低功率，输出设备130(例如，显示器)会关闭从而省去不必要的电量消耗。在睡眠模式下微处理器依旧继续侦测来自呼吸采集器的信号，当收到四次稍长呼吸后会再次转成工作模式，或者例如30秒内没有探测到正常的呼吸信号或探测到异常微弱的呼吸信号，会自动编辑紧急求救信号通过输出设备130或下述的网络通信设备140并向外界求救。

当微处理器120探测到有效信号一定单位时间的中断后，摩尔斯电码解码程序默认字符输入完毕，并将现有的摩尔斯电码编译为对应字符。当所接收的摩尔斯电码不存在对应的字符时，解码程序会检索存储器121中的资料，选择最接近的一个字符输出。编译完成后，如果微处理器120在单位时间内接收到来自呼吸采集器的有效信号，程序立即开始下一个字符的编译。如果在单位时间内没有接收到更多的有效信号则程序默认语句输入完毕。存储器121内存有常用短语词库和设备的配置参数。

即使在关机状态下，微处理器120也可依旧会在后台持续接收来自呼吸采集器的信号。当微处理器120在30秒内没有探测到正常的呼吸信号或探测到异常微弱的呼吸信号，微处理器120会自动编辑紧急求救信号，并通过下述的网络通信模块140以及中心服务器向外界求救。需要说明的是，本文上述的30秒仅仅是举例说明，根据需要，也可以设置为20秒、40秒、60秒等。

在可选的其他实施方式中，微处理器作为核心部分可以通过以下3种方式供电：1.通过电源插座连接外部交流电源供电；2.通过预留的VIN(电源输入端)和GND(电线接地端)接口连接外部直流电源(例如锂电池)供电；3.通过预留的USB接口直接供电。这三种供电方式可以根据不同需求自动选择。用户如在医院或家里固定地方不移动的情况下可以选择第1种或第3种供电方式，用户如在室外或移动的情况下可以选择第2种电池供电，对于外接电池，可以选择移动充电宝，方便高效。

实施例5：

在本实施例中，所述通信设备所述通信设备可以具有上述实施例1、2、3、4中任意一个所述的结构，其中，如图5所示，所述输出设备130可以包括，但不限于：

文语转换器131，用于将来自所述微处理器的文本信息转换为语音数据；可选地，文语转换器可以为文语转换芯片。

扬声器132，用于向外部播放来自所述文语转换器的语音数据。

其中，当语句输入完毕后微处理器会在存储器的常用短语词库中寻找匹配的缩写词条，如找到匹配词条，微处理器将对应的完整语句输送到所述文语转换芯片转换成音频信号或语音数据，并通过扬声器播放出来。由此，用户可以实现对外语音交流。

实施例6：

在本实施例中，所述通信设备所述通信设备所述通信设备可以具有上述实施例1、2、3、4、5中任意一个所述的结构，其中，如图6所示，所述输出设备130可以包括：

显示控制器133，用于将来自所述微处理器的文本信息转换为支持VGA接口的信号；可选地，显示控制器可以为显示控制芯片。

显示器134，通过VGA接口与所述显示控制器连接，用于向外部显示所述文本信息。所述文本信息可以为任何能够被编码成摩尔斯电码的自然语言，如中文，英文等。由此，用户可以实现对外文字交流。

实施例7：

图7是根据本实用新型的一种基于呼吸信号的通信设备另一实施方式的结构示意图，参照图7，所述通信设备在上述实施例1至6任一个的基础上还包括：网络通信模块140，用于通过网络实现远程通信。当微处理器120收到来自患者的紧急求救信号或在30秒内没有检测到患者的正常呼吸，微处理器120会编辑紧急求救信息并传输给网络通信模块140，网络通信模块140将接收的文本信息转换为支持特定网络协议的信号，并通过相应的网络传输至远端的服务器。网络通信模块可支持2G/3G/4G蜂窝网络、IEEE 802.3以太网协议、和持IEEE 802.11(Wi-Fi)与蓝牙协议。支持2G/3G/4G蜂窝网络，可以接入当前的蜂窝无线网络中，扩大了患者的使用地点范围；支持IEEE 802.3以太网协议，可以通过以太网连接到远端服务器；支持IEEE 802.11(Wi-Fi)与蓝牙协议，可以连接到智能手机终端，显示文本信息。

实施例8：

图8是根据本实用新型的一种基于呼吸信号的通信设备又一实施方式的结构示意图，参照图8，所述通信设备在上述实施例1至6任一个的基础上还包括：

定位模块150，用于采集该通信设备的位置信息，例如，可以是GPS、北斗导航等各种定位设备。定位模块可安装于微处理器，根据软件算法可按照预定义时间(例如每15分钟)开启一次GPS定位功能以获取和更新患者位置信息，通过网络通信模块将该位置信息发送并存储至服务器数据库。(根据服务器的容量选择性覆盖最旧的记录)

根据本实施例，方便家人或医护人员找寻用户即语言功能障碍人士。

在优选实施方式中，实施例8所述的通信设备进一步可以包括网络通信模块，这样，可以通过定位模块定期或不定期获取位置信息，并通过网络通信模块将位置信息定期发送至远端服务器并存储于服务器的数据库中。

实施例9：

图9是根据本实用新型实施方式的一种通信系统的结构示意图；参照图9，所通信系统1可以包括上述各个实施例所述的通信设备100和远程服务器200。

当服务器收到紧急求救信号，首先会调出包含用户(即患者)信息的数据库中此患者的过往病历以及紧急联系人等关键信息。然后根据患者的基本信息检索包含医院信息的数据库并通过能根据智能交通实时路况选取最优路线的软件算法将患者的位置与合适的医院位置相匹配，并通过第三方推送服务将该紧急求助信息推送至匹配医院以及家属移动终端设备上，由此方式为患者的救护赢得了宝贵时间。

服务器应采用的规格不低于8核CPU，64GB内存以及2TB存储硬盘。内部数据库软件采用MySQL数据库管理系统，主要分为患者资料数据与医院数据以及用于GPS导航定位的地图数据。内置智能交通择优路线软件，可将患者的位置与合适的医院位置相匹配，从而提高患者的营救效率。备注：第三方推送服务，该推送服务需要搭载第三方软件，将紧急求助信息以电话呼叫(智能语音播报)，短信发送，以及语音留言多种方式同时将信息发送到医院，以及家属终端的设备上。对于医院，推送信息包括：患者的GPS位置，患者个人信息以及家属电话等信息。对于家属，推送信息包括：患者的GPS位置，匹配的医院名称以及电话等信息。

实施例10：

图10示出了图9所述通信系统中远程服务器的可能分类，参照图10，在本实施例中，所述远程服务器200包括下述中的一种或多种：医疗机构的服务器210、紧急救援机构的服务器220、用户家庭服务器230。

由此，通信设备可以定期将用户信息，例如，位置信息、健康信息、用户本身的需求信息等发送到所述医疗机构的服务器210、紧急救援机构的服务器220、用户家庭服务器230，以便医护人员、救护人员和家人了解用户的情况。

综上所述，采用本实用新型各种实施方式所述的基于呼吸信号的通信设备和通信系统，通过利用检测到的用户的呼吸节奏信号，并对其准确快速识别，转换为常见文本或语言信号，实现用户对外通信和求救。不仅便于用户对外沟通，还对用户提供了实时监控和紧急呼救。

以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型的保护范围，因此依本实用新型权利要求的教导对上述实施例所作的等同变化，仍属于本实用新型权利要求所涵盖的范围内。