一种非接触式生命体征无线监测装置及方法与流程

本发明涉及一种通过分析人体对无线信号的反射波实现对人体的呼吸、心跳等生命体征进行非接触监测的装置，属于医疗健康与信息技术领域。该装置为一种非接触的、通过发射无线电波并测量人体反射波的、可同时监测多人多种生命体征的身体健康状态监测装置。

背景技术：

人体生命体征监测在医疗监护、老人监护、儿童监护、睡眠质量监测等众多领域有着广泛的应用。基于测量的人体生命体征数据，可以实时评估出人体的身体健康状态，从而可实现对被监护人的实时监测，避免意外事件发生。

目前，比较成熟的生命体征监测装置多为接触式的监测设备，需要佩戴传感器到被监测人体上，造成被监测人活动不便、用户体验较差。

研究人员尝试利用无线信号以非接触的方式测量人体生命体征。相关工作，如“专利cn201520665067.7非接触式生命体征监测装置及睡眠管理系统”，该装置采用多普勒雷达作为无线传感器，通过分析多普勒雷达信号反射波实现对呼吸、心率等信息的监测，该装置适合安装到床的周边用于实现睡眠监测；专利“cn201510746873.1一种非接触式生命体征智能检测装置”，该装置同样基于雷达信号探测单个人体的呼吸、心率等人体生命体征参数。上述装置虽然可以探测单人的生命体征，但是，这些装置无距离分辨能力，无法实现对多人的同时监测；同时，在反射波处理方法以及监测性能等方面有待进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种可实现对多人多生命体征同时进行非接触无线监测的装置，该装置发射频率变化的无线电信号，测量多个人体的反射信号，通过对反射信号的分解实现对不同人体反射信号的分离，进而分析各个人体的反射信号，实现对人体体征参数的估计。与已有技术相比，本发明的装置可发射频率变化的无线电波，从而实现了对不同距离人体反射信号的区分；同时，基于距离谱以及多普勒谱，采用频域处理方法与独立成分分析方法对反射信号进行处理，实现各个人体反射信号的分离。

本发明的技术方案：

一种非接触式生命体征无线监测装置，该无线监测装置包括可变频率无线发射电路2、同步无线接收电路3、任意波形发生电路1、三通道同步模数转换电路4和微处理器5；所述的任意波形发生电路1分别与微处理器5和可变频率无线发射电路2相连，微处理器5通过控制任意波形发生电路1的输出电压来控制可变频率无线发射电路2的发射频率，通过控制任意波形发生电路1的输出波形来决定可变频率无线发射电路2的发射频率变化规律；所述的可变频率无线发射电路2与同步无线接收电路3相连，可变频率无线发射电路2用于向人体发射无线电信号，同时将振荡信号输送到同步无线接收电路3；同步无线接收电路3用于接收经人体反射的信号，并对信号进行放大及混频操作；同步无线接收电路3的本振频率随着可变频率无线发射电路2的本振频率同步变化；所述的三通道同步模数转换电路4分别与任意波形发生电路1、同步无线接收电路3和微处理器5相连；三通道同步模数转换电路4的三个通道分别采集任意波形发生电路1的输出信号以及同步无线接收电路3的同相差频信号和正交差频信号，三个通道进行数据采集时需要确保严格时间同步；所述的微处理器5中配置反射信号处理软件，反射信号处理软件对采集到的三路数字量信号进行处理，分离出各个人体的反射信号，估计出各个人体的生命体征参数。

所述可变频率无线发射电路2的本振采用压控振荡器，其振荡频率随输入电压的变化而线性变化，能将本振信号放大并通过定向天线发射出去；

所述同步无线接收电路3的本振与可变频率无线发射电路2的本振具有相同的频域与相位，同步无线接收电路3通过定向天线接收并放大信号，将放大后的信号与本振进行正交混频操作，输出同相差频信号和正交差频信号，对差频信号进行滤波放大并输出；

所述任意波形发生电路1能够产生任意波形，输出信号的幅度、频率可调节；任意波形包括三角波、锯齿波或正弦波；

所述三通道同步模数转换电路4由独立的三个模数转换芯片组成，在同一个采集时钟的控制下，三个模数转换芯片同步的对三路输入信号进行模拟量至数字量的转换；

所述微处理器5中的反射信号处理软件能够基于距离谱以及多普勒谱，采用频域处理方法与独立成分分析方法对来自多个人体的反射信号进行分离，并估计各个人体生命体征参数。

一种非接触式生命体征无线监测方法，步骤如下：

1)任意波形发生电路1产生某一规律的信号传输到可变频率无线发射电路2中，该信号控制可变频率无线发射电路2的压控振荡器输出某一规律的可变频率无线电信号，并通过定向天线发射至人体；

2)无线电信号遇到人体后发生反射，同步无线接收电路3接收及放大反射信号，对反射信号进行混频操作，并输出同相差频信号和正交差频信号；

3)三通道同步模数转换电路4对任意波形发生电路1的输出信号、同步无线接收电路3输出的同相差频信号和正交差频信号进行同步采集，获得三路数字量信号并传输给微处理器5；

4)微处理器5运行反射信号处理软件，基于获得的三路数字量信号，基于距离谱以及多普勒谱，采用频域处理方法与独立成分分析方法对来自多个人体的反射信号进行分离，并估计各个人体生命体征参数。

所述反射信号处理软件的处理方法如下：

1)根据任意波形发生电路1输出信号的周期规律，对同步无线接收电路3输出的同相差频信号以及正交差频信号进行周期划分；

2)对每个周期内的同相差频信号和正交差频信号进行快速傅里叶变换，获得信号的幅度谱以及相位谱，基于幅度谱获得反射信号距离谱；

3)根据连续一段时间内的多个周期信号生成的幅度谱以及相位谱，获得不同距离的反射信号初始相位，对各周期内各距离对应的反射信号初始相位组成的序列进行快速傅里叶变换，获得反射信号多普勒谱；

4)基于距离谱以及多普勒谱，判定人体个数；

5)采用独立成分分析方法从反射信号中分离出各个人体的反射信号，之后，对分离出来的各个人体反射信号重新计算其各自的距离谱以及多普勒谱；

6)根据同相差频信号和正交差频信号的初始相位时域特征，以及其对应的多普勒谱特征，估计出人体生命体征参数。

本发明的有益效果：可提供一种非接触的、可同时监测多人多种生命体征的无线监测装置，该装置具有便捷、多人同时监测、布设方便等优点。其在医疗监护、老人监护、儿童监护、睡眠质量监测等领域有着很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明装置的系统结构框图。

图中：1任意波形发生电路；2可变频率无线发射电路；3同步无线接收电路；4三通道同步模数转换电路；5微处理器。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图具体详细阐述本发明的具体实施。

实施例采用图1所示的系统结构框图。装置的构成如下：任意波形发生电路1采用直接数字式频率合成器ad9833来进行设计，微处理器5通过spi总线控制任意波形发生电路1输出幅度1v、偏置1.5v、频率100hz的三角波；三角波连接到可变频率无线发射电路2的压控振荡器上控制其振荡频率，可变频率无线发射电路2由压控振荡器、放大器、定向天线组成，工作在24ghz-24.5ghz的频带，可变频率无线发射电路2在任意波形发生电路1的控制下通过定向天线发射频率变化的无线电波，同时，其振荡信号送到同步无线接收电路3；同步无线接收电路3将可变频率无线发射电路2的振荡信号作为同相本振信号，移相90度生成正交本振信号，同步无线接收电路3通过天线接收人体的反射波，对反射信号放大，之后在混频器中与同相本振信号以及正交本振信号进行混频处理，输出同相差频信号以及正交差频信号；三通道同步模数转换电路4采用niusb-6009数据采集卡，它对任意波形发生电路1的输出信号、以及同步无线接收电路3输出的同相差频信号以及正交差频信号进行同步模数转换，模数转换频率48khz，模数转换精度16位；微处理器5采用嵌入式pc机，其通过usb3.0接口读取三通道同步模数转换电路4采集到的三路数字量信号，利用matlab实现反射信号处理并提取出多个人体的生命体征参数。

测试表明，该非接触式生命体征无线监测装置在探测间隔0.5m的三个人时，可精确地监测其呼吸频率以及心率，误差均在1％以内。