[發明專利]一種基于重力加速度傳感器的可穿戴坐姿監測系統和方法

有效

• 申請號: 201710785883.5
• 申請日: 2017-09-04
• 公開（公告）號: CN107744393B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 孟濬;虞捷舟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;G08B21/24
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

1.一種基于重力加速度傳感器的可穿戴坐姿監測系統，其特征在于，該系統包括衣服本體；所述衣服本體設有微處理器；衣服本體的背面豎直中線上設有至少一個重力加速度傳感器模塊，向微處理器輸出數字電壓信號；

所述微處理器包括直接處理模塊和呼吸處理模塊；所述直接處理模塊包括直接訓練模塊和直接檢測模塊；所述直接訓練模塊用于根據用戶的不同坐姿類型和其對應的重力加速度傳感器模塊采集的數字電壓信號進行聚類分析，獲得背部姿態直接檢測模型；所述直接檢測模塊，將在實時監測過程中采集的用戶實時數字電壓信號輸入背部姿態直接檢測模型，獲得直接坐姿檢測結果；呼吸處理模塊包括呼吸訓練模塊和呼吸檢測模塊；所述呼吸訓練模塊用于根據用戶標準坐姿和非標準坐姿時，根據重力加速度傳感器模塊采集的數字電壓信號分析得到的呼吸的順暢度不同進行聚類分析，獲得呼吸檢測模型；所述呼吸檢測模塊，將在實時監測過程中采集的用戶實時數字電壓信號輸入呼吸檢測模型，實時監測用戶呼吸順暢度，實現通過呼吸順暢度判斷坐姿是否正確；直接處理模塊的判斷結果干擾多，呼吸處理模塊的判斷結果穩定但相對滯后；當直接處理模塊和呼吸處理模塊同時得到非標準坐姿結果時，對用戶報警。

2.根據權利要求1所述的一種基于重力加速度傳感器的可穿戴坐姿監測系統，其特征在于，所述衣服本體的背面從上至下設有三個重力加速度傳感器模塊，第一個重力加速度傳感器模塊的位置與衣服本體的領口處相對應，第二個重力加速度傳感器模塊的位置與衣服本體的胸口處相對應，第三個重力加速度傳感器模塊的位置與衣服本體的腰處相對應。

3.根據權利要求1所述的一種基于重力加速度傳感器的可穿戴坐姿監測系統，其特征在于，所述微處理器連接蜂鳴器模塊和顯示模塊；所述顯示模塊用于向用戶展示訓練坐姿和該用戶的坐姿類型；所述蜂鳴器模塊用于在用戶坐姿不準確時報警。

4.一種利用權利要求1-3任一項所述系統進行坐姿監測的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)待訓練用戶穿戴衣服本體，獲得多組體態特征不同的用戶的標準坐姿、駝背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿下的重力加速度傳感器的數字電壓信號，通過k-means算法得到每種姿態的聚類中心數據，并預存在微處理器中；

(2)待監測用戶穿戴衣服本體，顯示模塊的顯示屏上展示待訓練的標準坐姿和駝背坐姿；用戶按照顯示屏顯示的圖像訓練動作，訓練多次，每次采集所有重力加速度傳感器模塊的數字電壓信號；

(3)微處理器將采集到的重力加速度傳感器模塊的數字電壓信號與微處理器中預先通過k-means聚類分析后得到的不同姿態的聚類中心數據比較，找到最接近的聚類中心數據；將采集的標準坐姿數據和聚類中心數據中的標準坐姿數據相減，用所得的差值矯正聚類中心數據中的駝背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿的聚類中心數據，得到校正后的包括標準坐姿、駝背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿的直接檢測模型，實現初始校正；

(4)微處理器分別將訓練時的用戶標準坐姿和駝背坐姿的加速度數據按照用戶呼吸頻率進行濾波，取出其中濾波后幅值最大的波形作為濾波后波形；將濾波后波形放大，通過二次求導獲得濾波后波形峰值點，計算峰值周期T；用峰值周期T采樣濾波后波形，取波形中時間kT、(k+1)T和(k+2)T(k為正整數)對應的幅值分別作為X、Y、Z軸的坐標，以坐標值確定出對應的相空間的點，作相空間圖；對相空間圖進行聚類分析，得到呼吸檢測模型；

(5)在直接檢測模塊中，將重力加速度傳感器模塊獲得的數字電壓信號輸入直接檢測模型中，跟初始校正后的標準坐姿聚類中心比較；在一定閾值內認為是標準坐姿，當超過閾值時進行計數，當連續超過閾值次數達到計數閾值后認為坐姿發生變化，變為非標準坐姿，非連續時對計數進行清零；

(6)在呼吸檢測模塊中，將重力加速度傳感器模塊獲得的數字電壓信號按照用戶呼吸頻率進行濾波，將濾波后波形放大，用步驟(4)得到的峰值周期T采樣濾波后波形，以kT、(k+1)T和(k+2)T時刻對應的幅值作為X、Y、Z軸的坐標，作相空間圖，對比呼吸檢測模型，判斷是否為標準坐姿；

(7)當直接檢測模塊和呼吸檢測模塊得到的結果同為非標準坐姿時，將采集的加速度傳感器的數字電壓信號與直接檢測模型中的駝背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿的校正后的聚類中心進行比較，識別非標準坐姿類型。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在步驟7得到非標準坐姿結果時，蜂鳴器進行聲音報警，顯示器顯示非標準坐姿類型；當數據在以上聚類中心閾值外時，僅蜂鳴器進行聲音報警。