一种穿戴式冲击检测设备及控制方法与流程

本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种穿戴式冲击检测设备及控制方法。

背景技术：

在战争条件下，人们经常处于爆炸的环境中，其中爆炸产生的冲击波导致环境压力的突变使头部产生直接伤害即一次伤害；爆炸冲击波带来的高速弹片以及建筑物倒塌对头部的击伤为二次伤害；当伤者倒地时，与坚硬的固体发生撞击即三次伤害。

伤者在二次伤害或者三次伤害时，颅脑受到中度或者重度伤害，此时身边人员可以及时发现伤者的情形。但是爆炸产生的一次伤害对颅脑产生的一次伤害，由于外表不明显，导致早期治疗时容易被忽视，从而给伤者的健康留下隐患，甚至会影响后续的正常生活。

另外，在生产生活中、高空跌落、交通车祸以及体育运动等原因导致的不同程度的颅脑操作也时有发生，尤其在机械、建筑、矿山等生产作业时，意外坠落和高空坠物的击打事件对作业者头部会造成颅脑的损伤。这种坠落物对人体伤害主要由加速度冲击力引起，与战争环境中弹片对头部击打作用原理类似，也往往造成外不可见的颅脑伤害，从而已被人们忽略而耽误治疗。

为避免伤害或者及时发现问题，在战争环境或者工业生产过程中需要人们穿戴防护头盔，并在防护头盔的上设置数据采集模块，检测并记录受到的冲击，以便可能在屏幕上显示结果。但是由于防护头盔的防护或屏蔽作用，采集的加载数据并不等同于人体所受到的加载。同时，由于不同头盔的型号、材料以及缓冲性能的不同，数据采集模块专一性较强，通用性能较差。例如，公开号为CN104585954A的中国专利申请中公开了可实时监测矿工健康的智能头盔装置，在头盔的内部安装一个光传感器。该光传感器紧贴矿工的头部，同时在后脑勺的位置布置一个处理器。该处理器可以把收集到的生理体征信息传输到地面调度室，用以实时监测矿工的身体状况。这种以心率等生理指标作为伤害的依据受到人心理状态影响较大。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种穿戴式冲击检测设备及控制方法，以解决现有技术中穿戴设备设计缺陷引起的数据采集不准确的问题，可以准确获取穿戴者所处的环境参数，及时发现穿戴者受伤的情况。

第一方面，本发明提供了一种穿戴式冲击检测设备，包括：至少一个终端装置以及处理装置；所述至少一个终端装置与所述处理装置无线连接；

所述至少一个终端装置用于获取穿戴人员所处环境的环境参数，并传输给所述处理装置；

所述处理装置用于根据预设算法处理结合所述环境参数判断穿戴人员的身体受伤情况。

可选地，每个终端装置包括传感器、第一处理器和第一通信模块；

所述第一处理器连接传感器，用于根据预设格式处理来自所述传感器采集的环境参数；

所述第一通信模块连接所述第一处理器，用于将所述预设格式的环境参数发送到所述处理装置。

可选地，所述传感器包括压力传感器和加速度传感器；所述压力传感器为NPP-301A-700A型号的压力传感器；所述加速度传感器为ADXL375型号的加速度传感器。

可选地，所述处理装置包括第二通信模块和第二处理器；所述第二处理器连接所述第二通信模块，用于处理来自所述终端装置的预设格式的环境参数，判断穿戴人员的身体受伤情况并且发送提示信息。

可选地，所述设备还包括至少一个备用处理模块；每个备用处理模块与所述至少一个终端装置以及所述处理装置通信连接，用于在所述处理装置发出故障信号时替换所述处理装置工作。

可选地，所述设备还包括至少一个报警装置；所述报警装置连接所述处理模块与所述至少一个备用处理模块，用于根据身体受伤情况进行报警。

第二方面，本发明实施例还提供了一种穿戴式冲击检测设备的控制方法，所述冲击检测设备包括压力传感器和加速度传感器，所述压力传感器以及加速度传感器以预设采集周期采集数据，所述控制方法包括：

根据预设控制策略采集当前环境的压力和加速度；

根据所述压力和加速度根据预设算法判断当前环境下穿戴者的受伤等级。

可选地，所述根据预设控制策略采集当前环境的压力和加速度的步骤中包括：

当所述冲击检测设备初始化时，所述加速度传感器以第一预设频率测量加速度，此时压力传感器处于待机状态；

当当前采集周期与上一采集周期所采集的加速度的差值超过第一预设值时，所述加速度传感器以第二预设频率测量加速度，同时所述压力传感器以预设采集周期采集当前环境压力；

当当前采集周期所采集的加速度超过第二预设值时，所述加速度传感器以第三预设频率测量加速度，同时所述压力传感器以预设采集周期采集当前环境压力。

可选地，当所采集的加速度超过第二预设值时，所述加速度传感器以第三预设频率测量加速度，同时所述压力传感器以预设采集周期采集当前环境压力的步骤还包括：

根据所述加速度计算容伤指数；所述容伤指数通过以下表达式计算：

$HIC={\left\{(t_2-t_1){\[\frac{1}{t_2-t_1}{\∫}_{t_1}^{t_2}a\left(t\right)dt\]}^{2.5}\right\}}_{max};$

当所述容伤指数超过指数预设值时，根据所述当前环境压力进行压力分级确定受伤等级；

式中，a(t)为加速度，单位为g，g＝9.81m/s²；t₁和t₂为冲击过程中的两个时刻；t₂-t₁为t₁时刻与t₂时刻之间的一段时间间隔，t₂-t₁≤15ms或者t₂-t₁≤36ms。

可选地，当所采集的加速度超过第二预设值时，所述加速度传感器以第三预设频率测量加速度，同时所述压力传感器以预设采集周期采集当前环境压力的步骤还包括：

利用力合成原理获取投影为所述当前环境压力且在所述加速度方向的压力调整值；

根据所述压力调整值进行压力分级确定受伤等级。

由上述技术方案可知，本发明中检测设备包括至少一个终端装置以及处理装置；所述至少一个终端装置与所述处理装置无线连接，这样在团队合作时，使每个穿戴者具有更充足的流动空间。所述至少一个终端装置用于获取穿戴人员所处环境的环境参数，并传输给所述处理装置；所述处理装置用于根据预设算法处理结合所述环境参数判断穿戴人员的身体受伤情况。由于处理装置统一处理至少一个终端装置采集的数据，由穿戴有安装处理装置的人员统一管理团队队员的身体健康情况，从而可以避免队员由于身体受伤报警时被其他人员(例如战斗小队作战时，如果队员报警有可以被敌方发现；或者新队员心理素质差影响到团队合作)发现，这样可以提高团队合作效率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例一提供的一种穿戴式冲击检测设备结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的另一种穿戴式冲击检测设备结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种穿戴式冲击检测设备结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的一种穿戴式冲击检测设备的控制方法的流程示意图；

图5是本发明实施例三提供的一种穿戴式冲击检测设备的控制方法的具体流程示意图；

图6是本发明实施例四提供的一种穿戴式冲击检测设备的控制方法的力合成原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种穿戴式冲击检测设备，如图1所示，包括：至少一个终端装置1(为简化附图，只画出一个终端装置1)以及处理装置2。至少一个终端装置1与处理装置2无线连接；当一个团队在使用本发明实施例的检测设备时，上述至少一个终端装置1穿戴在队员身上，处理装置2穿戴在队长或者领队身上。

至少一个终端装置1用于获取穿戴人员所处环境的环境参数，并传输给所述处理装置。其中环境参数包括穿戴人员当前所处环境的施加给穿戴人员的压力(主要是空气压力)以及加速度方向。处理装置用于根据预设算法处理结合所述环境参数判断穿戴人员的身体受伤情况。

需要说明的是，本发明实施例中加速度方向是反映检测设备在当前环境中的加速度方向，该加速度方向可以反映检测设备的当前受力情况，使所检测的环境参数更加准确。与现在技术中贴装一个压力传感器仅能检测一个方向上的压力相比，本申请的方案更加准确。

实际应用中，每个终端装置1包括传感器11、第一处理器12和第一通信模块13。第一处理器12分别连接传感器11和第一通信模块13，，用于根据预设格式处理来自传感器1采集的环境参数。第一通信模块13用于将预设格式的环境参数发送到处理装置2。

需要说明的是，本发明实施例中预设格式是指预先存储在第一处理器12中的数据格式。该预设格式根据第一通信模块13发送与接收数据的格式设置。在第一通信模块13的类型确定后该预设格式也是确定的。即该预设格式需要包含第一通信模块13发射数据的格式。本发明实施例中第一通信模块13采用现有技术中标准的电路实现，因此数据的预设格式也是符合现有技术中的数据标准的。

实际应用中，本发明实施例中第一通信模块13为蓝牙电路、射频电路、GSM、CDMA、3G、4G和5G中的一种或者多种。

例如，在战争环境中，团队队员之间距离非常近，此时第一通信模块13可以采用蓝牙电路实现，如某公司生产的BC04-B型蓝牙模块。采用蓝牙电路实现数据传输的同时，还可以防止被敌方人员检测到，保护了穿戴者的人身安全。

又如，在团队野外探险活动时，队员需要分散在各处的区域进行活动，队员之间距离可能保持几百米以上，此时第一通信模块13可以采用射频电路实现。如某公司生产的CMT2213A型无线收发芯片。当有队员发生意外时，此时第一通信模块13可以将检测的数据及时发送给几百米之外的队长，让队长及时了解到队员的身体健康情况。

当然，本发明实施例中也可以采用移动运营商的服务实现数据传输，此时第一通信模块13可以采用GSM、CDMA、3G、4G和5G中的一种或者多种通信电路实现。由于对应于移动运营商的电路已经商用，本领域技术人员可以根据需要进行选择，在此不再介绍。

需要说明的是，本发明实施例中第一通信模块13可以是上文中的一种，这样可以简化电路，团队队员人员比较少时可以使用，从而降低投资成本。当然也可以包括多种电路，以适用于不同的场景，如第一通信模块13包括蓝牙电路和GSM模块，平时使蓝牙电路进行短距离通信，只能在应急情况下才使用GSM模块发送数据。或者，不同的团队之间可以采用不同的无线通信方法实现通信，从而实现不同团队之间的数据传输保密以及干扰的问题。

当第一通信模块13采用多种电路实现时，上文中的预设格式也相应的设置为多种预设格式，本领域技术人员可以根据具体的电路进行设置，本发明不作限定。

现有技术中仅采用压力传感器，只采集到一个方向的受力，检测结果不准确。当设置多个压力传感器时不但会增加成本还会影响处理电路的处理速度。本发明实施例中传感器11包括压力传感器和加速度传感器。压力传感器可以采集当前环境的压力(空气压力)，同时加速度传感器采集检测设备的加速度。例如，压力传感器为NPP-301A-700A型号的压力传感器；加速度传感器为ADXL375型号的加速度传感器。本发明实施例仅介绍了一种压力传感器与一种加速度传感器，本领域技术人员可以根据需要选择不同型号或者具有与上述传感器具有相同功能的电路来实现环境参数采集。

另外，本申请中传感器中仅包含两种传感器电路，实际应用中还可以增加其他传感器，以获取其他环境参数，例如温度传感器、温度传感器等，在此不再详述。

本发明实施例中第一处理器12与传感器11连接，用于将传感器11采集的环境参数转换成预设格式的数据。实际应用中，该第一处理器12采用MC9508QG8型号的单片机芯片。当然，本领域技术人员可以采用现有技术中具有数据格式转换的电路实现，同样可以实现本发明的技术方案。

本发明实施例中处理装置2包括第二通信模块21和第二处理器22。第二处理器22连接第二通信模块21，用于处理来自终端装置1的预设格式的环境参数，即压力与加速度还原出穿戴人员所受到的实际压力。根据该实际压力判断穿戴人员的身体受伤情况并且发送提示信息。本发明一实施例中第二处理器为MC9508QG8型号的单片机芯片

需要说明的是，还原过程可以根据力学原理进行计算，例如检测压力为5N，而加速度与检测压力的夹角为30度，则实际压力为5×cos30^°，然后判断8.66N。然后判断8.66N与受伤等级的预设受力值进行时比较，从而判断穿戴人员的受伤等级。该受伤等级的预设受力值可以根据具体场景进行设置，本发明不作限定。

实际应用中，第二通信模块21与第一通信模块13相匹配，可以为蓝牙电路、射频电路、GSM、CDMA、3G、4G和5G中的一种或者多种。例如当第一通信模块13采用蓝牙电路时，第二通信模块21也采用对应的蓝牙电路。本领域技术人员可以根据需要进行选择，本发明不作限定。

需要说明的是，本发明中第一通信模块12还可以接收数据，第二通信模块21还可以发送数据，即两者配合实现数据的双向传输。由于数据双向传输已经比较成熟，在此不再介绍。

为使处理装置穿戴人员及时发现队员受伤情况，如图3所示，本发明实施实施例提供的穿戴式冲击检测设备还包括报警装置3。该报警装置3与第二处理器22连接，也可以与第一处理器12连接，当然也可以设置多个，分别为终端装置与处理装置配置一个报警装置3。报警装置3可以是LED灯、蜂鸣器、显示器和震动马达中的一种或者多种。本领域技术人员可以根据需要进行选择，本发明不作限定。

实施例二

本发明实施例提供了一种穿戴式冲击检测设备，如图3所示，包括：至少一个终端装置1(为简化附图，只画出一个终端装置1)以及处理装置2。由于终端装置1与处理装置2在实施例一已经介绍，在此不再详述。与实施例一不同之处在于，实施例二提供的检测设备还包括备用处理装置4。当处理装置2正常工作时该备用处理装置4不工作。处理装置2中的第二处理器与备用处理装置4中的第二处理器之间进行通信(现有技术中常用的握手信号即可)。当备用处理装置4中的第二处理器与处理装置2中的第二处理器无法进行通信，判定处理装置2发生故障。此时备用处理装置4代替处理装置4工作，具体工作过程请参见实施例一对处理装置4的内容，在此不再详细说明。

本实施例中备用处理装置4与处理装置2具有相同的电路，在此不再说明。

需要说明的是，该备用处理装置可以同时与处理装置2穿戴同一穿戴人员身上，也可以设置多个并与终端装置一起穿戴。此时，备用处理装置4与处理装置2之间的通信通过无线接收模块实现(图中未示出)。

实施例三

本发明提供的穿戴式冲击检测设备大部分用于户外场景，此时远离供电区域，为使冲击检测设备保持长时间工作状态，还需要对冲击检测设备的用电情况进行控制。为此，本发明实施例还提供了一种穿戴式冲击检测设备的控制方法，如图4所示，所述冲击检测设备包括压力传感器和加速度传感器，所述压力传感器以及加速度传感器以预设采集周期采集数据，所述控制方法包括：

S1、根据预设控制策略采集当前环境的压力和加速度；

S2、根据所述压力和加速度根据预设算法判断当前环境下穿戴者的受伤等级。

需要说明的是，本发明实施例中，预设控制策略是指预先设置在处理器内的控制策略。该预设控制策略可以为：

当所述冲击检测设备初始化时，所述加速度传感器以第一预设频率测量加速度，此时压力传感器处于待机状态；

当当前采集周期与上一采集周期所采集的加速度的差值超过第一预设值时，所述加速度传感器以第二预设频率测量加速度，同时所述压力传感器以预设采集周期采集当前环境压力；

当当前采集周期所采集的加速度超过第二预设值时，所述加速度传感器以第三预设频率测量加速度，同时所述压力传感器以预设采集周期采集当前环境压力。

本发明通过设置预设控制策略，使加速度传感器工作在不同的采集频率状态，且压力传感器在加速度传感器的不同工作阶段采集压力。通过使压力传感器以及加速度传感器工作的不同的场景，从而节省电能，使冲击检测设备能够长时间工作。

实际应用时，本发明实施例中步骤S2采用以下步骤获取受伤等级：

S21、根据所述加速度计算容伤指数；

S22、当所述容伤指数超过指数预设值时，根据所述当前环境压力进行压力分级确定受伤等级；

如图5所示，当冲击检测设备初始化时进行待机模式，加速度传感器以第一预设频率(例如12.5Hz)采集加速度a，此时判断穿戴者是否穿戴该冲击检测设备即计算当前采集周期与上一采集周期的加速度差值是否不大于第一预设值时(即Δa＝a₂-a₁≤a₀)。若条件成立，则说明未穿戴该冲击检测设备继续以第一预设频率采集加速度。

若不成立，则说明该冲击检测设备已经被穿戴，此时加速度传感器以第二预设频率(例如400Hz)采集加速度，同时压力传感器工作按照采集周期开始采集当前环境压力。若加速度小于或者等于第二预设值，则说明当前环境处于平稳状态(即穿戴者当前环境没有发生冲击情况)，压力传感器与加速度传感器继续保持采集状态。、

若当前环境的加速度大于第二预设值，则该加速度以第三预设频率(例如400Hz)采集加速度同时计算头部容伤指数HIC，同时压力传感器工作按照采集周期开始采集当前环境压力。

所述容伤指数通过以下表达式计算：

$HIC={\left\{(t_2-t_1){\[\frac{1}{t_2-t_1}{\∫}_{t_1}^{t_2}a\left(t\right)dt\]}^{2.5}\right\}}_{max};$

式中，a(t)为加速度，单位为g，g＝9.81m/s²；t₁和t₂为冲击过程中的两个时刻；t₂-t₁为t₁时刻与t₂时刻之间的一段时间间隔，t₂-t₁≤15ms或者t₂-t₁≤36ms。

若穿戴部位(头部)受到的冲击时间非常短，容伤指数HIC超过预设值(例如1000)时，说明穿戴部位有可能受到严重损伤。

此时再结合压力传感器采集的当前环境压力判断受伤等级。例如，若当前环境压力P小于或者等于25psi，则受伤等级为轻度伤害，报警提示(例如以绿色的LED灯表示)。若当前环境压力P小于或者等于40psi且大于25psi，则受伤等级为中度伤害，以黄色的LED灯提示报警。若当前环境压力P大于40psi，则受伤等级为重度伤害，以红色LED灯提示报警。

可见，本发明实施例中通过测量加速度计算容伤指数，并且加速度传感器根据不同的场景工作在不同的采集频率(待机、低频、高频)，压力传感器仅在加速度传感器工作在低频和高频场景下采集压力，这样可以使冲击检测设备短时间(通常是几秒)处于高功耗状态，大部分时间处于低功耗状态，从而极大提高了电源的续航能力。另外，本发明实施例在加速度超过第二预设值且容伤指数超过预设值时再进行压力分级确定受伤等级，这样可以提高确定受伤等级结果的准确度。

当然，本发明实施例中还可以为压力与加速度设置权重来判断受伤等级。如表1所示，利用压力P、加速度容伤指数HIC判断受伤指数G。

表1受伤等级判断方法

例如，若采集的压力小于P1，则压力伤害分值对应为G1＝1，同时加速度传感器采集的加速度和脉冲时间，计算得到的HIC的值小于A1，则加速度伤害分值为G2＝1。根据压力伤害和加速度伤害各占的权重ξ1和ξ2，得到综合伤害分值G(G＝G1·ξ1+G2·ξ2)。最后根据输出的G值来判断人员头部受到伤害的等级。

本发明实施例中，P0、P1、P2的参考值分别为5psi、25psi、40psi。A0、A1、A2的参考值分别为100、250、1000。ξ1、ξ2的参考值分别为0.6、0.4。

实施例四

本发明实施例还提供了一种穿戴式冲击检测设备的控制方法，如实施例三不同之处在于，步骤S2包括：

S21’、利用力合成原理获取投影为所述当前环境压力且在所述加速度方向的压力调整值；

S22’、根据所述压力调整值进行压力分级确定受伤等级。

如图6所示，本发明实施例中穿戴者在爆炸环境中压力传感器采集的压力F为水平方向，加速度a与压力F的夹角为b，根据力合成原理得到压力调整值F’，且F'＝F/cosb。

然后利用压力调整值F’判断受伤等级。例如，若当前环境压力P小于或者等于25psi，则受伤等级为轻度伤害，报警提示(例如以绿色的LED灯表示)。若当前环境压力P小于或者等于40psi且大于25psi，则受伤等级为中度伤害，以黄色的LED灯提示报警。若当前环境压力P大于40psi，则受伤等级为重度伤害，以红色LED灯提示报警。

可见本实施例中通过对穿戴者受力进行调整可以提高确定受伤等级结果的准确度。

综上所述，本发明实施例提供的穿戴式冲击检测设备及控制方法，通过将检测设备分为至少一个终端装置以及处理装置。由于每个终端装置检测队员的环境参数，终端装置包括压力传感器与加速度传感器，然后由处理装置根据压力传感器与加速度传感器还原穿戴者的受伤情况，压力传感器结合加速度传感器可以避免仅由压力传感器检测单向受力而引起的压力检测不准确的问题，可以及时准确的发现受伤情况，避免留下健康隐患，进而提高团队合作效率。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。