一种柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置及其检测方法

摘要

本发明属于运动智能可穿戴设备器械技术领域，公开了一种柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置及其检测方法，柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置设置有表壳，表壳通过第一柔性PVC套管和第二柔性PVC套管将表盘整体包裹起来；表盘设置有柔性电路板，柔性电路板上四个矩阵式排列有光源。本发明采用柔性电路板、可弯曲电池、柔性外壳PVC套管使设备与手腕完全贴合。柔性外壳PVC套管在设备进行弯曲折叠时，可以辅助柔性电路板及柔性电池维持住弯曲折叠后的形状，加固维持形状的稳定性，防止设备在定形后易变形滑落，避免设备损坏。同时在套管一端尾部制作突起的扣环，另一端打出适合扣环嵌入的多个通孔作为可调节的表带，方便手腕大小不同的用户进行佩戴。

说明书

技术领域

本发明属于运动智能可穿戴设备技术领域，尤其涉及一种柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置及其检测方法。

背景技术

目前，随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对健康的生活方式越来越重视，跟踪心率是衡量健康程度最重要的指标之一。市面上有许多智能手环具有心率检测的功能，通过佩戴在手腕，可以随时随地检测心率及心率变化，为预防一些疾病发生和监视身体健康状况提供重要参考。现有关于心率检测设备的专利有：1)一种可穿戴式心率检测设备，授权公告号(208926349U)；2)智能手表，授权公告号(211560078U)；3)心电心率检测设备、装置及系统，授权公告号(210383886U)；4)一种人体心率检测装置，授权公告号(204636342U)；5)一种柔性穿戴设备和智能手表，授权公告号(209946643U)；6)一种用于运动过程的可穿戴式心率测量设备，授权公告号(111067504A)。经过对比分析，一种可穿戴式心率检测设备(208926349U)使用滑块之间焊接限位板的方式使得表体穿戴方便；一种柔性穿戴设备和智能手表(209946643U)采用柔性屏、第一柔性电池和第二柔性电池，壳体为可塑性材料达到设备柔性可弯折；一种用于运动过程的可穿戴式心率测量设备(111067504A)通过弹性外护带、吸汗带的配合作用，使得其能够弹性紧固的绑在运动人的胳膊上。但当前并无使用柔性电路板与柔性外壳PVC套管组合而成的柔性可穿戴式心率检测设备。且在调查使用多传感器心率检测设备的过程中，智能手表(211560078U)使用第一光学传感器，其设置于所述壳体的侧壁上，用于与手指接触以采集PPG信号；心电心率检测设备、装置及系统(210383886U)使用电极片组采集光电容积脉搏波信号。但并无使用四组矩阵式光源与光电心率传感器配合检测心率的设备。现有的心率检测设备对于心率数据获取并不精准，在运动过程中容易滑落，且与手腕无法完全贴合。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：很多智能手表都能够进行心率检测，但在检测过程中使用的光源单一，进行检测的传感器单一，使得检测结果误差大，对于心率数据获取并不精准；并且在手表进行佩带时，需要拉紧连接带，不仅连接麻烦，而且会存在一定的松弛空间，在运动过程中容易滑落，且与手腕无法完全贴合；手表上存在的充电接口使得防水性能下降，美观度与一体化程度低。

解决以上问题及缺陷的难度为：

目前所存在的心率检测设备仅使用一种传感器，而检测光线也比较单一，无法解决心率数据不准确、误差结果较大的问题，同时目前所存在的腕带，大都选用的人造皮革、塑胶、硅橡胶等材料，这些材料在佩戴过程中，都会存在一部分的空隙，使得心率检测设备与手腕无法完全贴合，很难解决手腕与心率检测装置完美贴合的问题，除此之外，无线充电技术在心率检测装置上应用范围不广，大多手表还是采用的有线充电技术。因此，针对上述问题，以当前的心率检测技术，解决上述问题以及缺陷的难度较大。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明采用的柔性电路板、可弯曲电池、柔性外壳PVC套管可完美贴合手腕弧度。同时在套管一端尾部制作突起的扣环，另一端打出适合扣环嵌入的多个通孔作为可调节的表带，方便手腕大小不同的用户进行佩戴。有氧运动中达到一定的心率，或者维持一个稳定的心率就可以进行良好的热量消耗，更加精准的心率数据检测，会让使用者的锻炼效果达到最佳。

通过矩阵式光源、光敏传感器、矩阵式光电传感器、加速度传感器的感应检测减少光线损失、增加光线穿透率、减小测量误差、降低运动干扰，实现对人体心率的精确检测。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置及其检测方法。

本发明是这样实现的，一种柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置，所述柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置设置有表壳；

表壳通过第一柔性PVC套管和第二柔性PVC套管将表盘整体包裹起来；

表盘设置有柔性电路板，柔性电路板上八个(四组，每组2个)矩阵式排列有光源。

进一步，所述第二柔性PVC套管尾部设置有突起的扣环，第一柔性PVC套管打出适合扣环嵌入的多个通孔，作为可调节的表带。

进一步，所述光源为LED变色发光二极管，四组矩阵式排列的光源以相对式的45°角对人体皮肤发射测试光线。

进一步，所述柔性电路板上设置有单片机、发光亮度识别装置、光电传感器、加速度传感器、蓝牙模块；

单片机、发光亮度识别装置、光电传感器、加速度传感器、蓝牙模块、无线充电模块、光源之间的串行通信。

进一步，所述发光亮度识别装置处于柔性电路板的正中间，发光亮度识别装置内含光敏传感器。

进一步，所述单片机、加速度传感器、蓝牙模块位于发光亮度识别装置四周。

进一步，所述光电传感器为四个，四个光电传感器放置在每组两个光源的中间。

进一步，所述柔性电路板与无线充电模块连接，无线充电模块安装在表壳内侧。

进一步，所述柔性电路板的背面粘贴有可弯曲电池。

本发明另一目的在于提供一种实施所述柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置的柔性可穿戴式的多传感器心率检测方法，所述柔性可穿戴式的多传感器心率检测方法，包括：

首先，移动端通过蓝牙模块将开始测试指令发送到单片机，单片机收到指令后，四组矩阵式排列在柔性电路板上的光源以相对式的45°角对人体皮肤发射测试光线；

发光亮度识别装置内的光敏传感器将测试光线在皮肤表层反射的光线强度即光信号转换为电信号传输给单片机，单片机再根据电信号值决定光源发射绿光或红光进行检测；

光电心率传感器则接收透射方式传送的检测光线强度，将光信号转换成直流DC信号和交流AC信号；单片机提取其中的AC信号，光源每秒闪动数百次，根据加速度传感器判断的人体运动状态，不同的运动状态采用不同算法，计算出每分钟的心跳次数，即心率；

设备测得心率后通过蓝牙模块将数据传至移动端，供使用者查看；无线充电模块为可弯曲电池充电，可弯曲电池为多传感器式的心率检测设备表盘供电。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明采用柔性电路板、可弯曲电池、柔性外壳PVC套管使设备与手腕完全贴合。柔性外壳PVC套管在设备进行弯曲折叠时，可以辅助柔性电路板及柔性电池维持住弯曲折叠后的形状，加固维持形状的稳定性，防止设备在定形后易变形滑落，避免设备损坏。同时在套管一端尾部制作突起的扣环，另一端打出适合扣环嵌入的多个通孔作为可调节的表带，方便手腕大小不同的用户进行佩戴。

本发明通过矩阵式光源、光敏传感器、矩阵式光电传感器、加速度传感器的感应检测减少光线损失、增加光线穿透率、减小测量误差、降低运动干扰，实现对人体心率的精确检测。在柔性电路板上集成的四组矩阵式光源、发光亮度识别装置使光线更容易穿透皮肤表层达到毛细血管，同时增加了发光亮度识别装置内含的光敏传感器与光电传感器可接收到的光强；光源旁固定的四个矩阵式光电传感器采用光电容积描记法检测PPG信号，减小测量误差；电路板上的加速度感应器在感应到人体处于运动状态时，单片机将采用内置的运动人体心率计算法计算心率，最终使得心率数据的检测更加精准。

同时本发明还具有如下优点：

(1)本发明精准测量心率数据；柔性可穿戴式的多传感器心率检测设备由单片机控制,通过四组矩阵式光源在脉搏处反射与透射出的光线,经过多传感器的感应检测与单片机的配合完成精准的心率数据检测。采用柔性电路板、可弯曲电池、柔性外壳PVC套管使光源以及传感器紧贴脉搏处，减少光线损失，提高心率检测效果。并且集成矩阵式光源、发光亮度识别装置、矩阵式光电传感器、加速度传感器，四组矩阵式均匀分布且可改变光线颜色的光源使得光线更容易穿透皮肤表层达到毛细血管，同时增加了发光亮度识别装置内含的光敏传感器与光电心率传感器可接收到的光强，使得数据采集更加准确。四个矩阵式光电传感器的配置减小了测量误差，加速度传感器在感应到人体处于运动状态时，单片机内置的运动人体心率计算法对数据进行处理，降低了运动对人体心率的干扰。

(2)本发明使用无线充电方式为可弯曲电池充电，供电便捷，外形美观。

对比的技术效果或者实验效果。包括：

与现有的使用滑块之间焊接限位板的方式使得表体穿戴方便；一种柔性穿戴设备和采用柔性屏、第一柔性电池和第二柔性电池，壳体为可塑性材料达到设备柔性可弯折；通过弹性外护带、吸汗带的配合作用，使得其能够弹性紧固的绑在运动人的胳膊上。相比之下，使用柔性电路板与柔性外壳PVC套管组合而成的柔性可穿戴式心率检测设备更加容易维持住弯曲折叠后的形状，与手腕完全贴合。目前，心率检测设备使用的第一光学传感器，用于与手指接触以采集PPG信号；通过电极片组采集光电容积脉搏波信号。与这些设备相比使用四组矩阵式光源与光电心率传感器配合检测心率，误差更小，采集到的心率数据更准确。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置结构示意图。

图2是本发明实施例提供的表盘结构示意图。

图3是本发明实施例提供的多传感器式的心率检测设备光线反射示意图。

图4是本发明实施例提供的表盘和表壳结构示意图。

图5是本发明实施例提供的多传感器式的心率检测设备使用场景图。

图中：1、表盘；2、单片机；3、光源；4、发光亮度识别装置；5、光电传感器；6、加速度传感器；7、无线充电模块；8、蓝牙模块；9、柔性电路板；10、可弯曲电池；11、第一柔性PVC套管；12、表壳；13、第二柔性PVC套管；14、扣环；15、通孔；16、使用者终端；17、移动端；18、多传感器式的心率检测设备。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置及其检测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的柔性可穿戴式的多传感器心率检测装置中表盘1包括：单片机2、光源3、发光亮度识别装置4、光电传感器5、加速度传感器6、无线充电模块7、蓝牙模块8、柔性电路板9、可弯曲电池10。

表盘1设置有柔性电路板9，柔性电路板9上四个矩阵式排列有光源3，光源3为LED变色发光二极管，四个矩阵式排列的光源3以相对式的45°角对人体皮肤发射测试光线。柔性电路板9上设置有单片机2、发光亮度识别装置4、光电传感器5、加速度传感器6、蓝牙模块8；单片机2、光源3、发光亮度识别装置4、光电传感器5、加速度传感器6、无线充电模块7、蓝牙模块8之间的串行通信。其中，发光亮度识别装置4处于柔性电路板9的正中间，发光亮度识别装置4内含光敏传感器，最大限度地接受来自四面的反射光线。发光亮度识别装置4四周设置有单片机2、加速度传感器6、蓝牙模块8；四个光电传感器5放置在每组两个光源3的中间，减少光线损失使得数据更加精准。柔性电路板9与无线充电模块7连接，无线充电模块7安装在表壳12内侧，使用者将设备侧放于无线充电器上，即可给可弯曲电池10充电。柔性电路板9的背面粘贴有可弯曲电池10，在使用者佩戴时与柔性电路板弯曲程度相同，紧密贴合人体手腕。

首先移动端通过蓝牙模块8将开始测试指令发送到单片机2，单片机2收到指令后，四组矩阵式排列在柔性电路板9上的光源3以相对式的45°角对人体皮肤发射测试光线。发光亮度识别装置4内的光敏传感器将测试光线在皮肤表层反射的光强转换为电信号传输给单片机2，再根据电信号值决定光源3发射绿光或红光进行检测。光电心率传感器5接收到透射方式传送的检测光线强度，将光信号转换成直流DC信号和交流AC信号。单片机2提取其中的AC信号，光源3每秒闪动数百次，根据加速度传感器6判断的人体运动状态，采用不同算法计算出每分钟的心跳次数，即心率。设备测得心率后通过蓝牙模块8将数据传至移动端，供使用者查看。无线充电模块7为可弯曲电池10充电，可弯曲电池10为多传感器式的心率检测设备表盘1供电。

如图4所示，本发明实施例提供的柔性可穿戴式的多传感器心率检测设备包括：表盘1和表壳12。表壳12包括：第一柔性PVC套管11、第二柔性PVC套管13、扣环14、通孔15；表壳12通过第一柔性PVC套管11和第二柔性PVC套管13将表盘1整体包裹起来，在设备进行弯曲折叠时，辅助柔性电路板9及可弯曲电池10维持住弯曲折叠后的形状，防止设备在定形后易变形滑落，也可避免设备损坏。第二柔性PVC套管13尾部设置有突起的扣环14，第一柔性PVC套管11打出适合扣环嵌入的多个通孔15作为可调节的表带，方便手腕大小不同的用户进行佩戴。

如图5所示，本发明实施例提供的多传感器式的心率检测设备18分别与使用者终端16和移动端17连接；其中，移动端17包括：手机、平板。

在使用过程中，使用者16佩戴多传感器式的心率检测设备18休息、运动、工作时，在移动端17通过蓝牙下发开始检测指令，多传感器式的心率检测设备18接受指令开始工作。多传感器式的心率检测设备18采用可弯曲的挠性电路完全贴合使用者16不同粗细的手腕，电路中心的发光亮度识别装置4根据使用者16皮肤颜色的不同，控制光源3发射不同颜色的光线，内置的矩阵式光电传感器5配合加速度传感器6准确获取使用者16的心率数据，数据通过蓝牙传输至移动端(手机、平板)17，达到精确检测使用者16心率安全状况的目的。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

1、多传感器式的心率检测设备由单片机、矩阵式光源、发光亮度识别装置、矩阵式光电传感器、加速度传感器、无线充电模块、蓝牙模块、柔性电路板、可弯曲电池、柔性外壳PVC套管、移动端组成。

光源为LED变色发光二极管，按矩阵式排列在柔性电路板上。发光亮度识别装置内含光敏传感器，根据测试光线在皮肤表层反射至发光亮度识别装置的光线强度，单片机决定光源发射绿光或红光照射血管中血液通过血管从心脏到指尖的运动。

矩阵式光电心率传感器接收到透射方式传送的光强度呈脉动性变化，并将光转换成电信号，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。单片机提取其中的AC信号，LED光每秒闪动数百次，根据加速度传感器判断的人体运动状态，采用不同算法计算出每分钟的心跳次数，即心率。

无线充电模块为可弯曲电池充电；移动端通过蓝牙模块下发开始测试指令；设备测得心率后通过蓝牙模块将数据传至移动端。

2、多传感器式的心率检测设备采用柔性电路板、可弯曲电池、柔性外壳PVC套管完美贴合手腕。

柔性电路板(FPC)是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路板，组成的材料是是绝缘薄膜、导体和粘接剂。具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点。在柔性电路板上嵌入单片机、矩阵式光源、发光亮度识别装置、矩阵式光电传感器、加速度传感器、无线充电模块、可弯曲电池、无线通信模块，形成可弯曲的挠性电路。这一设计能有效提高心率检测设备的贴合程度，减少光线损失，使得心率检测更加准确。

柔性外壳PVC套管由氯乙烯经加成聚合反应得到的高分子材料制作而成，具有良好的绝缘性能、柔软性，在设备进行弯曲折叠时，可以辅助柔性电路板及柔性电池维持住弯曲折叠后的形状，加固维持形状的稳定性，防止设备在定形后易变形滑落，也可避免设备损坏。同时在套管一端尾部制作突起的扣环，另一端打出适合扣环嵌入的多个通孔作为可调节的表带，方便手腕大小不同的用户进行佩戴。

3、多传感器式的心率检测设备集成矩阵式光源、光敏传感器、矩阵式光电传感器、加速度传感器成为多传感器式心率检测设备。

四组矩阵式排列的光源均匀分布在柔性电路板上，光线以相对式的45°角照射人体皮肤，通过反射与投射传送光强度给光敏传感器与光电传感器，每组两个光源，共八个光源的设计使得传输的光线更易被传感器获取。

当使用者的皮肤颜色较黑或者带有纹身时，用于测量心率测量的绿色波长很容易被皮肤或者纹身中的黑色素吸收，导致绿光难以穿透皮肤表层达到毛细血管。布置在光源中心的发光亮度识别装置内含光敏传感器，根据接收到的光线强度决定发射绿光或红光，以此保证准确地测量人体心率。

四个光电传感器也以矩阵式固定在光源旁采用光电容积描记法检测PPG信号，即血管中通从心脏到指尖的血液运动，使得心率数据的检测更加精确。加速度传感器处于光敏传感器旁，当加速度传感器检测到人体处于运动时单片机将采用内置的运动人体心率计算法，降低人体运动对心率数据的干扰。

4、多传感器式的心率检测设备使用无线充电方式，供电便捷，外形美观。

多传感器式的心率检测设备的无线充电通过Wi-Po磁共振无线充电技术实现，充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。利用高频恒定幅值交变磁场发生装置，产生6.78MHz的谐振磁场，实现更远的发射距离。通过蓝牙4.0实现通讯控制，安全可靠，并且可以支持一对多同步通信，同时还具有过温、过压、过流保护和异物检测功能。该技术使用的载体为空间磁场，能量不会像电磁波那般发射出去，所以不会对人体造成辐射伤害。采用Wi-Po磁共振技术实现的无线充电可使多传感器式的心率检测设备外形一体化，更加美观且具有防水功能，供电也更安全便捷。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。