基于中继传输的人员心率监测方法、系统及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于中继传输的人员心率监测方法、系统及装置，该系统包括监测单元、中继转发单元、汇聚单元，脉搏传感模块获取人员心率数据并输出监测信号到微控制器，监测信号经过微控制器完成数据转换处理后得到监测节点数据，监测节点数据通过SPI通信传输给无线射频传输模块，无线射频传输模块将监测节点数据发送给中继转发单元；汇聚单元获取中继转发单元的各无线中继节点传输的监测节点数据，在下位机完成数据转换，由上位机程序处理并获取可视化监测图形，显示人员脉搏数据和人员的心跳波动状况。该方法、系统及装置，成本低、功耗低，可有效提高无线传输的可靠性和能量有效性，为人员生产作业提供安全保障。
【专利说明】
基于中继传输的人员心率监测方法、系统及装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于中继传输的人员心率监测方法、系统及装置。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，安全不仅成为社会关注的热点话题，而且成为影响一个企业发展的决定性因素。人员生命体征监测是一项多学科综合应用的信息技术，当前该领域的发展方向是进一步提高系统精度、丰富系统功能、降低消耗成本，促进监控、调度、管理等工作的信息化、保障安全作业并提高应急救援效率。人员生命体征监测对通信尤其是无线通信有很高质量要求，复杂环境下往往通信条件恶劣，传输路径存在大量阻挡物，传输的数据容易丢包，通信可靠性难以保障。
[0003]在现有无线通信方式下，针对复杂环境的数据采集和人员监测多基于射频识别和无线传感网。《现代电子技术》2014(15):41-44公开的“基于NRF24L01无线模块的井下流量数据传输设计”中，设计的基于NRF24L01无线射频传输模块的井下无线数据传输系统，可用于获取水栗出水口位置的流量传感器数据。《科技广场》2008( 10):194-196公开的“基于NRF24L01的矿井无线传输系统的设计”，设计的基于NRF24L01的矿井无线数据传输系统，可用于煤矿井下人员定位和环境状况的测控。《国外电子测量技术》2013，32(10):12-14公开的“一种基于WSN的矿井人员生命体征监测终端的研究”，研究的在无线传感网下的生命体征监测，可通过无线路由方式汇聚数据。《电子设计工程》2015(3):60-62公开的“面向人员定位管理系统的生命体征监测关键技术研究”，研究的人员生命体征监测技术，可将其应用于井下人员定位管理中。
[0004]然而，上述研究的技术和设计的系统存在一些不足:(I)对复杂环境下无线传输的功率消耗考虑不足，由于无线传输存在信道衰落及信号衰减，系统往往会增大信号发射功率，造成传输成本的提高。(2)处于移动状态的人员位置不固定，无线传输的距离随时改变，在复杂环境下传输质量会随传输距离改变而显著变化，一旦传输路径有大量障碍物，数据传输会受到极大影响，尤其针对人员生命体征监测，易导致信息不准确。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于中继传输的人员心率监测方法、系统及装置，可有效降低系统功耗，扩大传输范围，保障通信的可靠性，解决现有技术中存在的复杂环境下无线传输存在的衰落问题以及人员生命体征监测系统的功耗问题。
[0006]本发明的技术解决方案是:
一种基于中继传输的人员心率监测方法，包括以下步骤:
脉搏传感模块获取人员心率数据并输出监测信号给微控制器，监测信号经过微控制器完成数据转换处理后得到监测节点数据，监测节点数据通过SPI通信传输给无线射频传输模块，无线射频传输模块将监测节点数据发送给中继转发单元；
中继转发单元由若干中继节点组成，中继节点接收来自监测单元内对应通道地址的监测节点数据，通过校验信息判断是否符合对应监测人员信息，如符合，则通过ACK应答告知监测点；否则继续侦听监测点数据；中继节点完成监测节点数据的接收后进一步将监测节点数据发送给汇聚单元；
汇聚单元获取中继转发单元的各无线中继节点传输的监测节点数据，在下位机完成数据转换，由上位机程序处理并获取可视化监测图形，显示人员脉搏数据和人员的心跳波动状况。
[0007]进一步地，脉搏传感器获取脉搏信号，检测到心跳后做中断处理，微控制器做AD转换并根据心跳间隙及脉搏波峰值和谷值计算人员心跳速率，数据经SPI传输给无线射频传输模块并配置发送模式，根据通道号和地址信息确定接收点。
[0008]进一步地，中继转发单元中，中继节点初始化后，配置接收模式，当检测到数据与自身通道地址相匹配时接收数据，通过SPI传输获取实时数据并配置发送模式，选择汇聚单元的目标节点发送数据。
[0009]进一步地，在汇聚单元中，下位机通过通信接口传输至网络控制中心，网络控制中心的控制端监测台实时监测及跟踪人员生命体征，一旦检测到异常情况，控制端监测台及时反馈，根据标识信息判断异常区域所在，再由地址信息准确定位到监测人员，采取应急救援措施，对人员生命体征进行确认和及时救助。
[0010]—种实现上述任一项所述方法的基于中继传输的人员心率监测系统，包括监测单元、中继转发单元、汇聚单元，
监测单元:包括若干监测点，监测点包括脉搏传感模块、无线射频传输模块、微控制器，脉搏传感模块获取人员心率数据并输出监测信号给微控制器，监测信号经过微控制器完成数据转换处理后得到监测节点数据，监测节点数据通过SPI通信传输给无线射频传输模块，无线射频传输模块将监测节点数据发送给中继转发单元；
中继转发单元:由若干中继节点组成，中继节点接收来自监测单元内对应通道地址的监测节点数据，通过校验信息判断是否符合对应监测人员信息，如符合，则通过ACK应答告知监测点；否则继续侦听监测点数据；中继节点完成监测节点数据的接收后进一步将监测节点数据发送给汇聚单元；
汇聚单元:获取中继转发单元的各无线中继节点传输的监测节点数据，在下位机完成数据转换，由上位机程序处理并获取可视化监测图形，显示人员脉搏数据和人员的心跳波动状况。
[0011 ]进一步地，下位机搭载薄膜晶体管液晶显示器进行报警，并将人员脉搏数据存储于SD卡。
[0012]—种使用上述任一项所述系统的基于中继传输的人员心率监测装置，包括监测单元、中继转发单元、汇聚单元，监测单元包括若干监测点，监测点包括脉搏传感模块、无线射频传输模块、微控制器，脉搏传感模块连接微控制器，微控制器通过无线射频传输模块与中继转发单元无线连接，中继转发单元与汇聚单元无线连接，汇聚单元通过通信接口连接网络控制中心。
[0013]进一步地，监测点中，微控制器采用STC12C5A60S2微控制芯片，脉搏传感模块采用用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器，无线射频传输模块采用NRF24L01无线收发器芯片。
[0014]本发明的有益效果是:
一、该种基于中继传输的人员心率监测方法、系统及装置，设备成本低、功耗低，并且可以循环利用，监测点构建简单，人员可随身携带并在处于移动状态下完成心率监测。
[0015]二、本发明中，无线中继节点扩大了传输的范围，对人员活动区域予以更多自由，并且可有效对抗衰落造成的影响，保障通信的可靠性。
[0016]三、整个监测系统由设备自动完成，汇聚单元根据监测人员心率数据完成监控和预警，并及时汇报给控制中心，告知人员生命体征状况。
【附图说明】
[0017]图1是本发明实施例基于中继传输的人员心率监测方法的流程示意图。
[0018]图2是实施例中监测点的流程示意图。
[0019]图3是实施例中无线中继节点的流程示意图。
[0020]图4是本发明实施例基于中继传输的人员心率监测系统的说明框图。
[0021]图5是本发明实施例基于中继传输的人员心率监测装置的结构示意图。
[0022]图6是实施例中监测点的连接示意图。
[0023]图7是实施例中脉搏传感模块的原理说明示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0025]实施例的一种基于中继传输的人员心率监测方法、系统及装置，应用生命体征监测技术与无线中继传输技术构成的人员心率监测系统及方法。通过中继传输实现衰落抵抗和扩大传输范围，利用无线射频传输模块完成数据收发和转发。该系统及方法，成本低、功耗低，可有效提高无线传输的可靠性和能量有效性，为人员生产作业提供安全保障。
实施例
[0026]一种基于中继传输的人员心率监测方法，如图1，包括以下步骤:
脉搏传感模块获取人员心率数据并输出监测信号给微控制器，监测信号经过微控制器完成数据转换处理后得到监测节点数据，监测节点数据通过SPI通信传输给无线射频传输模块，无线射频传输模块将监测节点数据发送给中继转发单元；
中继转发单元由若干中继节点组成，中继节点接收来自监测单元内对应通道地址的监测节点数据，通过校验信息判断是否符合对应监测人员信息，如符合，则通过ACK应答告知监测点；否则继续侦听监测点数据；中继节点完成监测节点数据的接收后进一步将监测节点数据发送给汇聚单元；
汇聚单元获取中继转发单元的各无线中继节点传输的监测节点数据，在下位机完成数据转换，由上位机程序处理并获取可视化监测图形，显示人员脉搏数据和人员的心跳波动状况。
[0027]如图2，脉搏传感器获取脉搏信号，检测到心跳后做中断处理，微控制器做AD转换并根据心跳间隙及脉搏波峰值和谷值计算人员心跳速率，数据经SPI传输给无线射频传输模块并配置发送模式，根据通道号和地址信息确定接收点。
[0028]如图3，中继转发单元中，中继节点初始化后，配置接收模式，当检测到数据与自身通道地址相匹配时接收数据，通过SPI传输获取实时数据并配置发送模式，选择汇聚单元的目标节点发送数据。
[0029]在汇聚单元中，下位机通过通信接口传输至网络控制中心，网络控制中心的控制端监测台实时监测及跟踪人员生命体征，一旦检测到异常情况，控制端监测台及时反馈，根据标识信息判断异常区域所在，再由地址信息准确定位到监测人员，采取应急救援措施，对人员生命体征进行确认和及时救助。
[0030]
一种基于中继传输的人员心率监测系统包括监测单元、中继转发单元和汇聚单元，如图4。
[0031]监测单元由多个监测节点构成，监测节点采用STC12微控制芯片搭载脉搏传感模块及NRF24L01无线射频传输模块集成于一体，人员可随身佩戴并随时测量。脉搏传感模块获取人员心率数值并输出信号，信号经过微控制器完成数据转换处理，通过SPI通信传输给无线射频传输模块，将数据发送出去。
[0032]监测单元中，监测点数据传输流程如下:监测区由若干监测点组成，监测点工作流程如附图2所示。系统初始化后，脉搏传感器获取脉搏信号，检测到心跳后做中断处理，控制器做AD转换并根据心跳间隙及脉搏波峰值和谷值计算人员心跳速率，数据经SPI传输给无线射频传输模块并配置发送模式，根据通道号和地址信息确定接收点。
[0033]中继转发单元由若干中继节点组成，中继节点接收来自监测区内对应通道地址的监测节点数据，通过校验信息判断是否符合对应监测人员信息，并通过ACK应答告知监测点。无线中继节点完成数据的接收后进一步将数据发送给汇聚单元。根据监测区域位置的不同，无线中继节点位置将适应于无线传输环境下监测点与汇聚单元的距离。
[0034]中继转发单元中，中继节点转发流程如下:中继节点初始化后，配置接收模式，当检测到数据与自身通道地址相匹配时接收数据，通过SPI传输获取实时数据并配置发送模式，选择汇聚单元的目标节点发送数据，中继节点工作流程如附图3所示。
[0035]汇聚单元获取中继区各无线中继节点传输的数据，在下位机完成数据转换，由上位机程序处理并获取可视化监测图形。下位机搭载薄膜晶体管液晶显示器进行报警，数据存储于SD卡。下位机经由通信接口可将数据传输至网络控制中心，完成资源调度和实时联动。
[0036]
如图5，一种使用上述任一项所述系统的基于中继传输的人员心率监测装置，包括监测单元、中继转发单元、汇聚单元，监测单元包括若干监测点，监测点包括脉搏传感模块、无线射频传输模块、微控制器，脉搏传感模块连接微控制器，微控制器通过无线射频传输模块与中继转发单元无线连接，中继转发单元与汇聚单元无线连接，汇聚单元通过通信接口连接网络控制中心。
[0037]如图6，无线射频传输模块采用NRF24L01无线收发器芯片，NRF24L01无线收发器芯片工作在2.42?2.48 GHz ISM频段，数据传输速率为O?2 Mb/s，内置多种功能模块及硬件CRC和点对多点通信地址控制，有Direct Mode和Shock Burst Mode两种工作模式。无线射频传输模块的主要性能特点有:一、极低功耗:工作电压在2.7-3.6V的低压环境;各模式下的能耗较低，极大减少电流消耗，待机模式下电流消耗22 μΑ，掉电模式电流消耗仅900 ηΑ; 二、高速率，多通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要，2Mb/s的最高速率使得高质量VoIP成为可能;三、具备125个可选工作频道，拥有很短的频道切换时间，拥有自动重发功能、地址及CRC校验功能；四、数据包每次可传I?32Byte的数据，4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合连接各种MCU，编程简单；五、输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口设置，与下位机连接只需预留5个GP1和I个中断输入引脚，完成数据传送工作。
[0038]脉搏传感模块是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。其利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量，传感器由光源和光电变换器组成，光电变换器接收人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出，监测点人员佩戴于手指、耳垂等处，将采集到的模拟信号传输至下位机处理，其基本原理如附图7所示。
[0039]TFT薄膜晶体管液晶显示器采用48脚的STC12搭载2.4寸TFT及多种功能模块，通过GUI获取数据的实时更新，可通过按键选择无线模块的发送和接收工作状态，获取汇聚信息，区分和标记监测点的脉搏数据来源，并通过SD卡存储信息。
[0040]微控制器采用STC12微控制芯片，STC12C5A60S2是单时钟/机器周期IT的增强型51单片机，自带8路10位AD、PWM、SP1、双串口等功能，串口采用独立波特率发生器，可轻松产生115200波特。其搭载功能模块电路图如附图5所示。
[0041]该种基于中继传输的人员心率监测方法、系统及装置，于实际环境中做应用分析，监测设备由微控制器搭载无线射频传输模块和传感器，采用外部设备供电。各监测区域内人员数量不均等并且人员处于移动状态，传感器佩戴于人员手指处进行实时测量。中继区域根据通道地址接收数据并由校验位判断是否为对应人员信息，通过ACK应答告知监测点接收状况，由SPI传输发送到汇聚单元。
[0042]汇聚单元完成多路数据接收处理及实时记录，数据传输至上位机程序获取可视化图形，可显示人员的心跳波动状况。控制器处理后可于搭载的TFT显示数值信息，由SD卡存储人员脉搏数据便于后期数据分析。下位机通过通信接口传输至网络控制中心，控制端监测台实时监测及跟踪人员生命体征。一旦检测到异常情况，控制台及时反馈，根据标识信息判断异常区域所在，再由地址信息准确定位到监测人员，采取应急救援措施，对人员生命体征进行确认和及时救助。
[0043]网络平台提供数据分析和存储，完成信息的快速有效记录，进行实时协助救援。通过网络资源可进行系统联调，由资源共享调度进行方案计划和布局，通过系统确认区域人员信息并指挥实施现场救援，而主控制系统同时通知区域内其他人员状况信息，使人员尽快相互协作。
[0044]由上可知，实施例在监测单元完成人员心率采集，通过中继传输实现数据汇集，扩大传输范围，抵抗衰落影响。监测节点设备成本低、功耗低，人员佩戴方便并可在复杂环境移动状态下获取心率数值，保障传输的可靠性。汇聚点能及时根据检测情况反馈信息，为应急救援和人员生命体征确认提供有效帮助。
【主权项】
1.一种基于中继传输的人员心率监测方法，其特征在于，包括以下步骤: 脉搏传感模块获取人员心率数据并输出监测信号到微控制器，监测信号经过微控制器完成数据转换处理后得到监测节点数据，监测节点数据通过SPI通信传输给无线射频传输模块，无线射频传输模块将监测节点数据发送给中继转发单元； 中继转发单元由若干中继节点组成，中继节点接收来自监测单元内对应通道地址的监测节点数据，通过校验信息判断是否符合对应监测人员信息，如符合，则通过ACK应答告知监测点；否则继续侦听监测点数据；中继节点完成监测节点数据的接收后进一步将监测节点数据发送给汇聚单元； 汇聚单元获取中继转发单元的各无线中继节点传输的监测节点数据，在下位机完成数据转换，由上位机程序处理并获取可视化监测图形，显示人员脉搏数据和人员的心跳波动状况。2.如权利要求1所述的基于中继传输的人员心率监测方法，其特征在于，脉搏传感器获取脉搏信号，检测到心跳后做中断处理，微控制器做AD转换并根据心跳间隙及脉搏波峰值和谷值计算人员心跳速率，数据经SPI传输给无线射频传输模块并配置发送模式，根据通道号和地址信息确定接收点。3.如权利要求1所述的基于中继传输的人员心率监测方法，其特征在于:中继转发单元中，中继节点初始化后，配置接收模式，当检测到数据与自身通道地址相匹配时接收数据，通过SPI传输获取实时数据并配置发送模式，选择汇聚单元的目标节点发送数据。4.如权利要求1-3任一项所述的基于中继传输的人员心率监测方法，其特征在于:在汇聚单元中，下位机通过通信接口传输至网络控制中心，网络控制中心的控制端监测台实时监测及跟踪人员生命体征，一旦检测到异常情况，控制端监测台及时反馈，根据标识信息判断异常区域所在，再由地址信息准确定位到监测人员，采取应急救援措施，对人员生命体征进行确认和及时救助。5.—种实现权利要求1-4任一项所述方法的基于中继传输的人员心率监测系统，其特征在于:包括监测单元、中继转发单元、汇聚单元， 监测单元:包括若干监测点，监测点包括脉搏传感模块、无线射频传输模块、微控制器，脉搏传感模块获取人员心率数据并输出监测信号给微控制器，监测信号经过微控制器完成数据转换处理后得到监测节点数据，监测节点数据通过SPI通信传输给无线射频传输模块，无线射频传输模块将监测节点数据发送给中继转发单元； 中继转发单元:由若干中继节点组成，中继节点接收来自监测单元内对应通道地址的监测节点数据，通过校验信息判断是否符合对应监测人员信息，如符合，则通过ACK应答告知监测点；否则继续侦听监测点数据；中继节点完成监测节点数据的接收后进一步将监测节点数据发送给汇聚单元； 汇聚单元:获取中继转发单元的各无线中继节点传输的监测节点数据，在下位机完成数据转换，由上位机程序处理并获取可视化监测图形，显示人员脉搏数据和人员的心跳波动状况。6.如权利要求5所述的基于中继传输的人员心率监测系统，其特征在于:下位机搭载薄膜晶体管液晶显示器进行报警，并将人员脉搏数据存储于SD卡。7.—种使用权利要求5或6任一项所述系统的基于中继传输的人员心率监测装置，其特征在于:包括监测单元、中继转发单元、汇聚单元和网络控制中心，监测单元包括若干监测点，监测点包括脉搏传感模块、无线射频传输模块、微控制器，脉搏传感模块连接微控制器，微控制器通过无线射频传输模块与中继转发单元无线连接，中继转发单元与汇聚单元无线连接，汇聚单元通过通信接口连接网络控制中心。8.如权利要求7所述的基于中继传输的人员心率监测系统，其特征在于:监测点中，微控制器采用STC12C5A60S2微控制芯片，脉搏传感模块采用用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器，无线射频传输模块采用NRF24L01无线收发器芯片。
【文档编号】A61B5/024GK105873168SQ201610385487
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】谢宁俊, 杨洁
【申请人】南京工程学院