一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统，本发明专利技术通过安装在衣服背面上的重力加速度传感器，感知用户的背部姿态变化以及保持正确坐姿和不正确坐姿时用户的呼吸顺畅度。通过显示器向用户展示训练坐姿，并将采集的重力加速度传感器模块的数字电压信号对预存的包括标准坐姿、驼背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿的检测模型进行初始化校正，并聚类分析用户呼吸相关特征。监测过程中，将采集的重力加速度传感器模块的数字电压信号输入两个检测模型，获得实时坐姿类型，并在错误坐姿时进行声音报警，当识别出错误类型时，通过显示模块的显示屏提示错误坐姿类型。

A wearable sitting posture monitoring system and method based on gravity acceleration sensor

The invention discloses a wearable posture monitoring system based on gravity acceleration sensor, the invention by gravity acceleration sensor is mounted on the back surface of the clothes, the back posture changes the user's perception of and maintain the correct posture and correct posture when users breath smooth. Show training sitting to the user through the display, and the digital voltage signal acquisition module of the gravity acceleration sensor for detection model including standard posture, posture, a left shoulder high posture, sitting high right shoulder pre stored initialization correction, and cluster analysis by households respiratory related features. In the monitoring process, the digital voltage signal acquisition module of the gravity acceleration sensor input two detection model, to obtain real-time posture types, and sound alarm in the wrong sitting posture, when identifying error types, through the display module of the display type posture error.

【技术实现步骤摘要】
一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统和方法
本专利技术涉及一种可穿戴设备，尤其涉及一种实现人体姿势监测，特别是坐姿监测的智能检测系统和方法。
技术介绍
随着现代人们生活方式的改变和伴随而来的长期久坐导致的脊椎问题日益突出，其中长期不正确的坐姿是导致脊椎问题产生的重要原因。坐姿监测的重要性日渐突出。现有的坐姿监测方案，大多基于图像处理的方法来实现，需要有摄像头的支持，易受他人干扰，且难以解决便携性问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统和方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统，该系统包括衣服本体；所述衣服本体设有微处理器；衣服本体的背面竖直中线上设有至少一个重力加速度传感器模块，向微处理器输出数字电压信号；所述微处理器包括直接处理模块和呼吸处理模块；所述直接处理模块包括直接训练模块和直接检测模块；所述直接训练模块用于根据用户的不同坐姿类型和其对应的重力加速度传感器模块采集的数字电压信号进行聚类分析，获得背部姿态直接检测模型；所述直接检测模块，将在实时监测过程中采集的用户实时数字电压信号输入背部姿态直接检测模型，获得直接坐姿检测结果；呼吸处理模块包括呼吸训练模块和呼吸检测模块；所述呼吸训练模块用于根据用户标准坐姿和非标准坐姿时，根据重力加速度传感器模块采集的数字电压信号分析得到的呼吸的顺畅度不同进行聚类分析，获得呼吸检测模型；所述呼吸检测模块，将在实时监测过程中采集的用户实时数字电压信号输入呼吸检测模型，实时监测用户呼吸顺畅度，实现通过呼吸顺畅度判断坐姿是否正确；直接处理模块的判断结果干扰多，呼吸处理模块的判断结果稳定但相对滞后；当直接处理模块和呼吸处理模块同时得到非标准坐姿结果时，对用户报警。进一步地，所述衣服本体的背面从上至下设有三个重力加速度传感器模块，第一个重力加速度传感器模块的位置与衣服本体的领口处相对应，第二个重力加速度传感器模块的位置与衣服本体的胸口处相对应，第三个重力加速度传感器模块的位置与衣服本体的腰处相对应。进一步地，所述微处理器连接蜂鸣器模块和显示模块；所述显示模块用于向用户展示训练坐姿和该用户的坐姿类型；所述蜂鸣器模块用于在用户坐姿不准确时报警。一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测方法，方法包括以下步骤：(1)待训练用户穿戴衣服本体，获得多组体态特征不同的用户的标准坐姿、驼背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿下的重力加速度传感器的数字电压信号，通过k-means算法得到每种姿态的聚类中心数据，并预存在微处理器中；(2)待监测用户穿戴衣服本体，显示模块的显示屏上展示待训练的标准坐姿和驼背坐姿；用户按照显示屏显示的图像训练动作，训练多次，每次采集所有重力加速度传感器模块的数字电压信号；(3)微处理器将采集到的重力加速度传感器模块的数字电压信号与微处理器中预先通过k-means聚类分析后得到的不同姿态的聚类中心数据比较，找到最接近的聚类中心数据；将采集的标准坐姿数据和聚类中心数据中的标准坐姿数据相减，用所得的差值矫正聚类中心数据中的驼背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿的聚类中心数据，得到校正后的包括标准坐姿、驼背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿的直接检测模型，实现初始校正；(4)微处理器分别将训练时的用户标准坐姿和驼背坐姿的加速度数据按照用户呼吸频率进行滤波，取出其中滤波后幅值最大的波形作为滤波后波形。将滤波后波形放大，通过二次求导获得滤波后波形峰值点，计算峰值周期T；用峰值周期T采样滤波后波形，取波形中时间kT、(k+1)T和(k+2)T(k为正整数)对应的幅值分别作为X、Y、Z轴的坐标，以坐标值确定出对应的相空间的点，作相空间图；对相空间图进行聚类分析，得到呼吸检测模型；(5)在直接检测模块中，将重力加速度传感器模块获得的数字电压信号输入直接检测模型中，跟初始校正后的标准坐姿聚类中心比较；在一定阈值内认为是标准坐姿，当超过阈值时进行计数，当连续超过阈值次数达到计数阈值后认为坐姿发生变化，变为非标准坐姿，非连续时对计数进行清零；(6)在呼吸检测模块中，将重力加速度传感器模块获得的数字电压信号按照用户呼吸频率进行滤波，将滤波后波形放大，用步骤(4)得到的峰值周期T采样滤波后波形，以kT、(k+1)T和(k+2)T时刻对应的幅值作为X、Y、Z轴的坐标，作相空间图，对比呼吸检测模型，判断是否为标准坐姿；(7)当直接检测模块和呼吸检测模块得到的结果同为非标准坐姿时，将采集的加速度传感器的数字电压信号与直接检测模型中的驼背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿的校正后的聚类中心进行比较，识别非标准坐姿类型。进一步地，在步骤7得到非标准坐姿结果时，蜂鸣器进行声音报警，显示器显示非标准坐姿类型；当数据在以上聚类中心阈值外时，仅蜂鸣器进行声音报警。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过安装在衣服背面上加速度传感器模块，感知用户的背部姿态变化，以及保持正确坐姿和不正确坐姿时用户的呼吸顺畅度。通过显示器向用户展示训练坐姿，并将采集的重力加速度传感器模块的数字电压信号对预存的包括标准坐姿、驼背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿的检测模型进行初始化校正，并聚类分析用户呼吸相关特征。监测过程中，将采集的重力加速度传感器模块的数字电压信号输入两个检测模型，获得实时坐姿类型，并在错误坐姿时进行声音报警，当识别出错误类型时，通过显示模块的显示屏提示错误坐姿类型。本专利技术实现了实时监测人的姿势，特别是人的坐姿，解决了人体姿势定位困难，以及基于图像坐姿检测的缺点。实现了实时性、抗干扰和便携性等效果。附图说明图1是本专利技术的衣服本体背面示意图；图2是本专利技术的衣服本体正面的口袋示意图；图3是正面盒子的各个部分；图4是标准坐姿时候以呼吸峰值周期采样波形示意图；图5是非标准坐姿时候以呼吸峰值周期采样波形示意图；图6是本专利技术的整体电路示意图；图7是相空间构造图；图8是本专利技术坐姿监测方法流程图；图中：1、第一个重力加速度传感器模块，2、第二个重力加速度传感器模块，3、第三个重力加速度传感器模块，4、口袋，5、塑料盒，6、电池盒及其开关，7、数码管，8、单片机最小系统，9、蜂鸣器，10、按键。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供了一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统，该系统包括衣服本体；所述衣服本体设有微处理器；衣服本体的背面竖直中线上设有至少一个重力加速度传感器模块，向微处理器输出数字电压信号；所述微处理器包括直接处理模块和呼吸处理模块；所述直接处理模块包括直接训练模块和直接检测模块；所述直接训练模块用于根据用户的不同坐姿类型和其对应的重力加速度传感器模块采集的数字电压信号进行聚类分析，获得背部姿态直接检测模型；所述直接检测模块，将在实时监测过程中采集的用户实时数字电压信号输入背部姿态直接检测模型，获得直接坐姿检测结果；呼吸处理模块包括呼吸训练模块和呼吸检测模块；所述呼吸训练模块用于根据用户标准坐姿和非标准坐姿时，根据重力加速度传感器模块采集的数字电压信号分析得到的呼吸的顺畅度不同进行聚类分析，获得呼吸检测模型；所述呼吸检测模块，将在实时监测过程中采集的用户实时数字电压信号输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统，其特征在于，该系统包括衣服本体；所述衣服本体设有微处理器；衣服本体的背面竖直中线上设有至少一个重力加速度传感器模块，向微处理器输出数字电压信号；所述微处理器包括直接处理模块和呼吸处理模块；所述直接处理模块包括直接训练模块和直接检测模块；所述直接训练模块用于根据用户的不同坐姿类型和其对应的重力加速度传感器模块采集的数字电压信号进行聚类分析，获得背部姿态直接检测模型；所述直接检测模块，将在实时监测过程中采集的用户实时数字电压信号输入背部姿态直接检测模型，获得直接坐姿检测结果；呼吸处理模块包括呼吸训练模块和呼吸检测模块；所述呼吸训练模块用于根据用户标准坐姿和非标准坐姿时，根据重力加速度传感器模块采集的数字电压信号分析得到的呼吸的顺畅度不同进行聚类分析，获得呼吸检测模型；所述呼吸检测模块，将在实时监测过程中采集的用户实时数字电压信号输入呼吸检测模型，实时监测用户呼吸顺畅度，实现通过呼吸顺畅度判断坐姿是否正确；直接处理模块的判断结果干扰多，呼吸处理模块的判断结果稳定但相对滞后；当直接处理模块和呼吸处理模块同时得到非标准坐姿结果时，对用户报警。

【技术特征摘要】
1.一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统，其特征在于，该系统包括衣服本体；所述衣服本体设有微处理器；衣服本体的背面竖直中线上设有至少一个重力加速度传感器模块，向微处理器输出数字电压信号；所述微处理器包括直接处理模块和呼吸处理模块；所述直接处理模块包括直接训练模块和直接检测模块；所述直接训练模块用于根据用户的不同坐姿类型和其对应的重力加速度传感器模块采集的数字电压信号进行聚类分析，获得背部姿态直接检测模型；所述直接检测模块，将在实时监测过程中采集的用户实时数字电压信号输入背部姿态直接检测模型，获得直接坐姿检测结果；呼吸处理模块包括呼吸训练模块和呼吸检测模块；所述呼吸训练模块用于根据用户标准坐姿和非标准坐姿时，根据重力加速度传感器模块采集的数字电压信号分析得到的呼吸的顺畅度不同进行聚类分析，获得呼吸检测模型；所述呼吸检测模块，将在实时监测过程中采集的用户实时数字电压信号输入呼吸检测模型，实时监测用户呼吸顺畅度，实现通过呼吸顺畅度判断坐姿是否正确；直接处理模块的判断结果干扰多，呼吸处理模块的判断结果稳定但相对滞后；当直接处理模块和呼吸处理模块同时得到非标准坐姿结果时，对用户报警。2.根据权利要求1所述的一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统，其特征在于，所述衣服本体的背面从上至下设有三个重力加速度传感器模块，第一个重力加速度传感器模块的位置与衣服本体的领口处相对应，第二个重力加速度传感器模块的位置与衣服本体的胸口处相对应，第三个重力加速度传感器模块的位置与衣服本体的腰处相对应。3.根据权利要求1所述的一种基于重力加速度传感器的可穿戴坐姿监测系统，其特征在于，所述微处理器连接蜂鸣器模块和显示模块；所述显示模块用于向用户展示训练坐姿和该用户的坐姿类型；所述蜂鸣器模块用于在用户坐姿不准确时报警。4.一种利用权利要求1-3任一项所述系统进行坐姿监测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)待训练用户穿戴衣服本体，获得多组体态特征不同的用户的标准坐姿、驼背坐姿、左肩偏高坐姿、右肩偏高坐姿下的重力加速度传感器的数字电压信号，通过k-means算法得到每种姿态的聚类中心数据，并预存在微处理器中；(2)待监测用户穿戴衣服本...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟濬，虞捷舟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33