本发明的一种基于IMU的供氧控制系统，包括控制模块分别与运动状态识别模块、呼吸信号检测模块、生理参数采集模块以及供氧模块中的电磁阀连接，通过数据处理得到用户实时耗氧量、呼吸信号数据和生理参数信息，根据用户实时耗氧量和呼吸信号数据确定供氧量、供氧时间的起始点T和供氧时长t，当达到供氧时间的起始点T时，通过所述控制模块控制打开电磁阀的开度进行供氧，根据生理参数采集模块获得的信息实时监控佩戴者的身体健康状况。本发明对供氧量进行严格的控制，并根据佩戴者的需氧量进行实时检测，提高氧气使用率和吸氧者对氧气的利用率，同时对使用者的各项生理参数进行实时监控，保证了使用者的人身安全。
1.一种基于IMU的供氧控制系统，基于供氧模块，所述供氧模块包括氧气瓶、供氧管路、电磁阀、氧气面罩和三通管件，其特征在于，还包括运动状态识别模块、生理参数采集模块、呼吸信号检测模块及控制单元；
所述运动状态识别模块包括佩戴在髋关节的三轴陀螺仪和佩戴在脚踝的加速度计，用于获取佩戴者实时运动状态，并传输至所述控制单元中进行数据处理得到用户实时运动状态；
所述供氧管路一端与所述氧气瓶连接，用于将所述氧气瓶中的氧气供应至所述供氧管路中；所述供氧管路的第二端与所述三通管件气路连接；所述三通管件的其中一条支路为出氧口与所述氧气面罩连接；所述电磁阀设置在所述供氧管路上；
所述呼吸信号检测模块与所述三通管件的另一条支路气路连接，用于采集用户呼吸气压信息；
所述生理参数采集模块包括生理体征监测传感器和呼吸末二氧化碳传感器；所述生理体征监测传感器佩戴于用户的指尖，用于采集佩戴者心率、血氧饱和度、血压；
所述控制单元分别与运动状态识别模块、呼吸信号检测模、生理参数采集模块以及供氧模块中的电磁阀连接，用于实时接收所述用户运动状态信息、呼吸气压信息、生理参数信息，通过数据处理得到用户实时耗氧量、呼吸信号数据和生理参数信息，根据所述用户实时耗氧量和呼吸信号数据确定供氧量、供氧时间的起始点T和供氧时长t，当达到供氧时间的起始点T时，通过所述控制单元控制打开电磁阀的开度进行供氧，当达到供氧时长t，通过所述控制单元控制关闭电磁阀结束供氧；根据所述生理参数采集模块获得的信息实时监控佩戴者的身体健康状况；
控制单元根据所述用户实时运动状态和呼吸波形曲线数据确定供氧时间的起始点T、供氧时长t和耗氧量的过程如下：对用户的呼吸信号数据进行实时采样，取采样值大于零且连续变大的数据，若该段数据中有值大于设定的呼吸触发阈值时，则认为开始吸气，记录时间为T，T即为供氧时间的起始点；继续数据采样，当采样值小于零且出现连续变小的数据、且该段数据中有值小于设定的呼吸结束判断阈值时，则认为结束呼气；
对佩戴者运动状态信息进行实时采集，依据运动状态选定对应的供氧模式；通过前期实验建立运动模式、代谢当量以及耗氧量的目标数据库，找到明确的映射关系；通过多数据特征融合，利用稀疏贝叶斯模型的相关向量机算法建立运动耗氧量估计的回归模型；
通过实时获取佩戴者运动状态，根据实验所得的目标数据库获得对应的代谢当量，利用映射关系VO2＝MET*3.5*M‑Age*0.2，计算耗氧量；VO2：耗氧量、MET：当谢当量、Age：年龄；
对用户的生理参数信息数据进行实时采样，通过控制单元进行数据分析对佩戴者健康状况做出预警。
2.根据权利要求1所述的基于IMU的供氧控制系统，其特征在于：所述呼吸信号检测模块包括微型压力传感器，所述微型压力传感器与控制单元电连接，用于采集用户呼吸气压信息，并传输至所述控制单元中进行数据处理得到用户呼吸数据。
3.根据权利要求2所述的基于IMU的供氧控制系统，其特征在于：所述生理体征监测传感器和呼吸末二氧化碳传感器与所述控制单元电连接，用于实时采集用户呼吸末二氧化碳浓度、吸入二氧化碳浓度、心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率，并传输至所述控制单元中进行数据处理得到用户实时生理参数。
4.根据权利要求2所述的基于IMU的供氧控制系统，其特征在于：还包括微型压力传感器校正过程，校正过程如下：在非呼吸状态下，控制单元分别读取所述微型压力传感器的检测值X并进行存储；
呼吸检测单元进行数据处理之前，获取采集到的用户呼吸气压数据与所述检测值X的差值，再对该差值经过数据处理单元进行数据处理，差值大于零判断为吸气。
5.根据权利要求1所述的基于IMU的供氧控制系统，其特征在于：还包括在对用户运动状态信息、呼吸信号和生理参数进行数据采样之前，对所述参数进行滤波处理。
6.根据权利要求1所述的基于IMU的供氧控制系统，其特征在于：所述供氧模块还包括微型压力传感器，所述微型压力传感器与氧气瓶气路连接，并与所述控制单元电连接，用于采集储气罐内的压力信息，并将压力信息传输至控制单元中；在确定供氧时间的起始点T和供氧时长t的过程中，当呼吸压力信号大于阈值时，控制单元控制电磁阀打开供氧，此时，控制单元同时控制压力传感器采集储气罐内压力为P，并根据储气罐内压力P和用户耗氧量控制比例阀的开度。
一种基于IMU的供氧控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及自动控制氧气流量技术领域，具体涉及一种基于IMU 的供氧控制系统。
背景技术
[0002] 高海拔地区的大气呈现低压、低氧的特点，随着海拔高度的增加，空气变得稀薄，高海拔地区的工作人员会出现头痛、恶心呕吐、反应迟钝等高原反应症状，因此，额外补充氧气吸入来维持身体机能的正常运行，对在高海拔地区从事重要工作或军事工作有重要意义。很多高海拔地区工作人员会随身携带氧气瓶或氧气袋供氧，但传统的供氧模式对氧气造成了不必要的浪费，无法长时间使用，因此，自动调节供氧量成为更好的选择。
[0003] 但是目前市场上的该脉冲式供氧系统存在着反应灵敏度低，有时吸气不供氧，以及供氧量不能随人体需求所改变的缺陷。例如，现有的脉冲供氧系统采用按照固定的时间间隔进行脉冲供氧的方式，不能和用户的呼吸进行自动匹配；有的脉冲供氧系统需要用户根据自身感受对供氧量进行手动调节，浪费用户时间并且氧气的利用率不高。
发明内容
[0004] 本发明提出的一种基于IMU的供氧控制系统，能够有效识别用户呼吸动作、自动调剂供氧量、准确进行供氧控制的智能供氧系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0006] 一种基于IMU的供氧控制系统，基于供氧模块，所述供氧模块包括氧气瓶、供氧管路、电磁阀、氧气面罩和三通元件，其特征在于，
[0007] 还包括运动状态识别模块、生理参数采集模块、呼吸信号检测模块及控制模块；
[0008] 其中，
[0009] 所述运动状态识别模块包括佩戴在髋关节的三轴陀螺仪和佩戴在脚踝的加速度计，用于获取佩戴者实时运动状态，并传输至所述控制单元中进行数据处理得到用户实时运动状态；
[0010] 所述供氧管路一端与所述氧气瓶连接，用于将所述氧气瓶中的氧气供应至所述供氧管路中；所述供氧管路的第二端与所述三通管件气路连接；所述三通管件的其中一条支路为出氧口与所述氧气面罩连接；所述电磁阀设置在所述供氧管路上；
[0011] 所述呼吸信号检测模块与所述三通管件的另一条支路气路连接，用于采集用户呼吸气压信息；
[0012] 所述生理参数采集模块包括生理体征监测传感器和呼吸末二氧化碳传感器；所述生理体征监测传感器佩戴于用户的指尖，用于采集佩戴者心率、血氧饱和度、血压；
[0013] 所述控制模块分别与运动状态识别模块、呼吸信号检测模、生理参数采集模块以及供氧模块中的电磁阀连接，用于实时接收所述用户运动状态信息、呼吸气压信息、生理参数信息，通过数据处理得到用户实时耗氧量、呼吸信号数据和生理参数信息，根据所述用户实时耗氧量和呼吸信号数据确定供氧量、供氧时间的起始点T和供氧时长t，当达到供氧时间的起始点T时，通过所述控制模块控制打开电磁阀的开度进行供氧，当达到供氧时长t，通过所述控制单元控制关闭电磁阀结束供氧；根据所述生理参数采集模块获得的信息实时监控佩戴者的身体健康状况。
[0014] 进一步的，控制单元根据所述用户实时运动状态和呼吸波形曲线数据确定供氧时间的起始点T、供氧时长t和耗氧量的过程如下：
[0015] 对用户的呼吸信号数据进行实时采样，取采样值大于零且连续变大的数据，若该段数据中有值大于设定的呼吸触发阈值时，则认为开始吸气，记录时间为T，T即为供氧时间的起始点；继续数据采样，当采样值小于零且出现连续变小的数据、且该段数据中有值小于设定的呼吸结束判断阈值时，则认为结束呼气；
[0016] 供氧时长t＝0.5s；
[0017] 对佩戴者运动状态信息进行实时采集，依据运动状态选定对应的供氧模式；通过前期实验建立运动模式、代谢当量以及耗氧量的目标数据库，找到明确的映射关系；通过多数据特征融合，利用稀疏贝叶斯模型的相关向量机算法建立运动耗氧量估计的回归模型；
[0018] 通过实时获取佩戴者运动状态，根据实验所得的目标数据库获得对应的代谢当量，利用映射关系VO2＝MET*3.5*M‑Age*0.2，计算耗氧量；VO2：耗氧量、MET：当谢当量、Age：年龄；
[0019] 对用户的生理参数信息数据进行实时采样，通过控制单元进行数据分析对佩戴者健康状况做出预警。
[0020] 进一步的，所述呼吸信号检测模块包括微型压力传感器，所述微型压力传感器与控制单元电连接，用于采集用户呼吸气压信息，并传输至所述控制单元中进行数据处理得到用户呼吸数据。
[0021] 进一步的，所述生理体征监测传感器和呼吸末二氧化碳传感器与所述控制单元电连接，用于实时采集用户呼吸末二氧化碳浓度、吸入二氧化碳浓度、心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率，并传输至所述控制单元中进行数据处理得到用户实时生理参数。
[0022] 进一步的，还包括微型压力传感器校正过程，校正过程如下：在非呼吸状态下，所述控制单元分别读取所述微型压力传感器的检测值X 并进行存储；所述呼吸检测单元进行数据处理之前，获取采集到的所述用户呼吸气压数据与所述检测值X的差值，再对该差值经过数据处理单元进行数据处理，差值大于零判断为吸气。
[0023] 进一步的，还包括在对用户运动状态信息、呼吸信号和生理参数进行数据采样之前，对所述参数进行滤波处理。
[0024] 进一步的，所述供氧模块还包括微型压力传感器，所述微型压力传感器与氧气瓶气路连接，并与所述控制单元电连接，用于采集储气罐内的压力信息，并将所述压力信息传输至所述控制单元中；在所述确定供氧时间的起始点T和供氧时长t的过程中，当呼吸压力信号大于阈值时，所述控制单元控制电磁阀打开供氧，此时，所述控制单元同时控制所述压力传感器采集所述储气罐内压力为P，并根据储气罐内压力P和用户耗氧量控制比例阀的开度。
[0025] 由上述技术方案可知，本发明的基于IMU的供氧控制系统，涉及供氧的技术领域，特别是涉及高海拔、高寒环境下便携式精确供氧系统，基于供氧系统，其中供氧系统包括运动状态识别模块、供氧模块、呼吸信号检测模块、生理参数采集模块、控制模块。运动状态识别模块是由三轴陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元(IMU)，供氧模块由氧气瓶、电磁阀、供氧管路、氧气面罩和三通管件组成；呼吸信号检测模块，用于检测佩戴者的呼吸信号；生理参数采集模块，由安装在指末的生理体征监测传感器和与呼吸面罩连接的呼吸末二氧化碳传感器组成，用于实时采集佩戴者呼吸末二氧化碳浓度、吸入二氧化碳浓度、心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率；控制模块，用于实时处理运动识别模块和生理参数采集模块采集到的信息，根据佩戴者实时运动状态控制电磁阀开度的信号，实时控制氧气瓶输出的氧气流量；根据生理参数采集模块采集到的信息实时监测人体健康状况。本发明利用多传感融合算法，实现按需供氧，减少氧气浪费，延长现有设备供氧时间。
[0026] 本发明实施的基于IMU的供氧控制系统，通过结合运动状态识别模块及生理参数采集模块，对使用者呼吸状态的准确判断、对吸氧者需氧量的实时计算，控制进行智能精确供氧，对供氧量进行严格的控制，并根据佩戴者的需氧量进行实时检测，提高氧气使用率和吸氧者对氧气的利用率，同时对使用者的各项生理参数进行实时监控，保证了使用者的人身安全。
附图说明
[0027] 图1是供氧模块的结构示意图；
[0028] 图2是供氧系模块的控制模块示意图；
[0029] 图3是本发明的控制流程图。
具体实施方式
[0030] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0031] 本发明的基于IMU的供氧控制系统包括供氧模块、呼吸信号检测模块、生理参数采集模块、控制模块；其中，供氧模块、呼吸信号检测模块、生理参数采集模块、控制模块分别通过电源模块进行供电。
[0032] 图1给出了一种供氧模块结构示意图，其中，供氧模块和呼吸信号检测模块，用于对用户呼吸信号进行采集，并通过生理参数采集模块采集到的信息，在控制模块的作用下对用户进行实时精确供氧。精确供氧控制由供氧模块、呼吸信号检测模块、生理参数采集模块共同完成。
[0033] 具体的说，供氧模块包括：氧气瓶、供氧管路、电磁阀、氧气面罩和三通元件。所述供氧管路第一端与所述氧气瓶气路连接，所述氧气瓶中的氧气供应至所述供氧管路中；所述供氧管路的第二端与所述三通管件气路连接，所述三通管件的其中一条支路为出氧口，出氧口与氧气面罩相连接；所述比例阀设置在所述供氧管路上，控制供氧管路上的氧气的流量。
[0034] 呼吸信号检测模块与三通管件的另一通路气路连接，并与控制单元电连接，用于采集用户呼吸气压信息，并将所述气压信息传输至控制单元中进行数据处理判断佩戴者是否处于吸气状态。
[0035] 生理参数采集模块与控制单元电连接，用于实时采集用户生理参数信息，并将所述生理参数信息传输至控制单元中进行数据处理监测用户的身体状况。
[0036] 呼吸信号检测模块与控制单元电连接，用于实时采集用户生理参数信息，并将所述生理参数信息传输至控制单元中进行数据处理监测用户的身体状况。
[0037] 运动状态识别模块与控制单元电连接，用于实时采集运动状态信息，并将所述运动状态信息传输至控制单元中进行数据处理得到用户的运动状态，通过查表法得到MET值。
[0038] 具体地说，呼吸信号检测模块包括：微型压力传感器，由微型压力传感器采集用户呼吸气压信息，并将采集的压力信息传输至控制单元的数据处理单元中进行数据处理，从而判断用户是否处于吸气状态。微型压力传感器通过三通管件直接从出氧口检测呼吸参数，不需要气路的控制，实现起来简单，控制方便。
[0039] 具体地说，运动状态识别模块包括：髋关节的三轴陀螺仪和佩戴在脚踝的加速度计，用来跟踪旋转和平移运动。将传感器采集到的信息传输至控制模块的数据处理单元进行数据处理，从而得到用户的实时运动状态通过运算进而得到用户实时耗氧量。
[0040] 具体地说，生理参数采集模块包括：安装在指末的生理体征监测传感器和与呼吸面罩连接的呼吸末二氧化碳传感器，由生理体征监测传感器采集用户心率、血氧饱和度信息；由呼吸末二氧化碳传感器采集用户吸入二氧化碳浓度、吸入二氧化碳浓度、呼吸频率。并将采集的生理参数信息传输至控制单元的数据处理单元中进行数据处理，从而得到用户的实时身体状况信息。
[0041] 控制单元分别与所述比例阀、所述呼吸信号检测模块和所述生理参数采集模块电连接，用于接收所述用户呼吸压力信号和生理参数信息，并根据所述用户呼吸压力信号数据和生理参数信息确定供氧时间的起始点T和供氧量，当达到供氧时间的起始点T时，通过所述控制单元控制比例阀开度进行供氧，当达到供氧时长t，通过所述控制单元控制关闭电磁阀结束供氧。
[0042] 在运动状态识别模块、呼吸信号检测模块和生理参数采集模块得到用户呼吸压力信号和生理参数信息后，控制模块根据该用户呼吸压力信号和生实时运动状态，进行精确供氧控制，其具体工作过程如下：
[0043] 根据用户呼吸压力信号，确定供氧时间的起始点T其中，具体过程如下：
[0044] 对所述用户呼吸压力数据进行数据采样，取采样值大于零且连续变大的数据，若该段数据中有值大于设定的呼吸触发阈值时，则认为开始吸气，记录时间为T，T即为供氧时间的起始点；
[0045] 继续数据采样，当采样值小于零且出现连续变小的数据、且该段数据中有值小于设定的呼吸结束判断阈值时，则认为结束呼气，
[0046] 根据前期实验表明一个呼吸周期为2s～4s，吸气时间小于呼气时间。在吸气阶段的前0.5s内，吸气量最大，因此在吸气的前0.5s供氧是最有效的，所以t＝0.5s。
[0047] 在确定供氧时间的起始点T和供氧时长t之后，控制单元会当达到供氧时间的起始点T时，根据实时运动状态自动控制打开比例阀开度进行供氧，氧气通过三通管件出氧口输送给用户，当达到供氧时长t，自动控制关闭比例阀结束供氧。
[0048] 对所述佩戴者运动状态信息进行实时采集，依据运动状态选定对应的供氧模式；通过前期实验建立运动模式、代谢当量以及耗氧量的目标数据库，找到明确的映射关系。通过多数据特征融合，利用稀疏贝叶斯模型的相关向量机算法建立运动耗氧量估计的回归模型。通过实时获取佩戴者运动状态，根据实验所得的目标数据库获得对应的代谢当量，利用映射关系VO2＝MET*3.5*M‑Age*0.2计算耗氧量；VO2：耗氧量、MET：当谢当量、Age：年龄。
[0049] 综上所述，本发明实施的基于IMU的供氧控制系统，通过对使用者呼吸状态的准确判断、对吸氧者需氧量的实时计算，控制进行智能精确供氧，对供氧量进行严格的控制，并根据佩戴者的需氧量进行实时检测，提高氧气使用率和吸氧者对氧气的利用率，同时对使用者的各项生理参数进行实时监控，保证了使用者的人身安全。
[0050] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
