一种可穿戴生物传感监测装置、系统及方法

1.本发明涉及穿戴设备技术领域，尤其涉及的是一种可穿戴生物传感监测装置、系统及方法。


背景技术：

2.人体的运动过程经历了复杂的生理和生化变化，因此单一的生理参数检测无法完整描述运动过程中身体机能状态。
3.目前市面上支持运动监测的穿戴式生物传感监测设备主要侧重于监测用户的脉率、心率、心电图和步数等生理参数，对于钠离子和葡萄糖等生化参数不能监测，因而现有穿戴式生物传感监测设备无法对运动过程中的身体机能状态进行完整的描述。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可穿戴生物传感监测装置、系统及方法，以解决现有穿戴式生物传感监测设备对于钠离子和葡萄糖等生化参数不能监测导致的无法对运动过程中的身体机能状态进行完整的描述的问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种可穿戴生物传感监测装置，其包括：葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块、电源模块与控制模块；其中，
8.所述葡萄糖检测模块与所述控制模块连接，用于检测葡萄糖信号并反馈至所述控制模块；
9.所述钠离子检测模块与所述控制模块连接，用于检测钠离子信号并反馈至所述控制模块；
10.所述温度检测模块与所述控制模块连接，用于检测温度信号并反馈至所述控制模块；
11.所述心率检测模块与所述控制模块连接，用于检测心率信号并反馈至所述控制模块；
12.所述控制模块分别与所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块以及所述心率检测模块连接，用于根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；
13.所述电源模块分别与所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块连接，用于为所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块供电。
14.本发明的进一步设置，所述控制模块包括：微控制器、模数转换单元与无线单元；其中，
15.所述模数转换单元分别与所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度
检测模块以及所述心率检测模块连接，用于将所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号转换为数字信号传输至所述微控制器；
16.所述微控制器用于根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号转换得到的数字信号进行换算处理后得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；
17.所述微控制器还用于根据所述心率参数控制可穿戴生物传感监测装置的工作模式；
18.其中，当所述心率参数小于等于预设心率参数阈值时，所述微控制器每间隔第一预设时间被唤醒，当所述心率参数大于所述预设心率参数时，所述微控制器每间隔第二预设时间被唤醒；
19.所述无线单元与所述微控制器连接，用于将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至移动终端。
20.本发明的进一步设置，所述葡萄糖检测模块包括：葡萄糖传感器与葡萄糖检测单元；所述葡萄糖检测单元与所述葡萄糖传感器连接；
21.其中，所述葡萄糖检测单元包括：跨阻放大电路、反相器与第一低通滤波电路；
22.所述跨阻放大电路分别与所述葡萄糖传感器以及所述反相器连接，用于将传感器电流信号转换为传感器电压信号；
23.所述反相器分别与所述跨阻放大电路以及所述第一低通滤波电路连接，用于将所述传感器电压信号进行反相后输出反相传感器电压信号至所述第一低通滤波电路；
24.所述第一低通滤波电路分别与所述反相器以及所述控制模块连接，用于将所述反相传感器电压信号进行率滤噪处理后输出至所述控制模块。
25.本发明的进一步设置，所述钠离子检测模块包括：钠离子传感器与钠离子检测单元；所述钠离子检测模块与所述钠离子传感器连接；
26.其中，所述钠离子检测单元包括：缓冲电路、第一差分放大电路与第二低通滤波电路；
27.所述缓冲电路分别与所述钠离子传感器以及所述第一差分放大电路连接，用于检测所述钠离子传感器两个电极之间的电压信号；
28.所述第一差分放大电路分别与所述缓冲电路以及所述第二低通滤波电路连接，用于将所述钠离子传感器两个电极之间的电压信号进行放大处理并输出第一放大信号至所述第二低通滤波电路；
29.所述第二低通滤波电路分别与所述第一差分放大电路以及所述控制模块连接，用于将所述第一放大信号进行滤噪处理后输出至所述控制模块。
30.本发明的进一步设置，所述温度检测模块包括：温度传感器与温度检测单元；所述温度检测单元与所述温度传感器连接；
31.其中，所述温度检测单元包括：惠斯通电桥电路、第二差分放大电路与第三低通滤波电路；
32.所述惠斯通电桥电路分别与所述温度传感器以及所述第二差分放大电路连接，用于将根据所述温度传感器的温度变化输出的电压信号至所述第二差分放大电路；
33.所述第二差分放大电路分别与所述惠斯通电桥电路以及所述第二低通滤波电路
连接，用于将根据所述温度传感器的温度变化输出的电压信号放大处理后输出第二放大信号至所述第二低通滤波电路；
34.所述第二低通滤波电路分别与所述第二差分放大电路以及所述控制模块连接，用于将所述第二放大信号进行滤噪后输出至所述控制模块。
35.本发明的进一步设置，所述心率检测模块包括：心率传感器与心率检测单元；所述心率检测单元与所述心率传感器连接；
36.其中，所述心率检测单元包括：滤波电路与放大电路；
37.所述心率传感器与所述滤波电路连接，用于发出光源、接收经人体组织反射后的反射光并将所述反射光转换为电信号输出；
38.所述滤波电路分别与所述心率传感器以及所述放大电路连接，用于对所述心率传感器输出的电信号进行滤噪处理后输出低频信号至所述放大电路；
39.所述放大电路分别与所述滤波电路以及所述控制模块连接，用于对所述低频信号进行放大后输出第三放大信号至所述控制模块。
40.本发明的进一步设置，所述电源模块包括：锂电池与电源管理单元；其中，
41.所述锂电池与所述电源管理单元连接；
42.所述电源管理单元分别与所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块连接，用于为所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块供电。
43.基于同样的发明构思，本发明还提供了一种可穿戴生物传感监测系统，其包括移动终端以及如上述所述的可穿戴生物传感监测装置；其中，
44.所述可穿戴生物传感监测装置与所述移动终端无线连接，用于将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至所述移动终端；
45.所述移动终端用于对所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数进行实时显示并根据所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数得到生理信号与生化信号曲线。
46.基于同样的发明构思，本发明还提供了一种应用于上述所述的可穿戴生物传感监测装置的可穿戴生物传感监测方法，其包括：
47.通过葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块分别检测葡萄糖信号、钠离子信号、温度信号与心率信号并反馈至控制模块；
48.所述控制模块根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；
49.所述控制模块将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至移动终端进行实时显示。
50.本发明的进一步设置，还包括：
51.所述控制模块根据所述心率参数控制可穿戴生物传感监测装置的工作模式；其中，当所述心率参数小于等于预设心率参数阈值时，所述控制模块每间隔第一预设时间被唤醒，当所述心率参数大于所述预设心率参数时，所述控制模块每间隔第二预设时间被唤醒。
52.本发明所提供的一种可穿戴生物传感监测装置、系统及方法，装置包括：葡萄糖检
测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块、电源模块与控制模块；其中，所述葡萄糖检测模块用于检测葡萄糖信号并反馈至所述控制模块；所述钠离子检测模块用于检测钠离子信号并反馈至所述控制模块；所述温度检测模块用于检测温度信号并反馈至所述控制模块；所述心率检测模块用于检测心率信号并反馈至所述控制模块；所述控制模块用于根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；所述电源模块用于为所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块供电。本发明通过将葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块集成在一个可穿戴装置上，以实现生理参数(温度参数与心率参数)和生化参数(葡萄糖参数与钠离子参数)的连续、动态监测，从而能够对用户运动过程中的身体机能状态进行完整性的描述。
附图说明
53.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
54.图1是本发明中可穿戴生物传感监测系统的原理框图。
55.图2是本发明中葡萄糖检测单元的电路原理图。
56.图3是本发明中钠离子检测单元的电路原理图。
57.图4是本发明中温度检测单元的电路原理图。
58.图5是本发明中心率检测单元的电路原理图。
59.图6是本发明一个实施例中可穿戴生物传感监测系统工作的流程示意图。
60.图7是本发明中可穿戴生物传感监测方法的流程示意图。
61.附图中各标记：100、可穿戴生物传感监测装置；110、葡萄糖检测模块；111、葡萄糖传感器；112、葡萄糖检测单元；113、跨阻放大电路；114、反相器；115、第一低通滤波电路；120、钠离子检测模块；121、钠离子传感器；122、钠离子检测单元；123、缓冲电路；124、第一差分放大电路；125、第二低通滤波电路；130、温度检测模块；131、温度传感器；132、温度检测单元；133、惠斯通电桥电路；134、第二差分放大电路；135、第三低通滤波电路；140、心率检测模块；141、心率传感器；142、心率检测单元；143、滤波电路；144、放大电路；150、电源模块；151、锂电池；152、电源管理单元；160、控制模块；161、微控制器；162、模数转换单元；163、无线单元；164、串口通信单元；170、存储单元；200、移动终端。
具体实施方式
62.本发明提供一种可穿戴生物传感监测装置、系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。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。
63.在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或
者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
64.应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
65.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
66.另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
67.经发明人研究发现，在运动过程中，人体会产生各种类型的运动生物信号：运动生物姿态信号、运动生物化学信号、运动电生理信号、生物组织动力学信号。这些信号可以概括分为二大类：化学信息和物理信息。不同类型的信号都蕴含着特定的生命体征信息。可以通过对人体生理生化信号的实时监测，来监控运动员的身体机能状态。目前市面上支持运动监测的穿戴式生物传感监测设备主要侧重于监测用户的脉率、心率、心电图和步数等生理参数，例如有通过光电器件检测脉搏波的脉搏血氧仪，以及通过惯性传感器和加速度仪测量步数的运动手环。
68.而人体的运动过程经历了复杂的生理和生化变化，因此单一的生理参数检测无法完整描述运动过程中身体机能状态，还须通过对人体微观层面(分子、离子等)生化信息数据的监测来进行分析判断。
69.汗液作为一种取样方便的体液，包含着多种指示生化信息的物质，比如人体汗液中的电解质(钠离子、钾离子、钙离子)和代谢产物(乳酸、葡萄糖等)。这些生化信息也蕴含着生命体征信息，如汗液中钠的过度流失会导致低钠血症、肌肉痉挛或脱水，汗液中乳酸含量的增加与从有氧代谢状态到无氧代谢状态的转变有关。与传统的血液分析相比，汗液分析具有非侵入性获取的独特优势，可以在人体皮肤任意位置以无创方式采集，危险性低，适合用于进行生化信息的实时、连续监测。
70.另外，在当前可穿戴设备发展中，可穿设备由于体积和重量限制，无法配备大电池，因而续航能力较差。
71.针对上述技术问题，本发明提供一种可穿戴生物传感监测装置、系统及方法，通过将葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块集成在一个可穿戴装置上，以实现生理参数(温度参数与心率参数)和生化参数(葡萄糖参数与钠离子参数)的连续、动态监测，从而能够用户运动过程中的身体机能状态进行完整性的描述。另外，控制模块能够根据检测到的心率参数来调整生物传感监测装置的低功耗模式，从而能够实现自适
应节能，延长续航能力。
72.请同时参阅图1至图6，本发明提供了一种可穿戴生物传感监测系统的较佳实施例。
73.如图1所示，本发明还提供的一种可穿戴生物传感监测系统，其包括移动终端200与可穿戴生物传感监测装置100。其中，所述可穿戴生物传感监测装置100与所述移动终端200无线连接，用于将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至所述移动终端200；所述移动终端200用于对所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数进行实时显示并根据所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数得到生理信号与生化信号曲线。
74.具体地，所述可穿戴生物传感监测装置100通过对用户运动时体液中的生化信号(如葡萄糖信号和钠离子信号)、生理信号(如温度信号和心率信号)进行采集并处理后得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数，其后将得到的葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数发送至移动终端200，所述移动终端200设安装有对葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数进行处理的app。当所述移动终端200接收到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数之后，能够对葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数进行实时显示，并能够根据葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数绘制生理参数与生化参数无线，以便于用户可以直观的观察到人体在一段时间内生化信号与生理信号的变化状况，从而能够对用户运动过程中的身体机能状态进行完整性的描述，以及可以实时获取人体运动过程中的身体机能状态信息，进而为评估运动训练强度提供依据。
75.在一些实施例中，所述移动终端200可以是手机终端、平板终端等，在一种实现方式中，所述移动终端200可以是手机终端。
76.请参阅图1，在一些实施例中，所述可穿戴生物传感监测装置100包括：葡萄糖检测模块110、钠离子检测模块120、温度检测模块130、心率检测模块140、电源模块150与控制模块160。其中，所述葡萄糖检测模块110与所述控制模块160连接，用于检测葡萄糖信号并反馈至所述控制模块160；所述钠离子检测模块120与所述控制模块连接，用于检测钠离子信号并反馈至所述控制模块160；所述温度检测模块130与所述控制模块160连接，用于检测温度信号并反馈至所述控制模块160；所述心率检测模块140与所述控制模块160连接，用于检测心率信号并反馈至所述控制模块160；所述控制模块160分别与所述葡萄糖检测模块110、所述钠离子检测模块120、所述温度检测模块130以及所述心率检测模块140连接，用于根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；所述电源模块150分别与所述葡萄糖检测模块110、所述钠离子检测模块120、所述温度检测模块130、所述心率检测模块140以及所述控制模块160连接，用于为所述葡萄糖检测模块110、所述钠离子检测模块120、所述温度检测模块130、所述心率检测模块140以及所述控制模块160供电。
77.具体地，所述电源模块150作为整个装置的供电装置，分别与所述控制模块160以及所述葡萄糖检测模块110、所述钠离子检测模块120、所述温度检测模块130、所述心率检测模块140连接，分别为各个模块供电。在可穿戴生物传感监测装置100处于工作模式时，所述葡萄糖检测模块110对处于运动状态的用户的葡萄糖信号进行检测并反馈至所述控制模块160，所述钠离子检测模块120对处于运动状态的用户的钠离子信号进行检测并反馈至所
述控制模块160，所述温度检测模块130对处于运动状态的用户的温度信号进行检测并反馈至所述控制模块160，所述心率检测模块140对处于运动状态的用户的心率信号进行检测并反馈至所述控制模块160。其后所述控制模块160对所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号进行换算处理后得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数。
78.这样，本发明通过将所述葡萄糖检测模块110、所述钠离子检测模块120、所述温度检测模块130与所述心率检测模块140集成在一个可穿戴装置上，可以实现生理参数(温度参数与心率参数)和生化参数(葡萄糖参数与钠离子参数)的连续、动态且无创监测，从而能够对用户运动过程中的身体机能状态(包括心率、温度、汗液代谢物的浓度和汗液电解质的浓度)进行完整性的描述。
79.请参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述控制模块160包括：微控制器161、模数转换单元162与无线单元163。其中，所述模数转换单元162分别与所述葡萄糖检测模块110、所述钠离子检测模块120、所述温度检测模块130以及所述心率检测模块140连接，用于将所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号转换为数字信号传输至所述微控制器161；所述微控制器161用于根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号转换得到的数字信号进行换算处理后得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；所述微控制器161还用于根据所述心率参数控制可穿戴生物传感监测装置100的工作模式；其中，当所述心率参数小于等于预设心率参数阈值时，所述微控制器161每间隔第一预设时间被唤醒，当所述心率参数大于所述预设心率参数时，所述微控制器161每间隔第二预设时间被唤醒；所述无线单元163与所述微控制器161连接，用于将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至移动终端200。
80.具体地，所述控制模块160可以是片上系统级芯片(soc)，所述控制模块160上集成有微控制器161(mcu)、模数转换单元162(adc)与无线单元163。其中，所述模数转换单元162与所述无线单元163均与所述微控制器161连接，所述模数转换单元162将接收到的模拟信号(所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号)转换为数字信号后发送至所述微控制器161，其后所述微控制器161对所述数字信号进行换算处理后得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数。所述微控制器161将葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数输出至所述无线单元163，通过所述无线单元163发送(通过蓝牙协议进行无线传输)至移动终端200进行实时显示。
81.所述可穿戴生物传感监测装置100具有正常工作模式和低功耗模式，也就是说，可以对所述电源模块150进行控制，使得所述微控制器161在正常工作模式与低功耗模式之间进行切换。在正常工作模式时，所述可穿戴生物传感监测装置100进行采样工作，在处于低功耗模式时，所述可穿戴生物传感监测装置100处于休眠状态。
82.在可穿戴生物传感监测装置100处于低功耗模式时被唤醒时开始进行采样操作，当信号检测的工作完成后，可穿戴生物传感监测装置100进入休眠状态(通过电源开关电路关断葡萄糖检测模块110、钠离子检测模块120、温度检测模块130、心率检测模块140的供电)，继续进入低功耗模式。因所述心率参数作为心理信号数据可以反映人体运动强度，从而可以预测出生化信号检测源汗液的出汗情况。因此，在活动模式期间，可以通过对采集得到的所述心率参数进行判断，当所述心率参数高于预设心率参数时，例如预设心率参数为
100，说明汗液出汗量较高，所述微控制器161以第二预设时间被唤醒，即可穿戴生物传感监测装置100每间隔第二预设时间进行采样一次，例如，可以间隔4秒进行采样一次，这样可以提高一定时间段内的生化和生理信号数据的采样量。当检测到所述心率参数小于等于预设心率参数时，说明出汗量较低，所述微控制器161以第一预设时间被唤醒，即可穿戴生物传感监测装置100每间隔第二预设时间进行采样一次，例如，可以检测10秒进行采样一次，这样可以降低一定时间段内的生化和生理信号的数据采样量，从而可以实现动态调节可穿戴生物传感监测装置100的功耗，实现自适应节能。
83.请参阅图1，在一些实施例中，所述控制模块160白包括串口通信单元164，所述串口通信单元164与所述微控制器161连接，以实现数据的采集和发送。
84.请参阅图1，在一些实施例中，所述控制模块160还可以外接存储单元170，其中所述存储单元170与所述微控制器161连接，以扩大内存。
85.请参阅图1与图2，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述葡萄糖检测模块110包括：葡萄糖传感器111与葡萄糖检测单元112；所述葡萄糖检测单元112与所述葡萄糖传感器111连接；其中，所述葡萄糖检测单元112包括：跨阻放大电路113、反相器114与第一低通滤波电路115；所述跨阻放大电路113分别与所述葡萄糖传感器111以及所述反相器114连接，用于将传感器电流信号转换为传感器电压信号；所述反相器114分别与所述跨阻放大电路113以及所述第一低通滤波电路115连接，用于将所述传感器电压信号进行反相后输出反相传感器电压信号至所述第一低通滤波电路115；所述第一低通滤波电路115分别与所述反相器114以及所述控制模块160连接，用于将所述反相传感器电压信号进行率滤噪处理后输出至所述控制模块160。
86.具体地，所述葡萄糖传感器111为葡萄糖电流型传感器，所述葡萄糖检测单元112为葡萄糖电化学检测单元。
87.葡萄糖传感器111将体液中的葡萄糖浓度参数转换为电流信号，而因葡萄糖电流型传感器的输出电流信号微弱，在微安级别，且由于所述微控制器161只能采集电压信号，故前级电路采用跨阻放大电路113(阻抗变换放大电路)，将电流信号转换放大为电压信号。后级电路采用第一低通滤波电路115(巴特沃斯低通滤波器)，用于滤除信号调理过程中引入的高频噪声。
88.其中，所述跨阻放大电路113包括第一运算放大器u1、第一电阻r1与第二电阻r2，所述反相器114包括第二运算放大器u2，所述第一低通滤波电路115由第三运算放大器u3与第四运算放大器u4构成。传感器电流从第一运算放大器u1的反相输入端流入，经过第二电阻r2从输出端流出，起到电流转电压的作用，其中输出电压等于输入电流与所述第二电阻r2的乘积。因传感器电流是从第一运算放大器u1的反相输入端流入的，因而所述第一运算放大器u1的输出电压也为负值，所以需要所述反相器114(通过所述第二运算放大器u2构成的反相电压跟随电路)将负电压转变成正电压(幅值大小不变)即得到反相传感器电压信号，其后再经所述第一低通滤波电路115率滤噪处理后输出至所述模数转换单元162。
89.需要说明的是：电流型电化学检测技术是通过在电解池体系中，向电极之间施加一定大小的恒电位，引起电活性物质的氧化还原反应，从而产生与目标分析物浓度成比例关系的响应电流。本发明选用电流型酶生物传感器作为检测汗液代谢物的电化学传感手段。酶生物传感器将生物酶固定在电极表面或将其与电极直接组合而成，利用酶对目标分
析物的高度特异性和催化效能，来催化目标分析物发生化学反应，从而产生电流信号。
90.请参阅图1与图3，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述钠离子检测模块120包括：钠离子传感器121与钠离子检测单元122；所述钠离子检测模块120与所述钠离子传感器121连接；其中，所述钠离子检测单元122包括：缓冲电路123、第一差分放大电路124与第二低通滤波电路125；所述缓冲电路123分别与所述钠离子传感器121以及所述第一差分放大电路124连接，用于检测所述钠离子传感器121两个电极之间的电压信号；所述第一差分放大电路124分别与所述缓冲电路123以及所述第二低通滤波电路125连接，用于将所述钠离子传感器121两个电极之间的电压信号进行放大处理并输出第一放大信号至所述第二低通滤波电路125；所述第二低通滤波电路125分别与所述第一差分放大电路124以及所述控制模块160连接，用于将所述第一放大信号进行滤噪处理后输出至所述控制模块160。
91.具体地，所述钠离子传感器121为钠离子电位型传感器，所述钠离子检测单元122为钠离子电化学检测单元。
92.钠离子传感器121将体液中的钠离子浓度转换为电压信号，因钠离子电位型传感器输出电压信号微弱，输出阻抗高。因此检测电路中前级电路用电压跟随作缓冲电路123(buffer)，具有高输入阻抗和低输出阻抗性质，阻抗匹配。中间级电路为第一差分放大电路124(差分放大器)，能够放大差分信号，抑制共模信号，适于放大传感器间电位差。因检测到的电压信号是接近零频的信号，那么后级电路采用第二低通滤波电路125(巴特沃斯的低通滤波器)，以滤除调理过程中引入的高频噪声。
93.其中，所述缓冲电路123包括第四运算放大器u4与第五运算放大器u5，所述第四运算放大器u4所述第五运算放大器u5分别组成了两路电压跟随器作为缓冲器，分别检测钠离子电位型传感器的两个电极之间的电位，具有高输入阻抗和低输出阻抗性质，能够隔离干扰。所述第一差分放大电路124包括第六运算放大器u6、第三电阻r3、第四电阻r4与第五电阻r5，所述第三电阻r3与所述第六运算放大器u6的反相输入端连接，所述第四电阻r4与所述第六运算放大器u6的反相输入端连接，所述第五电阻r5连接在所述第六运算放大器u6的反相输入端与输出端之间，所述第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5与所述第六运算放大器u6构成构成差分放大器，起到放大钠离子电位型传感器两个电极之间的电位差的作用，其中差模放大倍数au＝r5/r3。所述第二低通滤波电路125包括第七运算放大器u7与第八运算放大器u8，所述第七运算放大器u7与所述第八运算放大器u8别组成了二阶运算放大器，所述第七运算放大器u7与所述第八运算放大器u8串联构成四阶低通滤波器，且所述第七运算放大器u7与所述第八运算放大器u8的反相输入端与所述第八运算放大器u8的同相输入端相连，即没有起到放大的作用，增益为1，因而所述第二低通滤波电路125能够滤除高频噪声，允许低频信号通过，且不会改变电压的幅值。
94.需要说明的是：电化学检测是将反应信号转换为电信号，通过测定电位、电流或阻抗等电信号参数来确定目标分析物的浓度值。根据电化学检测原理的不同，可以将电化学检测技术分为以下几种：电位型、电流型、阻抗型、电量型等。本发明选用电位型来设计汗液电解质的检测前端模块。电位型电化学检测技术：电位测量技术是指在零电流下测量电势随着目标分析物浓度的变化而变化，它对检测汗液中的离子，包括钠离子、钾离子、钙离子。电位法的功能性电极种类众多，主要有离子选择性电极和金属基电极。对体表汗液中的离子检测采用的式离子选择性电极。离子选择性传感器检测系统中，采用双电极的电化学体
系，将工作电极和参比电极同时置于溶液中组成电池。工作电极因为经离子选择性载体进行修饰过，使得其电位会根据目标离子浓度的变化而遵循能斯特方程呈有规律的变化，参比电极的电位相对稳定。通过测量两个电极之间的电位差可以反映待测离子的浓度。
95.请参阅图1与图4，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述温度检测模块130包括：温度传感器131与温度检测单元132；所述温度检测单元132与所述温度传感器131连接；其中，所述温度检测单元132包括：惠斯通电桥电路133、第二差分放大电路134与第三低通滤波电路135；所述惠斯通电桥电路133分别与所述温度传感器131以及所述第二差分放大电路134连接，用于将根据所述温度传感器131的温度变化输出的电压信号至所述第二差分放大电路134；所述第二差分放大电路134分别与所述惠斯通电桥电路133以及所述第二低通滤波电路125连接，用于将根据所述温度传感器131的温度变化输出的电压信号放大处理后输出第二放大信号至所述第二低通滤波电路125；所述第二低通滤波电路125分别与所述第二差分放大电路134以及所述控制模块160连接，用于将所述第二放大信号进行滤噪后输出至所述控制模块160。
96.具体地，所述温度传感器131采用ntc型温度传感器，所述ntc热敏电阻是一类电阻值随温度增大而减小的一种传感器电阻。前级电路采用惠斯通电桥电路133，惠斯通电桥由四个电阻和激励电压组成，当四个电阻都成比例时，电桥输出电压为0。ntc热敏电阻接入电桥，当温度变化时，电阻之间不平衡，在激励电压作用下，电桥终端出现与电压变化成正比的差分电压。中间级采用第二差分放大电路134放大，后级电路采用所述第三低通滤波电路135(巴特沃斯低通滤波器)进行滤噪处理。
97.其中，所述第二差分放大电路134包括第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8与第九运算放大器u9，所述第六电阻r6的一端与所述惠斯通电桥电路133的一个桥臂连接，另一端与所述第九运算放大器u9的反相输入端连接，所述第七电阻r7的一端与所述惠斯通电桥电路133的另一桥臂连接，另一端与所述第九运算放大器u9的同相输入端连接，所述第八电阻r8连接在所述第九运算放大器u9的反相输入端与输出端之间，所述第九运算放大器u9的输出端与所述第三低通滤波电路135连接。所述第三低通滤波电路135包括第十运算放大器u10与第十一运算放大器u11，所述第十运算放大器u10与所述第十一运算放大器u11串联形成四阶低通滤波器。其中，ntc温度传感器131的阻值随温度变化时，惠斯通电桥电路133两桥臂的节点v1和节点v2之间会产生微小的电压信号差，该电压信号差经所述第二差分放大电路134进行放大后输出第二放大信号至所述第二低通滤波电路125，其中电压增益au＝r8/r6，其后所述第二放大信号经所述第二低通滤波电路125滤噪后输出至所述模数转换单元162。
98.请参阅图1与图5，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述心率检测模块140包括：心率传感器141与心率检测单元142；所述心率检测单元142与所述心率传感器141连接；其中，所述心率检测单元142包括：滤波电路143与放大电路144；所述心率传感器141与所述滤波电路143连接，用于发出光源、接收经人体组织反射后的反射光并将所述反射光转换为电信号输出；所述滤波电路143分别与所述心率传感器141以及所述放大电路144连接，用于对所述心率传感器141输出的电信号进行滤噪处理后输出低频信号至所述放大电路144；所述放大电路144分别与所述滤波电路143以及所述控制模块160连接，用于对所述低频信号进行放大后输出第三放大信号至所述控制模块160。
99.具体地，所述心率传感器141为心率光电型传感器，其由光电变换电路(photoelectric conversion)构成，该检测电路基于光电容积法，由波长在500nm-700nm的发光二极管led1和环境光感受器u0构成。所述滤波电路143包括第十电阻r10与第一电容c1，所述第十电阻r10的与所述环境光感受器u0的输出端以及所述第一电容c1的一端连接，所述第十电阻r10与所述第一电容c1构成rc滤波电路143。所述放大电路144包括第十二运算放大器u12，所述第十二运算放大器u12的同相输入端与所述滤波电路143的输出端连接，所述第十二运算放大器u12的输出端与所述模数转换单元162连接。
100.当发光二极管led1发出的光在经由人体皮肤组织血管反射后，被光感受器接收进行光电转换出电压信号。因脉搏信号频带在0.05hz-100hz之间，故需经由中间级rc滤波电路进行滤噪处理并输出低频信号。由于转换出的电信号幅度小，在毫伏级水平，故还需要经由后级的所述放大电路放144大到所述微控制器161可以采集的电压范围内再输出。
101.请参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述电源模块150包括：锂电池151与电源管理单元152；其中，所述锂电池151与所述电源管理单元152连接；所述电源管理单元152分别与所述葡萄糖检测模块110、所述钠离子检测模块120、所述温度检测模块130、所述心率检测模块140以及所述控制模块160连接，用于为所述葡萄糖检测模块110、所述钠离子检测模块120、所述温度检测模块130、所述心率检测模块140以及所述控制模块160供电。
102.具体地，所述锂电池151能够存储电能，并通过所述电源管理单元152为整个可穿戴生物传感监测装置100供电。
103.所述控制模块160具有电源管理机制，具备关联睡眠功能：即系统的功耗可以在活动(active)模式、中度休眠(modem-sleep)模式和低休眠(light-sleep)模式之间切换。active模式的功耗最高，modem-sleep模式的功耗次之，light-sleep模式功耗最低。可以通过设置在不同的休眠模式之间切换以及休眠时长，来使得mcu、无线模块、蓝牙和射频按照预设的时间间隔被唤醒，从而实现系统功耗节能。
104.当可穿戴生物传感监测装置100完成初始化后即进入低功耗工作模式状态，进入低功耗模式后，片上系统电流不超过1ma。所述微控制器161内的定时器定时触发中断机制，片上系统被唤醒后快速进入活动模式(正常工作模式)，开始生理信号和生化信号的数据采集，转换，放大和滤波处理等动作。当信号检测的工作完成后，可穿戴生物传感监测装置100重新进入休眠状态，继续进入低功耗模式，并可以根据测量得到的心率参数的大小重置休眠唤醒的间隔时间，以将第数据采样的数量，从而实现自适应节能。
105.以下以一具体实施例对本发明进行说明。
106.请参阅图6并结合图1，首先，可穿戴生物传感监测装置100启动主程序并进行系统初始化，其后所述微控制器161开启无线通信，使得所述无线单元163与移动终端200(移动终端200也开启无线传输)实现无线连接。
107.可穿戴生物传感监测装置100初始化后进入低功耗模式状态，启动定时器，定时器到期后中断唤醒微控制器161从休眠模式进入正常工作模式。启动葡萄糖检测模块110、钠离子检测模块120、温度检测模块130与心率检测模块140。所述微控制器161对经葡萄糖检测模块110、钠离子检测模块120、温度检测模块130、心率检测模块140的电信号通过所述模数转换单元162采集和处理，并将采集处理后得到的葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与
心率参数打包后发送至移动终端200，经所述移动终端200接受并进行数据转换后进行显示并存储，并实时绘制生理信号与生化信号曲线。与此同时，对采集的心率参数(bpm)进行判断，当心率参数小于100时，认为运动强度小，所述微控制器161重置休眠唤醒时间为10秒，即每隔10秒从低功耗模式进入正常工作模式进行数据采集处理。当心率大于100时，认为运动强度大，所述微控制器161重置休眠唤醒时间为4秒，即每隔4秒从低功耗模式进入正常工作模式。即根据监测的心率参数动态调节休眠时间间隔，调节系统工作模式，从而实现自适应节能，提高可穿戴设备续航能力。
108.请参阅图7，在一些实施例中，本发明还提供了一种应用于上述所述的可穿戴生物传感监测装置的可穿戴生物传感监测方法，其包括步骤：
109.s100、通过葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块分别检测葡萄糖信号、钠离子信号、温度信号与心率信号并反馈至控制模块；具体如一种可穿戴生物传感监测系统的实施例所述，在此不再赘述。
110.s200、所述控制模块根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；具体如一种可穿戴生物传感监测系统的实施例所述，在此不再赘述。
111.s300、所述控制模块将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至移动终端进行实时显示。具体如一种可穿戴生物传感监测系统的实施例所述，在此不再赘述。
112.本发明的进一步设置，还包括步骤：
113.s400、所述控制模块根据所述心率参数控制可穿戴生物传感监测装置的工作模式；其中，当所述心率参数小于等于预设心率参数阈值时，所述微控制器每间隔第一预设时间被唤醒，当所述心率参数大于所述预设心率参数时，所述微控制器每间隔第二预设时间被唤醒。具体如一种可穿戴生物传感监测系统的实施例所述，在此不再赘述。
114.综上所述，本发明所提供的一种可穿戴生物传感监测装置、系统及方法，具有以下有益效果：
115.通过将葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块集成在一个可穿戴装置上，以实现生理参数(温度参数与心率参数)和生化参数(葡萄糖参数与钠离子参数)的连续、动态监测，从而能够对用户运动过程中的身体机能状态进行完整性的描述，即能够无创、实时且连续地监测人体运动过程中出现的生理信号和生化信号等多参数变化情况；
116.具有的电源管理机制可以使系统在正常工作模式和低功耗模式之间切换，并动态调节休眠时间，实现自适应节能，提高可穿戴设备的续航能力。
117.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种可穿戴生物传感监测装置，其特征在于，包括：葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块、电源模块与控制模块；其中，所述葡萄糖检测模块与所述控制模块连接，用于检测葡萄糖信号并反馈至所述控制模块；所述钠离子检测模块与所述控制模块连接，用于检测钠离子信号并反馈至所述控制模块；所述温度检测模块与所述控制模块连接，用于检测温度信号并反馈至所述控制模块；所述心率检测模块与所述控制模块连接，用于检测心率信号并反馈至所述控制模块；所述控制模块分别与所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块以及所述心率检测模块连接，用于根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；所述电源模块分别与所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块连接，用于为所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块供电。2.根据权利要求1所述的可穿戴生物传感监测装置，其特征在于，所述控制模块包括：微控制器、模数转换单元与无线单元；其中，所述模数转换单元分别与所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块以及所述心率检测模块连接，用于将所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号转换为数字信号传输至所述微控制器；所述微控制器用于根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号转换得到的数字信号进行换算处理后得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；所述微控制器还用于根据所述心率参数控制可穿戴生物传感监测装置的工作模式；其中，当所述心率参数小于等于预设心率参数阈值时，所述微控制器每间隔第一预设时间被唤醒，当所述心率参数大于所述预设心率参数时，所述微控制器每间隔第二预设时间被唤醒；所述无线单元与所述微控制器连接，用于将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至移动终端。3.根据权利要求1所述的可穿戴生物传感监测装置，其特征在于，所述葡萄糖检测模块包括：葡萄糖传感器与葡萄糖检测单元；所述葡萄糖检测单元与所述葡萄糖传感器连接；其中，所述葡萄糖检测单元包括：跨阻放大电路、反相器与第一低通滤波电路；所述跨阻放大电路分别与所述葡萄糖传感器以及所述反相器连接，用于将传感器电流信号转换为传感器电压信号；所述反相器分别与所述跨阻放大电路以及所述第一低通滤波电路连接，用于将所述传感器电压信号进行反相后输出反相传感器电压信号至所述第一低通滤波电路；所述第一低通滤波电路分别与所述反相器以及所述控制模块连接，用于将所述反相传感器电压信号进行率滤噪处理后输出至所述控制模块。4.根据权利要求1所述的可穿戴生物传感监测装置，其特征在于，所述钠离子检测模块包括：钠离子传感器与钠离子检测单元；所述钠离子检测模块与所述钠离子传感器连接；
其中，所述钠离子检测单元包括：缓冲电路、第一差分放大电路与第二低通滤波电路；所述缓冲电路分别与所述钠离子传感器以及所述第一差分放大电路连接，用于检测所述钠离子传感器两个电极之间的电压信号；所述第一差分放大电路分别与所述缓冲电路以及所述第二低通滤波电路连接，用于将所述钠离子传感器两个电极之间的电压信号进行放大处理并输出第一放大信号至所述第二低通滤波电路；所述第二低通滤波电路分别与所述第一差分放大电路以及所述控制模块连接，用于将所述第一放大信号进行滤噪处理后输出至所述控制模块。5.根据权利要求1所述的可穿戴生物传感监测装置，其特征在于，所述温度检测模块包括：温度传感器与温度检测单元；所述温度检测单元与所述温度传感器连接；其中，所述温度检测单元包括：惠斯通电桥电路、第二差分放大电路与第三低通滤波电路；所述惠斯通电桥电路分别与所述温度传感器以及所述第二差分放大电路连接，用于将根据所述温度传感器的温度变化输出的电压信号输出至所述第二差分放大电路；所述第二差分放大电路分别与所述惠斯通电桥电路以及所述第二低通滤波电路连接，用于将根据所述温度传感器的温度变化输出的电压信号放大处理后输出第二放大信号至所述第二低通滤波电路；所述第二低通滤波电路分别与所述第二差分放大电路以及所述控制模块连接，用于将所述第二放大信号进行滤噪后输出至所述控制模块。6.根据权利要求1所述的可穿戴生物传感监测装置，其特征在于，所述心率检测模块包括：心率传感器与心率检测单元；所述心率检测单元与所述心率传感器连接；其中，所述心率检测单元包括：滤波电路与放大电路；所述心率传感器与所述滤波电路连接，用于发出光源、接收经人体组织反射后的反射光并将所述反射光转换为电信号输出；所述滤波电路分别与所述心率传感器以及所述放大电路连接，用于对所述心率传感器输出的电信号进行滤噪处理后输出低频信号至所述放大电路；所述放大电路分别与所述滤波电路以及所述控制模块连接，用于对所述低频信号进行放大后输出第三放大信号至所述控制模块。7.根据权利要求1所述的可穿戴生物传感监测装置，其特征在于，所述电源模块包括：锂电池与电源管理单元；其中，所述锂电池与所述电源管理单元连接；所述电源管理单元分别与所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块连接，用于为所述葡萄糖检测模块、所述钠离子检测模块、所述温度检测模块、所述心率检测模块以及所述控制模块供电。8.一种可穿戴生物传感监测系统，其特征在于，包括移动终端以及如权利要求1－7任一项所述的可穿戴生物传感监测装置；其中，所述可穿戴生物传感监测装置与所述移动终端无线连接，用于将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至所述移动终端；所述移动终端用于对所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参
数进行实时显示并根据所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数得到生理信号与生化信号曲线。9.一种应用于权利要求1－7任一项所述的可穿戴生物传感监测装置的可穿戴生物传感监测方法，其特征在于，包括：通过葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块分别检测葡萄糖信号、钠离子信号、温度信号与心率信号并反馈至控制模块；所述控制模块根据所述葡萄糖信号、所述钠离子信号、所述温度信号与所述心率信号得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；所述控制模块将所述葡萄糖参数、所述钠离子参数、所述温度参数与所述心率参数发送至移动终端进行实时显示。10.根据权利要求9所述的可穿戴生物传感监测方法，其特征在于，还包括：所述控制模块根据所述心率参数控制可穿戴生物传感监测装置的工作模式；其中，当所述心率参数小于等于预设心率参数阈值时，所述控制模块每间隔第一预设时间被唤醒，当所述心率参数大于所述预设心率参数时，所述控制模块每间隔第二预设时间被唤醒。

技术总结
本发明公开了一种可穿戴生物传感监测装置、系统及方法，装置包括：葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块、电源模块与控制模块；葡萄糖检测模块用于检测葡萄糖信号；钠离子检测模块用于检测钠离子信号；温度检测模块用于检测温度信号；心率检测模块用于检测心率信号；控制模块用于根据葡萄糖信号、钠离子信号、温度信号与心率信号得到葡萄糖参数、钠离子参数、温度参数与心率参数；电源模块用于为葡萄糖检测模块、钠离子检测模块、温度检测模块、心率检测模块以及控制模块供电。本发明实现了生理参数和生化参数的连续、动态监测，能够对用户运动过程中的身体机能状态进行完整性的描述。能状态进行完整性的描述。能状态进行完整性的描述。


技术研发人员：林苑菁 黄丽婷 杨圳森
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/18