一种空降兵心率变异性实时监测装置的制作方法

本公开涉及生理数据检测技术领域，特别涉及一种空降兵心率变异性实时监测装置。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

高空跳伞是空降兵必须要掌握的军事技能，也是一项高风险的军事活动，是需要长期的反复训练。在训练过程中，常伴有强烈的心理应激，而这会导致空降兵跳伞技术发挥失常，动作协调失衡，分析判断和处理险情的能力下降，极大的增加了跳伞受伤的几率。据有关资料介绍，一般高空跳伞出舱高度为4500m以下，1000m左右开伞。若跳伞者在3000m高度起跳，在1000m高度开伞，心理应激会影响自主神经功能，导致心率变异性的改变，因此心率变异性也被认为是测量心理应激水平的一个较灵敏的指标。对空降兵跳伞前后的心率变异性进行实时监测，可获悉伞兵的心理应激状态，为其制定更合理的训练方法，避免受伤情况出现。同时，大数据的积累，能够为科学的训练方法提供重要数据支持与生理依据，从而完善科学训练理论体系，提高空降兵队伍的整体军事能力。

心率变异性(heartratevariability，hrv)是心电信号检测的一项重要指标，是指顺势心率的微小差异或微小涨落现象，具体又包括多个重要的指标，比如sdnn、rmssd、hrvi、sdnn、sdann等，在分析方法上包括时域分析、频率分析等。hrv信号分析可以定量评估心脏交感神经和迷走神经活动的紧张性、均衡性，目前已广泛用于生理心理学研究，尤其用在与自主神经系统功能相关的生理心理活动研究中。对伞降兵进行实时的hrv信号检测，可以为评价跳伞心理应激强度提供方法和生理学依据。

但是，发明人在研究中发现，(1)医用的心电图监测设备属于精密医学仪器，能够精确监测心信号，但不具备便携性、可穿戴性；(2)常见的可穿戴心电监测设备也能够对人体心电信号进行实时监测，具有便携性，可穿戴性，但是却不能同时记录被检测者的速度、加速度、空中姿态，环境因素等信息；(3)目前已公开的可用于伞兵生理监测的装置设计，其中一些生理参数检测项多而繁琐，并没有针对性检测心率变异性，过多信号接线也给跳伞者顺利完成规定动作带来不便捷性；另外一些则只是将其作为设备中心的控制器、处理器信号采集的接口，没有充分发挥其在线数据运算、信号处理的能力，是一种计算资源浪费，同时也没有考虑到长时间原始信号采集带来的数据存储压力。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种空降兵心率变异性实时监测装置，为空降兵跳伞训练的心理应激性提供了生理参数指导，为科学性训练方法提供了生理依据，提高了空降兵跳伞训练的科学性和安全性。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种空降兵心率变异性实时监测装置，包括背心本体、设于背心本体上的生理检测模块、环境检测模块、姿态检测模块和第一处理器；所述生理检测模块、环境检测模块、姿态检测模块分别用于实时采集使用者的生理数据、所处环境数据和姿态数据，并分别与第一处理器通信连接；所述第一处理器用于根据接收到的生理数据、所处环境数据和姿态数据对使用者的身体状况进行实时监测。

作为可能的一些实现方式，所述背心本体正面腹部位置固定连接有正面收紧弹性韧带，所述背心本体背面肩部以下位置固定连接有背面收紧弹性韧带。

作为可能的一些实现方式，还包括有控制盒，所述控制盒固定在背心本体腹部位置的外部，所述第一处理器设于控制盒内。

作为可能的一些实现方式，所述生理检测模块包括三导联心电信号检测传感器、第二处理器、贴片式体温传感器和贴片式血氧传感器，三导联心电信号检测传感器的三个柔性织物电极分别固定在背心本体正面内部靠近左右胸肌和左下腹位置，用于采集使用者的原始心电图数据；所述贴片式体温传感器和贴片式血氧传感器固定在背心本体内部靠近左腋下位置，用于采集使用者的体温、心率和血氧数据；所述三导联心电信号检测传感器和第二处理器设于控制盒内。

作为可能的一些实现方式，所述第二处理器为ad8232处理器，与三导联心电信号检测传感器通信连接，用于对三导联心电信号检测传感器采集的原始心电信号进行模数转换和调理。

作为可能的一些实现方式，所述环境检测模块包括温湿度传感器、气压传感器和氧含量检测传感器，所述温湿度传感器用于采集使用者所处环境的温度、湿度数据，所述气压传感器用于采集使用者所处环境的气压和海拔数据，所述氧含量传感器用于采集使用者所处环境的氧气浓度数据；所述姿态检测模块为六轴角速度传感器，用于采集使用者的加速度、角速度和身体倾角，所述温湿度传感器、气压传感器、氧含量检测传感器和六轴角速度传感器均设于控制盒内。

作为可能的一些实现方式，六轴角速度传感器固定于控制盒底部，相对于人体的相对角度为零，且与人体的朝向相同。

作为可能的一些实现方式，所述第一传感器为arduino处理器，用于接收各个传感器采集到的数据并对数据进行处理和阈值判断，对使用者的身体状况进行实时监测。

作为可能的一些实现方式，还包括数据采集记录模块，所述数据采集记录模块与arduino处理器通信连接，用于存储采集到的数据。

作为可能的一些实现方式，还包括报警模块，所述警报模块包括arduino板载指示led灯和蜂鸣器。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的装置可以获取使用者的姿态信息、环境参数和多种身体参数，通过arduino处理器对采集的原始信号进行处理，实现了对使用者身体状况进行实时、准确监测，完善了科学训练理论体系，提高了空降兵队伍的整体军事能力。

2、本公开所述的监测装置设计合理，体积小，数据实时处理与储存，自动化程度高，可穿戴、舒适，具有很高的实用性和可靠性。

3、本公开所述的装置通过采用三导联心电信号检测传感器和ad8232处理器的配合，实现了心电信号的准确采集和调理，极大的提高了数据采集的准确性。

4、本公开所述的装置通过设置报警装置，实现了对使用者心率异常的实时告警，从而极大的保证了使用者的安全。

附图说明

图1是本公开实施例1所述的空降兵心率变异性实时监测装置结构示意图。

图2是本公开实施例1所述的三导联电极的连接示意图图。

图3是本公开实施例1所述的空降兵心率变异性实时监测装置的连接框图。

图4是本公开实施例1所述的空降兵心率变异性实时监测装置的电气框图。

图5是本公开实施例1所述的空降兵心率变异性实时监测装置的工作流程图。

101-背心本体；102-正面收紧弹性韧带；103-背面收紧弹性韧带；104-三导联心电信号检测传感器柔性织物电极；1041-第一电极；1042-第二电极；1043-第三电极；105-控制盒；201-生理检测模块；202-环境检测模块；203-六轴角速度传感器；204-arduino处理器；211-三导联心电信号检测传感器；212-贴片式体温传感器；213-贴片式血氧传感器；214-ad8232处理器；221-温湿度传感器；222-气压传感器；223-氧含量检测传感器；241-数据采集记录模块；242-9v充电锂电池。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1：

如图1-5所示，本公开实施例1提供了一种空降兵心率变异性实时监测装置，包括背心本体101、设于背心本体101上的生理检测模块201、环境检测模块202、姿态检测模块和arduino处理器204；所述生理检测模块201、环境检测模块202、姿态检测模块分别用于实时采集使用者的生理数据、所处环境数据和姿态数据，并分别与arduino处理器204通信连接；所述arduino处理器204根据接收到的生理数据、所处环境数据和姿态数据并对上述数据进行处理和阈值判断，对使用者的身体状况进行实时监测。

所述背心本体101正面位于腹部位置固定连接有正面收紧弹性韧带102，所述背心本体背面位于肩部以下位置固定连接有背面收紧弹性韧带103。

还包括有控制盒105，所述控制盒105固定在背心本体101腹部外部，控制盒105是非密封的，配置有连接信号线的接线孔，控制盒105底侧朝内系到伞降兵腰间，正面朝外，位置固定；还包括9v充电锂电池242，用于对整个设备进行供电；电源开关放置于控制盒105表面，用于控制处理器的上电。

所述生理检测模块201包括三导联心电信号检测传感器211、ad8232处理器214、贴片式体温传感器212和贴片式血氧传感器213，三导联心电信号检测传感器211的三个柔性织物电极104分别固定在背心本体101正面内部靠近左右胸肌和左下腹位置，用于采集使用者的原始心电图数据，如图2所示，第一电极1041贴到右部胸肌周围、第二电极1042贴到左胸肌周围、第三电极1043贴到左下腹位置，输出信号经过导线连接至控制盒内的ad8232处理器；所述贴片式体温传感器212和贴片式血氧传感器213固定在背心本体101内部靠近左腋下位置，用于采集使用者的体温、心率和血氧数据，所述贴片式体温传感器直接输出数字信号，其数字输出“dio”管脚连接arduino的数字输入引脚d2。

所述ad8232处理器214与三导联心电信号检测传感器211通信连接，用于对三导联心电信号检测传感器211采集的原始心电信号进行模数转换和调理；本实施例所述的三导联心电信号检测传感器211的三个电极的连接至皮肤固定位置，采集生物电信号，输出信号经过心电监护调理模块ad8232处理器进行信号调理，主要作用是放大微弱的心电信号，输出模拟信号直连到arduino处理器的模拟接口，进行信号的模数转换以及后续的数字信号处理；心电信号调理模块ad8232处理器的输出“output”管脚连接arduino的模拟输入引脚a0，进行信号的模数转化和信号的处理。

本实施例所述的第一处理器采用arduino处理器，通过其上数字接口、模拟接口接收生理检测单元、环境检测单元、姿态检测模块采集的数据信息，并对三导联心电信号检测传感器采集的原始心电信号进行处理，通过对采集的信息进行阈值判断，通过led灯指示心率变异性。

arduino处理器对转化之后的数字心电信号处理包括：带通滤波、导数滤波、平方滤波、积分滤波、r波的提取，共5个步骤。通过带通滤可以有效地减少肌电噪声、基线漂移、工频干扰及t波干扰的影响；通过导数滤波可以获得qrs波群的斜率信息；通过平方滤波将所有数据变为正数，并且对频率较高的点达到非线性放大效果；通过积分滤波将得到的信号进行平滑处理。经过上述四步，心电信号预处理完成。在预处理得到的信号中，用信号峰检测算法，确定r波位置，最后完成r波的提取。

所述的带通滤波通过级联低通滤波器和高通滤波器组成一个带通滤波器，其通带频率为5hz到12hz，衰减为3db。低通滤波器的传递函数、振幅响应分别如下：

其中t是采样周期，带通滤波器差分方程如下：

y(nt)＝2y(nt-t)-y(nt-2t)+x(nt)-2x(nt-6t)+x(nt-12t)(1-3)

所述导数滤波即使用五点最小二乘线性拟合，以获取qrs波群的斜率信息。导数滤波器的传递函数、振幅响应分别如下：

导数滤波器的差分方程如下：

所述平方滤波即对信号进行逐点平方，其函数如下：

y(nt)＝[x(nt)]²(1-7)

通过平方滤波将所有数据变为正数，并且对频率较高的点达到非线性放大效果。

所述积分滤波通过移动窗口积分将信号进行平滑处理，即可得到r波的特征信息。积分滤波器的方程如下：

本实施例所述的信号峰检测算法采用动态阈值法，该算法分为三个过程：阶段1，阶段2和检测。阶段1需要约2秒来基于在学习过程期间检测到的信号和噪声峰值来初始化检测阈值。阶段2需要两次心跳来初始化rr间隔平均值和rr间隔限制值。随后的检测阶段进行识别过程并为每个qrs复合波产生脉冲。周期性地调整算法的阈值和其他参数以适应信号的变化特性。确定r波后，可以获得rr间期(两个相邻的r波之间的时间间隔)和nn间期(全部窦性心搏rr间期)的时间序列信号，根据时间序列信号按照时间顺序或心搏顺序排列得到心率变异性数据。

本实施例中采用贴片式血氧传感器模块输出模拟信号，其模拟输出“s”管脚连接arduino的模拟输入引脚a1，由于不同的环境，不同的海拔人体的生理参数会发生较大的变化，如血氧，心率，研究表明海拔越高，血氧越低，心率越快。所以本系统采用arduino处理单元结合海拔参数设定一个动态阈值，则血氧、心率动态阈值的计算公式分别为：

其中xpulse分别为所处位置血氧、心率的动态阈值，x0、x1分别为海平面位置的血氧、心率值，h表示所处位置的海拔高度。

所述环境检测模块202包括温湿度传感器221、气压传感器222和氧含量检测传感器223，所述温湿度传感器221用于采集使用者所处环境的温度、湿度数据，所述气压传感器222用于采集使用者所处环境的气压，进而可以从中得到海拔高度的信息；所述氧含量传感器223用于采集使用者所处环境的氧气浓度数据；所述姿态检测模块为六轴角速度传感器203，用于采集使用者的加速度、角速度和身体倾角。

本实施例所述的温湿度传感器是校准后输出数字信号，其数字输出“data”管脚连接arduino的数字输入引脚d3，校准系数以程序的形式存在otp内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。其精度湿度±5％rh，温度±2℃，量程湿度20～90％rh，温度0～50℃，通过单线制串行接口与arduino处理器相连。为了提高数据的实时性，采用115200的波特率传输速度模式，每隔10ms输出1帧数据，每帧数据分为2个数据包，分别为温度包，湿度包，2个数据包顺序输出。

本实施例所述的氧气含量检测传感器输出数字信号，其“data”管脚连接arduino的数字输入引脚d3，用于空气中的氧气浓度。

本实施例所述的六轴角速度传感器模块采用的是mpu6050，其数据读出接口采用的是串行通信模式，连接arduino的两个数字接口，即串行通信“scl”、“sda”管脚连接arduino的对应的串行通信引脚sda、scl，其供电与接地都来自上位机(arduino)的提供，波特率115200或9600，停止位1，校验位0，伞兵在高速下降过程中，身体姿态将快速发生改变，为了提高数据的实时性，采用115200的波特率传输速度模式，每隔10ms输出1帧数据，每帧数据分为3个数据包，分别为加速度包，角速度包和角度包，3个数据包顺序输出。

加速度计算公式为：

其中，g为重力加速度，可取9.8m/s²。

角速度计算公式为：

角速度计算公式为：

滚转角(x轴):

俯仰角(y轴):

偏航角(z轴):

六轴角速度传感器203固定于控制盒105底部，相对于人体的相对角度为零，且与人体的朝向相同。

本实施例采集气压传感器(mpl3115a2)的数据，不同的海拔人体的生理参数会发生较大的变化，要使检测的生理数据更具有客观性，必须要排除海拔高度的环境因素的影响。

本实施例所采用的气压(海拔高度)传感器为：mpl3115a2，采用绝压传感器测量大气压力，通过与海平面大气压力的比较来获得高度信息，此时该传感器被称为压力高度计，精度高、采样频率高、抗干扰能力强，能对气压和海拔高度进行实时测量，数据读出的海拔高度单位为米(m)、气压单位帕斯卡(pa)；采用i2c协议模式与arduino进行连接，数据线sda与时钟线scl分别连接arduino的数字接口a4、a5，电压与接地连接arduino的电源与接地。

本实施例所述的mpl3115a2气压传感器具有两种偏移量寄存器：温度偏移量寄存器off_t和高度偏移量寄存器off_p，采用偏移量寄存器进行偏移量调节。温度偏移量寄存器off_t的温度偏移量修正值为8位二的补码，调节范围约为±8℃，最低有效位为0.0625℃；而高度偏移量寄存器off_h高度偏移量修正值为8位二的补码，调节范围为-128m～+127m，最低有效位为1m。通过两种寄存器可进减小、甚至消除影响量，提高测量的精度。通过偏移量寄存器的补偿，计算得出海拔高度为：

其中h为海拔高度，p0为海平面标准大气压，值为101325pa，p为测量大气压。

本实施例所述的mpl3115a2气压传感器具有内置的32采样fifo缓冲区，能够存储20位压力数据和12位温度数据。fifo可以很好地实现系统低功耗，通过配置mpl3115a2以监控所需的中断，将处理器置于低功耗模式，直到需要对传感器作出响应。较高的采样率数据可以在fifo中捕获并在合理的更新时间访问，而不需要通过单独访问每个样本来增加计算吞吐量。mpl3115a具有三种类型的寄存器：控制寄存器、状态寄存器、数据寄存器，通过控制寄存器配置，其工作模式的配置是通过写入控制寄存器来实现。

(1)控制寄存器的配置：

本实施例对mpl3115a2控制寄存器ctrl_reg1(地址:0x26)与ctrl_reg2(地址：0x27)进行配置，这两个寄存器的描述如下图：

ctrl_reg1：

开始工作时，将rst配置为1，初始化mpl3115a2，复位所有寄存器。将sbyb配置为0，进入就绪模式，寄存器的配置是在就绪模式下进行，将os[2:0]配置为000，两个相邻采样点的时间间隔则为6ms(采样率)；alt用来配置测海拔高度或者测气压的功能模式的切换，当测试海拔高度时将其配置为1；传感器内部直接得到的是气压值，海拔高度通过如下公式得到：

其中h为海拔高度，p0为海平面标准大气压，值为101325pa，p为测量大气压。

ctrl_reg2：

st[2:0]配置两次采样的时间步长(时间间隔)，其默认值为0，即连续采样，这里采用默认模式，除0外，其他时间步长最小为1s，而心率一般大于60，所以采用连续模式。

pt_data_cfg

根据芯片int1与int2管脚的连接方式，采用轮询法进行数据的读取，时须在初始化函数中设置pt_data_cfg的值为0x07，这样dr_status就是自动置位就绪模式下配置完毕后，接下来配置ctrl_reg1的sbyb为1，使其进入活动读取模式。

(2)读出寄存器的数据：

dr_status:

在读取数据寄存器数据时，首先根据dr_status状态寄存器，来获取采样数据的实时信息：当pdr为1时，表示新测得的气压/海拔值已经准备就绪，就可以对数据寄存器out_p_msb、out_p_csb、out_p_lsb以及out_t_msb、out_t_lsb中的数据进行读取。

寄存器out_p_msb、out_p_csb、out_p_lsb存储20位有符号气压/高度数据，out_p_msb和out_p_csb存储整数部分，out_p_lsb的高4位存储小数，因此想要得到确切数据值，需要对其进行格式转化，如下：

20-bit压力读值及高度计算：

将其转化为高度：

还包括数据采集记录模块241，所述数据采集记录模块241与arduino处理器204通信连接，对各个单元采集的数据进行记录，通过串行通信与arduino处理器相连接，其“tx”、“rx”连接arduino的两个数字接口d0、d1；还包括报警模块，所述警报模块包括arduino板载指示led灯和蜂鸣器；所述led灯用于指示数据正常采集且正常存储和指示心率变异性。

所述arduino处理器204、三导联心电信号检测传感器211、ad8232处理器214、温湿度传感器、气压传感器、氧含量检测传感器、六轴角速度传感器和9v充电锂电池均设于控制盒105内。

本实施例所述的装置具体工作原理为：

如图5所示，跳伞员跳伞出舱前打开空降兵心率变异性实时监测的装置的电源开关，9v充电锂电池给各个单元供电，各个模块初始化，各个传感器开始工作；

环境检测单元开始采集所处环境的温度、湿度、气压、海拔数据，通过arduino处理单元结合海拔参数设定心率、血氧的动态阈值，设定初始加速度、加速度、姿态角为0m/s²，0m/s，0°，设置下降速度阈值为200km/h，设置开伞阈值高度为1100m(3000m～4500m高度跳伞)；

三导联心电信号检测传感器柔性织物电极实采集人体心电信号，贴片式温度传感器实时采集人体温度数据，贴片式血氧传感器实时采集人体心率、血氧数据，六轴角速度传感器实时采集空降兵高空姿态，包括加速度、角速度、身体倾角，并通过arduino处理器判断姿态角是否偏离正常姿态、是否超过阈值速度、是否到达跳伞高度，若有异常，指示led灯闪烁绿色；

跳伞过程中生理检测单元实时工作，通过arduino对采集的数据进行处理，通过处理后的心电信号rr间期和nn间期来判断心率变异性与否情况，并且实时判断心率、血氧阈值，若心率变异则指示led灯闪烁红色，蜂鸣器报警，若心率、血氧不在阈值范围内指示led灯闪烁蓝色，蜂鸣器报警；上述信号和数据时刻保持与arduino进行数据通信，arduino处理器接收到上述数据，将数据打包实时存储到数据采集记录器中；空降兵落地后可直接从数据采集记录器中读取数据进行分析。

本公开的上述算法和计算方法仅用于本领域技术人员更好的理解本公开的技术方案，并不仅限于上述算法和计算方法，同时以上所述仅为本公开的优选实施例而已，同时并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。