WO2017131276A1 - Infant safety monitoring system using smartphone-based wearable device - Google Patents

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WO2017131276A1
WO2017131276A1 PCT/KR2016/001656 KR2016001656W WO2017131276A1 WO 2017131276 A1 WO2017131276 A1 WO 2017131276A1 KR 2016001656 W KR2016001656 W KR 2016001656W WO 2017131276 A1 WO2017131276 A1 WO 2017131276A1
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WO
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wearable device
sensor
spo2
led
posture
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PCT/KR2016/001656
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서지윤
노윤홍
박준모
정도운
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동서대학교 산학협력단
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention using a band-type wearable device to wear on the thighs (thighs) of infants in real time to detect oxygen saturation and posture, smart phone for automatically transmitting wireless detection information to the smartphone via Bluetooth
  • a wearable device based on the.
  • a three-axis acceleration sensor 170 which detects only a supine and a prone posture immediately lying in a posture after obtaining a rotation angle using the gravitational acceleration direction projected on each axis.
  • the firmware of the MCU 160 extracts AC / DC components of a signal by applying a digital LPF for noise reduction and a QV algorithm for baseline detection in spO2 and pulse rate detection, and 3-axis acceleration for posture. It detects the rotation angle and the movement of the sensor 170, and transmits the SpO2, pulse rate, posture information to the smart phone 20 via the Bluetooth module 140.
  • the infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device by wearing a band-type wearable device on the thigh (thigh) of the infant, it detects the oxygen saturation and posture in real time
  • a smartphone by automatically transmitting wirelessly detected information to a smartphone via Bluetooth, it minimizes inconvenience for infants and provides the effect that the guardian can easily check the infant's status information.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating hardware for the band-type wearable device of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating hardware for the band-type wearable device of FIG. 1.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a posture calculation process provided by firmware of an MCU of the band-type wearable device of FIG. 1.
  • FIG. 15 is a view showing a case of the wearable device in the form of a band of FIG.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a user interface screen for acquiring data through Bluetooth communication with a band-type wearable device of FIG. 1 and observing a calculation result of firmware in real time.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a user interface screen for acquiring data through Bluetooth communication with a band-type wearable device of FIG. 1 and observing a calculation result of firmware in real time.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a communication format of a wearable device in band form of FIG. 1.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a communication format of a wearable device in band form of FIG. 1.
  • FIG. 22 is a reference diagram showing a user interface screen implemented by an application on the smartphone of FIG. 1;
  • FIG. 22 is a reference diagram showing a user interface screen implemented by an application on the smartphone of FIG. 1;
  • an infant safety monitoring system using a smartphone-based wearable device includes a wearable device 100 and a smartphone 200 in a band form.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating hardware of the wearable device 100 in the band form of FIG. 1.
  • the band-type wearable device 100 includes an IR / Red LED, a photodiode integrated SpO2 sensor 110, and a constant current LED switching unit for driving LEDs of the SpO2 sensor 110 for pulse wave measurement.
  • 120, the I / V converter 130 for converting the sensor output current into a voltage, the Bluetooth module 140 for Bluetooth communication, the power supply unit 150, and the MCU 160 are configured as main components.
  • the pulse wave measuring unit of the band-type wearable device 100 will be described.
  • an SpO2 sensor IR / Red LED, photo diode integrated type
  • the pulse wave sensor uses an integrated sensor in which light-emitting (IR / Red LED) elements and photo-diode sensors are packaged for reflective measurements.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a circuit of the posture measuring unit 100b of the wearable device 100 in the band form of FIG. 1.
  • the posture in the posture measuring unit 110b is calculated after obtaining a rotation angle by using the gravity acceleration direction projected on each axis of the 3-axis acceleration sensor 170.
  • Posture detects only supine and prone positions.
  • the three-axis acceleration sensor 170 is expressed at a resolution of 256 levels per 1g.
  • the communication method uses I2C.
  • FIG. 7 is a module block diagram of the Bluetooth module 140 of the wearable device 100 in the band form of FIG. 1, and FIG. 8 illustrates the Bluetooth module 140 of the wearable device 100 in the band form of FIG. 1.
  • a circuit diagram is shown. 7 and 8, the Bluetooth module 140 is adopted for communication with the smartphone 200, and is a small module incorporating an FW, an RF unit, an antenna, etc., and has a size of 10 mm ⁇ 17 mm ⁇ 2 mm. .
  • the Bluetooth module 140 communicates with the MCU 160 at UART 961200 bps and has a built-in V2.0 stack for Bluetooth communication.
  • the firmware programming and debugging of the MCU 160 is performed by SWO communication through a JLink emulator, and the software is developed through IAR Embedded Workbench for ARM V6.6.
  • the firmware of the MCU 160 basically processes SpO2 and pulse rate detection, posture detection, communication, and user interface functions.
  • the firmware of the MCU 160 extracts AC / DC components of a signal by applying a digital LPF and a QV algorithm for baseline detection to remove noise during SpO2 and pulse rate detection.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a flowchart of SpO2 and pulse rate calculation processing provided by the firmware of the MCU 160.
  • the SpO2 sensor 100 switches the LEDs in the order of IR LED on / Red LED on / all LED off, thereby outputting the output signal of the generated SpO2 sensor at a sampling rate of 50kSPS through the built-in ADC 161.
  • Acquire data S11
  • a moving average is performed at a size of 22 samples, and down sampling is performed at 4.5kSPS (S12).
  • SpO2 value is calculated through IR and Red signals of 30SPS.
  • Equation 1 which calculates the SpO2 value
  • the baseline to which the QV algorithm is applied is calculated as the DC component
  • the value obtained by subtracting the baseline value from the signal value is the AC component (S17a and S17b).
  • the SpO2 sensor 110 When the DC signal of the IR is greater than or equal to the threshold, it is determined that the SpO2 sensor 110 is normally connected to the sensor On state. Two thresholds (Thres_IR1 and Thres_IR2) are used, and hysteresis is applied to prevent rapid state changes even with slight DC value changes.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a posture calculation process provided by the firmware of the MCU 160.
  • the posture is implemented to express four states (movement, leg up / down, straight down, upside down) every 1 second using the 3-axis acceleration sensor 170.
  • the device attachment portion is above the thigh, and when the device is attached, the Y axis of the 3-axis acceleration sensor 170 indicates the long axis direction of the thigh. If the legs are placed horizontally on the floor, the Y-axis is 0, the X-axis is 0, and the Z-axis is 1g.
  • the minimum value is 1 and the maximum value is about 1.73. If the threshold value is set to 1.75 for motion detection, the motion in the direction of maximum value should be moved by 0.02 and 0.75 in the direction of minimum value. Due to the large difference in sensitivity that detects motion depending on the direction in which the sensor is placed, SMA is not adopted for motion detection.
  • the measurement state represents five states of "Pulse Rate / SpO2 Computable State Transition State Diagram of FIG. 11", and the SpO2 measurement value and heart rate are expressed as an integer. In the case of posture, four states of “posture calculation block diagram of FIG. 13” are displayed.
  • 16 indicates ADC data of 4500 SPS which has been averaged by moving average
  • reference numeral 11 of FIG. 16 indicates a position at which IR, Red, and all LEDs of 300 SPS are extracted from the reference numeral 10 of FIG. Display. This is where the low triangle extracts the IR signal, the middle height triangle is red, and the high triangle is off.
  • the heel is the most appropriate if the posture detection is not considered. If the posture detection is considered, it is appropriate to measure at the front of the thigh which is highly related to the rotation of the body, which is a criterion for determining the posture.
  • the invention can also be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium.
  • Computer-readable recording media include all kinds of recording devices that store data that can be read by a computer system.
  • Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disks, optical data storage devices, and the like, which are also implemented in the form of carrier waves (eg, transmission over the Internet). It also includes.
  • the computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.
  • functional programs, codes and code segments for implementing the present invention can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention belongs.

Abstract

The present invention relates to an infant safety monitoring system using a smartphone-based wearable device, the infant safety monitoring system comprising: an SpO2 sensor, which is an integrated type of IR/Red LED for pulse wave measurement and a photo diode, and in which a light-emitting element (IR/Red LED) and a light-receiving sensor (photo diode) are packaged for reflective measurement; a constant-current LED switching unit for driving the LED of the SpO2 sensor; a Bluetooth module for Bluetooth communication with a smartphone; an MCU for processing the detection of SpO2 and a pulse rate, the detection of a posture, and communication from a measurement signal obtained by the SpO2 sensor; and a three-axial acceleration sensor obtaining a rotation angle by using a gravitational acceleration direction reflected in each axis, and then detecting only a supine posture and a prone posture as the postures, wherein firmware of the MCU extracts AC/DC components of a signal by applying a digital LPF in order to cancel noise in an SpO2 and pulse rate detection process and a QV algorithm in order to detect a baseline, detects a rotation angle and motion of the acceleration sensor with respect to the postures, and transmits the SpO2, the pulse rate, and posture information to the smartphone through the Bluetooth module.

Description

스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템Infant safety monitoring system using smartphone-based wearable device
본 발명은 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템 에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 밴드 형태의 착용형 기기와 스마트폰의 모니터링 어플리케이션(application)을 통해 영유아 돌연사 방지를 위해 산소포화도 및 자세 모니터링을 제공하도록 하기 위한 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템 에 관한 것이다. The present invention relates to an infant safety monitoring system using a smartphone-based wearable device, and more specifically, to prevent sudden death of infants and infants through the monitoring application (band) of the wearable device in the form of a band and a smartphone. The present invention relates to an infant safety monitoring system using a smartphone-based wearable device for providing posture monitoring.
가정이나, 영유아 위탁시설에서 영유아의 안전관리를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.Various researches for the safety management of infants and young children are conducted at home or in infant care facilities.
종래의 기술에는, 개인정보 및 보호자정보가 저장된 태그를 영유아에게 부착 또는 지급하고, 리더부를 통해 영유아가 보호영역에 존재하는지에 대한 여부를 보호자에게 주기적으로 통지하는 영유아 안전관리 시스템이 연구되어 널리 사용되고 있다.In the prior art, an infant safety management system for attaching or paying a tag storing personal information and guardian information to infants, and periodically notifying the guardian of whether the infant is present in a protected area through a reader unit has been studied and widely used. have.
그러나 종래의 태그를 이용한 영유아 안전관리 시스템은 보호자가 단순히 보호영역 내에 영유아가 위치하고 있는지에 대한 여부만을 수동적으로 전송받는 방식으로 이루어지기 때문에 영유아의 현재 상태를 보호자가 정확하게 인지할 수 없을 뿐만 아니라 영유아의 돌발 상황을 인지하지 못하고, 돌발 상황에 대한 즉각적인 대처를 수행할 수 없는 한계를 갖는다. However, the infant safety management system using the conventional tag is a method in which the guardian simply transmits only whether the infant is located in the protected area. Therefore, the guardian cannot accurately recognize the current state of the infant and the infant's infant. There is a limit to not being aware of an accident and not being able to take immediate action against it.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 밴드 형태의 착용형 기기와 모니터링 어플리케이션을 통해 영유아 돌연사 방지를 위해 산소포화도 및 자세 모니터링을 제공하도록 하기 위한 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above problems, infant safety monitoring using a smart phone-based wearable device to provide oxygen saturation and posture monitoring to prevent sudden death of infants through the band-type wearable device and monitoring application It is to provide a system.
또한, 본 발명은 밴드 형태의 착용형 기기를 활용하여 영유아의 대퇴부(허벅지)에 착용하여 산소포화도와 자세를 실시간 검출하고, 검출 정보를 블루투스를 통해 스마트폰으로 자동으로 무선 전송하도록 하기 위한 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention using a band-type wearable device to wear on the thighs (thighs) of infants in real time to detect oxygen saturation and posture, smart phone for automatically transmitting wireless detection information to the smartphone via Bluetooth To provide an infant safety monitoring system using a wearable device based on the.
또한, 본 발명은 스마트폰의 모니터링 어플리케이션을 활용하여 착용형 기기로부터 수신한 산소포화도와 자세를 실시간으로 표출하고, 위급상황 판단시 알람을 제공하도록 하기 위한 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템을 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention utilizes a smart phone monitoring application to display the oxygen saturation and posture received from the wearable device in real time, infant safety using a smart phone-based wearable device to provide an alarm when determining the emergency situation It is to provide a monitoring system.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템은, 밴드 형태의 착용형 기기(100) 및 스마트폰(200)을 포함하는 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템에 있어서, 맥파 측정을 위한 IR/Red LED, photo diode 일체형으로 발광(IR/Red LED) 소자와 수광(photo-diode) 센서가 반사형 측정을 위해 패키지화된 SpO2 센서(110); SpO2 센서(110)의 LED를 구동하기 위한 정전류 LED 스위칭부(120); 스마트폰(200)과 블루투스 통신을 위한 블루투스 모듈(140); 및 SpO2 센서(110)에 의한 측정신호로부터 SpO2와 맥박수 검출, 자세 검출, 통신 수행을 처리하는MCU(160); 및 각 축에 투영된 중력가속도 방향을 이용하여 회전각을 얻은 후 자세로 바로 누운 자세(supine)와 엎드린 자세(prone)만을 검출하는 3축 가속도 센서(170); 를 포함하며, MCU(160)의 펌웨어는, SpO2 및 맥박수 검출 과정에서 잡음 제거를 위해 디지털 LPF, baseline 검출을 위해 QV 알고리즘을 적용하여 신호의 AC/DC 성분을 추출하며, 자세에 대해서는 3축 가속도 센서(170)의 회전각과 움직임을 검출하며, 블루투스 모듈(140)을 통해 스마트폰(20)으로 SpO2, 맥박수, 자세 정보를 전송한다.Infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device according to an embodiment of the present invention, the band-type wearable device 100 and the smart phone 200, including the smart phone 200 to achieve the above object Infant safety monitoring system using wearable device, IR / Red LED for pulse wave measurement, photo diode integrated with IR / Red LED and photo-diode sensor packaged for reflective measurement SpO2 sensor 110; A constant current LED switching unit 120 for driving the LED of the SpO2 sensor 110; Bluetooth module 140 for Bluetooth communication with the smart phone 200; And a MCU 160 which processes SpO2 and pulse rate detection, posture detection, and communication performance from the measurement signal by the SpO2 sensor 110. And a three-axis acceleration sensor 170 which detects only a supine and a prone posture immediately lying in a posture after obtaining a rotation angle using the gravitational acceleration direction projected on each axis. The firmware of the MCU 160 extracts AC / DC components of a signal by applying a digital LPF for noise reduction and a QV algorithm for baseline detection in spO2 and pulse rate detection, and 3-axis acceleration for posture. It detects the rotation angle and the movement of the sensor 170, and transmits the SpO2, pulse rate, posture information to the smart phone 20 via the Bluetooth module 140.
본 발명의 실시예에 따른 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템은, 밴드 형태의 착용형 기기와 모니터링 어플리케이션을 통해 영유아 돌연사 방지를 위해 산소포화도 및 자세 모니터링을 실시간으로 제공할 수 있는 효과가 있다. Infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device according to an embodiment of the present invention, through the band-type wearable device and monitoring applications to provide real-time oxygen saturation and posture monitoring to prevent sudden death of infants It works.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템은, 밴드 형태의 착용형 기기를 영유아의 대퇴부(허벅지)에 착용함으로써, 산소포화도와 자세를 실시간 검출하고, 검출 정보를 블루투스를 통해 스마트폰으로 자동으로 무선 전송함으로써, 영유아에게 불편을 최소화하는 한편, 보호자는 간편하게 영유아 상태 정보를 확인할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, the infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device according to another embodiment of the present invention, by wearing a band-type wearable device on the thigh (thigh) of the infant, it detects the oxygen saturation and posture in real time In addition, by automatically transmitting wirelessly detected information to a smartphone via Bluetooth, it minimizes inconvenience for infants and provides the effect that the guardian can easily check the infant's status information.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템을 나타내는 개략도.1 is a schematic diagram showing an infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기에 대한 하드웨어를 나타내는 블록도.FIG. 2 is a block diagram illustrating hardware for the band-type wearable device of FIG. 1. FIG.
도 3은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 SpO2 센서의 구성을 나타내는 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of the SpO2 sensor of the band-type wearable device of FIG.
도 4는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 맥파 측정부 회로(통신 및 전원부 제외)를 나타내는 도면.4 is a diagram illustrating a pulse wave measuring circuit (except for a communication and a power supply) of the band-type wearable device of FIG. 1;
도 5는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 자세 측정부의 회로를 나타내는 도면. 5 is a diagram illustrating a circuit of a posture measuring unit in the band-type wearable device of FIG. 1.
도 6은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 MCU와 주변회로를 나타내는 회로도.FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an MCU and a peripheral circuit of the band-type wearable device of FIG. 1. FIG.
도 7은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 블루투스 모듈을 나타내는 블록도.FIG. 7 is a block diagram illustrating a Bluetooth module of the band-type wearable device of FIG. 1. FIG.
도 8은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 블루투스 모듈을 나타내는 회로도. FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a Bluetooth module of the wearable device in the band form of FIG. 1. FIG.
도 9는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 전원부에서의 충전회로를 나타내는 회로도.9 is a circuit diagram illustrating a charging circuit in a power supply unit of the band-type wearable device of FIG. 1.
도 10은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 MCU의 펌웨어에서 제공되는 SpO2 및 맥박수 연산처리 흐름도를 나타내는 도면. FIG. 10 is a diagram illustrating a SpO2 and pulse rate calculation process flow chart provided in firmware of an MCU of the band-type wearable device of FIG. 1. FIG.
도 11은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 MCU의 펌웨어에서 제공되는 계산된 SpO2 값과 맥박수 값이 유효한지를 판단하는 방법을 나타내는 흐름도.FIG. 11 is a flowchart illustrating a method of determining whether a calculated SpO2 value and a pulse rate value provided by firmware of an MCU among the band-type wearable devices of FIG. 1 are valid; FIG.
도 12는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 MCU의 펌웨어에서 제공되는 이중 가중치 QV 알고리즘 진행 과정을 설명하기 위한 도면.FIG. 12 is a diagram illustrating a process of performing a double weighted QV algorithm provided by firmware of an MCU among wearable devices having a band form of FIG. 1.
도 13은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 MCU의 펌웨어에서 제공되는 자세 계산 과정을 나타내는 흐름도.FIG. 13 is a flowchart illustrating a posture calculation process provided by firmware of an MCU of the band-type wearable device of FIG. 1. FIG.
도 14는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기 중 3축 가속도 센서가 회전한다고 가정하여 1g의 중력가속도가 구면좌표계에서 φ와 θ를 0~ 2π만큼 변화시킨 경우 직교좌표계의 X, Y, Z축에 투영되는 크기에 절대값을 취한 후 더한 결과(적분을 제외한 SMA, |X| + |Y| + |Z|)를 3D로 나타낸 도면.FIG. 14 illustrates the X, Y, and Z axes of the Cartesian coordinate system in the case where the 3-axis acceleration sensor rotates among the band-type wearable devices of FIG. 1 when the acceleration of gravity of 1 g changes φ and θ by 0 to 2π. A 3D representation of the magnitude (SMA, | X | + | Y | + | Z |, excluding integrals) of the magnitude projected to the absolute value plus the absolute value.
도 15는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기의 케이스를 나타내는 도면.15 is a view showing a case of the wearable device in the form of a band of FIG.
도 16은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기와 블루투스 통신을 통해 데이터를 획득하여 펌웨어의 연산 결과를 실시간으로 관찰하는 유저인터페이스 화면을 나타내는 도면.FIG. 16 is a diagram illustrating a user interface screen for acquiring data through Bluetooth communication with a band-type wearable device of FIG. 1 and observing a calculation result of firmware in real time. FIG.
도 17은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기의 통신 포맷을 설명하는 도표.FIG. 17 is a diagram illustrating a communication format of a wearable device in band form of FIG. 1. FIG.
도 18 내지 도 21은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기에 대한 부착이 용이하고 측정이 가능한 피부 부위를 판단하는 목적으로 한 측정 실험을 설명하기 위한 도면.18 to 21 are views for explaining a measurement experiment for the purpose of determining the skin portion that can be easily attached and measured to the band-type wearable device of FIG.
도 22는 도 1의 스마트폰상의 어플리케이션에 의해 구현된 유저인터페이스 화면을 나타내는 참조도면.FIG. 22 is a reference diagram showing a user interface screen implemented by an application on the smartphone of FIG. 1; FIG.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Hereinafter, the detailed description of the preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted when it is deemed that they may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.
본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 구성요소는 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.In the present specification, when one component 'transmits' data or a signal to another component, the component may directly transmit the data or signal to another component, and through at least one other component. This means that data or signals can be transmitted to other components.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템을 나타내는 개략도이다. 도 1을 참조하면, 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템은 밴드 형태의 착용형 기기(100) 및 스마트폰(200)을 포함한다. 1 is a schematic diagram showing a baby safety monitoring system using a smart phone-based wearable device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, an infant safety monitoring system using a smartphone-based wearable device includes a wearable device 100 and a smartphone 200 in a band form.
도 2는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 하드웨어를 나타내는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 밴드 형태의 착용형 기기(100)는 맥파 측정을 위해 IR/Red LED, photo diode 일체형의 SpO2 센서(110), SpO2 센서(110)의 LED를 구동하기 위한 정전류 LED 스위칭부(120), 센서 출력 전류를 전압으로 변경시켜주는 I/V 변환기(130), 블루투스 통신을 위한 블루투스 모듈(140), 전원부(150) 및 MCU(160)를 주요 구성요소로 구성된다. FIG. 2 is a block diagram illustrating hardware of the wearable device 100 in the band form of FIG. 1. Referring to FIG. 2, the band-type wearable device 100 includes an IR / Red LED, a photodiode integrated SpO2 sensor 110, and a constant current LED switching unit for driving LEDs of the SpO2 sensor 110 for pulse wave measurement. 120, the I / V converter 130 for converting the sensor output current into a voltage, the Bluetooth module 140 for Bluetooth communication, the power supply unit 150, and the MCU 160 are configured as main components.
또한, 밴드 형태의 착용형 기기(100)는 자세 측정을 위하여 3축 가속도 센서(170)를 사용하며, 사용자 인터페이스(180)는 전원 On/Off 스위치(181), 블루투스 통신의 연결상태와 배터리 충전 상태를 표시하는 LED(182, 183)로 구성되어 있다. 전원은 배터리(151)로 구동되며, micro USB 커넥터(152)를 통해 배터리 충전이 가능하도록 한다.In addition, the band-type wearable device 100 uses the 3-axis acceleration sensor 170 to measure the attitude, the user interface 180 is a power on / off switch 181, the connection state of the Bluetooth communication and battery charging It consists of LEDs 182 and 183 indicating a state. The power source is driven by the battery 151, and the battery can be charged through the micro USB connector 152.
한편, 본 발명에 따른 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 맥파 측정부에 대해서 설명하면, 맥파 측정부로 SpO2 센서(IR/Red LED, photo diode 일체형)(110)를 활용한다. 맥파 측정부의 센서는 발광(IR/Red LED) 소자와 수광(photo-diode) 센서가 반사형 측정을 위해 패키지화된 통합 센서를 사용한다.Meanwhile, the pulse wave measuring unit of the band-type wearable device 100 according to the present invention will be described. As the pulse wave measuring unit, an SpO2 sensor (IR / Red LED, photo diode integrated type) 110 is used. The pulse wave sensor uses an integrated sensor in which light-emitting (IR / Red LED) elements and photo-diode sensors are packaged for reflective measurements.
도 3은 SpO2 센서(110)로 파장 IR 905 nm, Red 660 nm를 사용한 것을 나타내는 도면이다. 즉 도 2와 같이, 정전류 LED 스위칭부(120)는 발광 소자에는 정전류 제어를 통해 약 20mA의 전류를 흘리며, 3단계(IR LED On → Red LED On → 모든 LED Off)를 한 주기로 하여 스위칭을 제어한다. 각 단계의 duty비는 1/3이고 스위칭 주파수는 약 300Hz이다. SpO2 센서(110)의 수광 센서는 입사되는 광량에 비례하여 전류 신호가 발생시킨다. SpO2 센서(110)의 전류 출력 신호는 전류-전압 변환기(I/V Converter)(130)를 통해 전압 신호로 변환된 후 MCU(160)의 16bit ADC(161)로 전달된다. ADC(161)는 50kSPS의 샘플링율로 구동된다. 3 is a diagram showing that the wavelengths IR 905 nm and Red 660 nm are used as the SpO2 sensor 110. That is, as shown in FIG. 2, the constant current LED switching unit 120 supplies about 20 mA of current through the constant current control to the light emitting device, and controls switching in three stages (IR LED On → Red LED On → All LED Off). do. The duty ratio of each stage is 1/3 and the switching frequency is about 300 Hz. The light receiving sensor of the SpO2 sensor 110 generates a current signal in proportion to the amount of incident light. The current output signal of the SpO2 sensor 110 is converted into a voltage signal through an I / V converter 130 and then transferred to the 16-bit ADC 161 of the MCU 160. The ADC 161 is driven at a sampling rate of 50 kSPS.
도 4는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 맥파 측정부 회로(통신 및 전원부 제외)(100a)를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, SpO2 센서(110)의 스위칭(120), 정전류 LED 스위칭부(120) 및 전류-전압 변환기(130)와 관련된 회로도이며, 회로 동작은, U1을 통해 스위칭을 수행하고 Q1을 통해 Red/IR LED의 전류가 정전류가 되도록 제어한다. 전류량은 MCU의 DAC(DAC_CH2 신호선)의 값을 통해 설정 가능하도록 설계하며, 약 20mA 정도의 전류가 흐르도록 설정한다. OP Amp(U3B)를 이용하여 I/V 변환을 수행한 후 출력을 MCU(160)의 16bit ADC(161)로 전달한다. I/V 변환의 증폭률은 75kV/I이다. 증폭도를 증가하기 위해 R5를 통해 옵셋이 감소하도록 설계한다.4 is a diagram illustrating a pulse wave measuring unit circuit (except the communication and power supply unit) 100a of the band-type wearable device 100 of FIG. 1. Referring to FIG. 4, a circuit diagram related to the switching 120, the constant current LED switching unit 120, and the current-voltage converter 130 of the SpO2 sensor 110 is performed. The circuit operation is performed through U1 and Q1 is performed. It controls the current of Red / IR LED to be constant current. The amount of current is designed to be set by the value of MCU's DAC (DAC_CH2 signal line), and it is set to flow about 20mA. After performing I / V conversion using OP Amp (U3B), the output is transferred to the 16-bit ADC 161 of the MCU 160. The amplification factor of the I / V conversion is 75 kV / I. It is designed to reduce the offset through R5 to increase the degree of amplification.
도 5는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 자세 측정부(100b)의 회로를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 자세 측정부(110b)에서 자세는 3축 가속도 센서(170)의 각 축에 투영된 중력가속도 방향을 이용하여 회전각을 얻은 후 계산하도록 한다. 자세는 바로 누운 자세(supine)와 엎드린 자세(prone)만을 검출한다. 3축 가속도 센서(170)는 1g당 256 level의 해상도로 표현한다. 통신 방식은 I2C를 사용한다. FIG. 5 is a diagram illustrating a circuit of the posture measuring unit 100b of the wearable device 100 in the band form of FIG. 1. Referring to FIG. 5, the posture in the posture measuring unit 110b is calculated after obtaining a rotation angle by using the gravity acceleration direction projected on each axis of the 3-axis acceleration sensor 170. Posture detects only supine and prone positions. The three-axis acceleration sensor 170 is expressed at a resolution of 256 levels per 1g. The communication method uses I2C.
도 6은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 MCU(160)와 주변회로를 나타내는 회로도이다. 도 6을 참조하면, MCU(160)는 소형화를 위해 16bit ADC(161)를 내장한다. MCU(160)는 통신 제어뿐만 아니라, 자세, SpO2, HR의 연산 기능을 수행한다. SpO2 값의 연산은 IR/Red 신호의 AC/DC값을 모두 검출하여야 하며, DC 성분이 AC 성분에 비해 매우 크고, IR 신호가 Red 신호보다 커야 가능하다. 16bit ADC(161)를 적용한 장치에서 Red 신호의 AC 성분은 사람에 따라 다르게 나타나지만, 손가락에서 측정시 약 200 레벨의 값을 가진다. 만약에 12bit 양자화율의 ADC를 적용한다면, 약 13 레벨 수준으로 분해능이 많이 감소하여 SpO2 연산에 문제를 야기할 것으로 판단하여 16bit ADC(161)를 채택한다. FIG. 6 is a circuit diagram illustrating the MCU 160 and the peripheral circuit of the band-type wearable device 100 of FIG. 1. Referring to FIG. 6, the MCU 160 includes a 16-bit ADC 161 for miniaturization. The MCU 160 performs not only communication control but also calculation functions of posture, SpO2, and HR. The calculation of SpO2 value should detect all AC / DC values of IR / Red signal, DC component is very large compared to AC component and IR signal is larger than Red signal. In the device using the 16-bit ADC 161, the AC component of the red signal appears differently depending on the person, but has a value of about 200 levels when measured by the finger. If a 12-bit quantization rate ADC is applied, the resolution is reduced to about 13 levels, which causes a problem in SpO2 operation. Therefore, the 16-bit ADC 161 is adopted.
도 7은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 블루투스 모듈(140)에 대한 모듈 블록도이며, 도 8은 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 블루투스 모듈(140)을 나타내는 회로도이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 블루투스 모듈(140)은 스마트폰(200)과 통신을 위해 채용하며, FW, RF 부, 안테나 등을 통합한 소형 모듈로서, 크기는 10㎜×17mm×2mm이다. 블루투스 모듈(140)은 MCU(160)와 UART 961200 bps로 통신하며, 블루투스 통신을 위한 V2.0 Stack을 내장하고 있다. FIG. 7 is a module block diagram of the Bluetooth module 140 of the wearable device 100 in the band form of FIG. 1, and FIG. 8 illustrates the Bluetooth module 140 of the wearable device 100 in the band form of FIG. 1. A circuit diagram is shown. 7 and 8, the Bluetooth module 140 is adopted for communication with the smartphone 200, and is a small module incorporating an FW, an RF unit, an antenna, etc., and has a size of 10 mm × 17 mm × 2 mm. . The Bluetooth module 140 communicates with the MCU 160 at UART 961200 bps and has a built-in V2.0 stack for Bluetooth communication.
도 9는 도 1의 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 전원부(150)에서의 충전회로(150a)를 나타내는 회로도이다. 도 9를 참조하면, 전원부(150)는 리튬폴리머 배터리를 충전하기 위한 충전부와 정전압 전원으로 구성된다. 전원부(150)에서 블루투스 모듈(140), MCU(160) 등을 구동하기 위한 정전압은 TCR2EF30을 이용하여 구현하며, 외부에서의 전원 공급은 사용의 편의성 및 소형화를 고려하여 micro USB 커넥터(152)를 채택한다. 전원부(150)의 충전 전류는 약 200mA로 설정하고, 배터리(151)는 430mAh의 용량으로 4시간 이상을 사용 가능하도록 설계한다. FIG. 9 is a circuit diagram illustrating the charging circuit 150a of the power supply unit 150 of the band-type wearable device 100 of FIG. 1. Referring to FIG. 9, the power supply unit 150 includes a charging unit and a constant voltage power supply for charging a lithium polymer battery. The constant voltage for driving the Bluetooth module 140, the MCU 160, etc. in the power supply unit 150 is implemented using the TCR2EF30, and the external power supply uses the micro USB connector 152 in consideration of ease of use and miniaturization. Adopt. The charging current of the power supply unit 150 is set to about 200 mA, and the battery 151 is designed to be used for 4 hours or more with a capacity of 430 mAh.
한편, 사용자 인터페이스(180)는 전원 On/Off 스위치(181)와 사용자에게 정보를 전달하기 위한 2개의 LED(182, 183)로 구성된다. 전원 On/Off 스위치(181) 1초 이상 누를 때 켜지며, 다시 1초 이상 누를 때 꺼지도록 동작한다. 2개의 LED(182, 183)는 배터리(151) 충전 시 충전 상태를 표시하는 충전 LED(183)와 블루투스 연결 상태를 표시하는 연결 LED(182)로 구성된다. 충전 LED(183)는 충전 중일 때 0.2초 켜짐과 1초 꺼짐을 반복하고, 충전 완료시 계속 켜지며, 충전 오류가 발생한 경우는 0.1초 켜짐과 0.1초 꺼짐을 반복한다. 연결 LED(182)는 연결 대기 상태에서는 0.2초 켜짐과 1초 꺼짐을 반복하며, 연결 중일 때는 계속 켜진다. Meanwhile, the user interface 180 includes a power on / off switch 181 and two LEDs 182 and 183 for transmitting information to the user. Power On / Off switch (181) is turned on when pressed for more than 1 second, and operates to turn off when pressed for more than 1 second. The two LEDs 182 and 183 include a charge LED 183 indicating a charging state when the battery 151 is charged and a connect LED 182 indicating a Bluetooth connection state. The charging LED 183 repeats 0.2 seconds on and 1 second off when charging, and continues to turn on when charging is completed, and 0.1 seconds on and 0.1 seconds off when a charging error occurs. The connection LED 182 repeats 0.2 seconds on and 1 second off in the connection standby state, and continues to be on when connected.
그리고 MCU(160)의 펌웨어에 대해서 살펴보면, MCU(160)의 펌웨어 프로그래밍과 디버깅은 JLink 에뮬레이터를 통해 SWO 통신 방식으로 수행하며, 소프트웨어는 IAR 사의 IAR Embedded Workbench for ARM V6.6을 통해 개발한다.In addition, referring to the firmware of the MCU 160, the firmware programming and debugging of the MCU 160 is performed by SWO communication through a JLink emulator, and the software is developed through IAR Embedded Workbench for ARM V6.6.
MCU(160)의 펌웨어에서는 기본적으로 SpO2와 맥박수 검출, 자세 검출, 통신 수행, 사용자 인터페이스 기능을 처리한다. MCU(160)의 펌웨어는 SpO2 및 맥박수 검출 과정에서 잡음 제거를 위해 디지털 LPF, baseline 검출을 위해 QV 알고리즘을 적용하여 신호의 AC/DC 성분을 추출한다. The firmware of the MCU 160 basically processes SpO2 and pulse rate detection, posture detection, communication, and user interface functions. The firmware of the MCU 160 extracts AC / DC components of a signal by applying a digital LPF and a QV algorithm for baseline detection to remove noise during SpO2 and pulse rate detection.
여기서, 맥박수는 윈도우 방식의 최대치 검출 방법을 이용하여 검출하며, 자세는 3축 가속도 센서(170)의 회전각과 움직임을 검출하여 추론한다. 블루투스 모듈(140)이 UART를 통해 제어되므로, PC와의 통신은 DMA를 통해 UART 포트를 제어하여 수행하도록 구현한다. Here, the pulse rate is detected by using the maximum detection method of the window method, the posture is inferred by detecting the rotation angle and the movement of the three-axis acceleration sensor 170. Since the Bluetooth module 140 is controlled through the UART, communication with the PC is implemented to control and perform the UART port through DMA.
한편, SpO2 연산 관계식은 하기의 [수학식 1]과 같이 정의된다. Red/IR LED가 켜진 경우의 신호 값에 대해 AC 성분과 DC 성분을 추출해야 한다. [수학식 1]에서 A와 B는 상수이며, TI의 Application Note에서 제시한 값, 즉 A는 110, B는 25를 적용한다. On the other hand, SpO2 calculation relations are defined as shown in Equation 1 below. The AC and DC components must be extracted for the signal value when the Red / IR LED is lit. In Equation 1, A and B are constants, and the values suggested in TI's Application Note, that is, A is 110 and B is 25 are applied.
수학식 1
Figure PCTKR2016001656-appb-M000001
Equation 1
Figure PCTKR2016001656-appb-M000001
도 10은 MCU(160)의 펌웨어에서 제공되는 SpO2 및 맥박수 연산처리 흐름도를 나타내는 도면이다. 도 10을 참조하면, SpO2 센서(100)에서 IR LED 켜짐/Red LED 켜짐/모든 LED 꺼짐의 순서로 LED를 스위칭 함으로써, 발생한 SpO2 센서의 출력 신호를 내장 ADC(161)를 통해 50kSPS의 샘플링율로 데이터를 획득한다(S11). 그리고 잡음을 제거하기 위하여 22 샘플 크기로 이동 평균(moving average)을 수행하고, 4.5kSPS로 down sampling을 한다(S12). 10 is a diagram illustrating a flowchart of SpO2 and pulse rate calculation processing provided by the firmware of the MCU 160. Referring to FIG. 10, the SpO2 sensor 100 switches the LEDs in the order of IR LED on / Red LED on / all LED off, thereby outputting the output signal of the generated SpO2 sensor at a sampling rate of 50kSPS through the built-in ADC 161. Acquire data (S11). In order to remove noise, a moving average is performed at a size of 22 samples, and down sampling is performed at 4.5kSPS (S12).
SpO2 센서(110)의 LED를 약 300 Hz로 스위칭하기 때문에, 스위칭 주기와 동기화하여 4.5kSPS의 데이터에서 IR LED가 켜진 경우, Red LED가 켜진 경우, 모든 LED가 꺼진 경우 등 3가지 상태에 대해 300SPS의 신호 파형을 추출한다(S13). 각 신호에 대해 LPF를 통과시켜 고주파 잡음을 추가로 제거한다(S14).Since the LEDs of the SpO2 sensor 110 are switched to about 300 Hz, 300SPS for three states: IR light is on, Red LED is on, all LEDs are off, in synchronization with the switching cycle. The signal waveform of is extracted (S13). LPF is passed through each signal to further remove high frequency noise (S14).
맥박수는 300SPS 데이터의 변화량 성분(AC 성분)을 추출한 후 최대치 검출(Peak Detection)을 수행하며, 각 최대치 간의 시간(샘플수)을 얻은 후 계산한다. 최대치 간의 시간을 △T, 맥박수를 HR이라 할 때, 맥박수는 아래 [수학식 2]와 같이 계산된다. 이때, 맥파 파형만을 관찰할 목적이라면 50SPS의 샘플링율도 적당하지만, 낮은 샘플링율이면 △T의 해상도 감소로 HR의 해상도가 감소하기 때문에 맥박수 연산에 300SPS의 샘플링율을 적용한다.The pulse rate is extracted after extracting the change amount component (AC component) of 300SPS data and performing peak detection, and calculating the time (sample number) between the maximum values. When the time between maximum values is ΔT and the pulse rate is HR, the pulse rate is calculated as shown in Equation 2 below. At this time, if only the pulse wave waveform is to be observed, a sampling rate of 50 SPS is also suitable. However, if the sampling rate is low, the resolution of HR decreases due to a decrease in the resolution of ΔT.
수학식 2
Figure PCTKR2016001656-appb-M000002
Equation 2
Figure PCTKR2016001656-appb-M000002
맥박수 연산을 위한 AC 성분은 300SPS의 신호에서 baseline 변화 성분을 제거함으로써 추출한다(16c). Baseline은 QV 알고리즘을 적용하여 검출한다. 300SPS, 5초 단위로 처리하는 QV 알고리즘은 정방행렬을 통해 구현되어지며, 결과값을 얻기 위해서는 많은 연산량을 요구하므로 본 발명에 적용한 MCU(160)의 처리 능력을 초과한다. QV 알고리즘을 적용하기 위해 300SPS의 데이터를 30SPS의 데이터로 down sampling 한 후(S15), QV 알고리즘을 통해 baseline을 검출하며, 다시 300SPS로 선형 보간을 수행한다(S16a). QV 알고리즘과 선형 보간을 통해 획득한 baseline(S16b)과 LPF를 통과한 신호 간에는 시간차가 발생하므로 시간 지연 circular Queue를 통해 시간 지연 성분을 보상한다(S16e). QV 알고리즘에 의한 baseline 결과는 계산 구간마다 불연속점이 발생하는 문제가 있으므로, 문제 해결을 위해 이중 가중치 QV(Weighted Dual QV) 알고리즘을 제안한다. The AC component for pulse rate calculation is extracted by removing the baseline change component from the 300SPS signal (16c). Baseline is detected by applying the QV algorithm. The QV algorithm, which processes 300SPS and 5 seconds, is implemented through a square matrix, and requires a large amount of computation to obtain a result value, thus exceeding the processing capability of the MCU 160 applied to the present invention. In order to apply the QV algorithm, after downsampling 300SPS data to 30SPS data (S15), baseline is detected through the QV algorithm, and linear interpolation is performed again at 300SPS (S16a). Since a time difference occurs between the baseline (S16b) obtained through the QV algorithm and the linear interpolation and the signal passed through the LPF, the time delay component is compensated for through the time delay circular queue (S16e). Since the baseline result by the QV algorithm has a problem that a discontinuity point occurs in each calculation section, a weighted dual QV algorithm is proposed to solve the problem.
한편, SpO2 값은 30SPS의 IR, Red 신호를 통해 연산된다. SpO2 값을 연산하는 [수학식 1]에서 QV 알고리즘을 적용한 baseline을 DC 성분으로, 신호 값에서 baseline 값을 뺀 값을 AC 성분으로 하여 연산한다(S17a, S17b). On the other hand, SpO2 value is calculated through IR and Red signals of 30SPS. In Equation 1, which calculates the SpO2 value, the baseline to which the QV algorithm is applied is calculated as the DC component, and the value obtained by subtracting the baseline value from the signal value is the AC component (S17a and S17b).
도 11은 MCU(160)의 펌웨어에서 제공되는 계산된 SpO2 값과 맥박수 값이 유효한지를 판단하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 11을 참조하면, SpO2는 SpO2 센서(110)와 측정 대상이 근접하여야 정상적으로 측정된다. SpO2 센서(110)와 측정 대상 사이에 거리가 먼 경우 SpO2와 맥박수를 계산하는 것이 무의미하기 때문에, 계산된 SpO2 값과 맥박수 값이 유효한지를 판단하는 방법을 제안한다. 전원이 켜진 직후에는 일정시간 QV 정방행렬이 안정 상태로 될 때까지 대기한 후 Sensor Off 상태로 전환된다. 11 is a flowchart illustrating a method of determining whether a calculated SpO2 value and a pulse rate value provided by the firmware of the MCU 160 are valid. Referring to FIG. 11, SpO2 is normally measured only when the SpO2 sensor 110 is close to the measurement target. If the distance between the SpO2 sensor 110 and the measurement object is far, it is meaningless to calculate SpO2 and the pulse rate. Therefore, a method of determining whether the calculated SpO2 value and the pulse rate value are valid is proposed. Immediately after the power is turned on, the sensor waits for a certain time until the QV square matrix becomes stable and then switches to the Sensor Off state.
IR의 DC 신호가 문턱치 이상일 경우에는 SpO2 센서(110)가 정상적으로 연결되었다고 판단하여 Sensor On 상태로 전환된다. 문턱치를 두 종류(Thres_IR1, Thres_IR2)로 두고 이력(hysteresis) 관리를 적용하여 약간의 DC값 변동에서도 빠른 상태변화가 발생하지 않도록 한다.When the DC signal of the IR is greater than or equal to the threshold, it is determined that the SpO2 sensor 110 is normally connected to the sensor On state. Two thresholds (Thres_IR1 and Thres_IR2) are used, and hysteresis is applied to prevent rapid state changes even with slight DC value changes.
Sensor On 상태에 진입한 후 7회 이상의 맥박수가 검출되면 정상적인 측정 상태(Normal)로 전환된다. 만약에 IR의 AC 값이 지나치게 작은 경우에도 측정이 정상적으로 이루어지지 않는다고 가정하여 Error_No Signal 상태로 전환된다. Normal 상태 이외의 상태에서는 SpO2 및 맥박수를 표시하지 않도록 한다. After entering the Sensor On state, if the pulse rate is detected more than 7 times, it returns to the normal measurement state (Normal). If the AC value of the IR is too small, it is assumed that the measurement is not performed normally and the state is changed to the Error_No Signal state. Do not display SpO2 or pulse rate in any condition other than normal.
도 12는 MCU(160)의 펌웨어에서 제공되는 이중 가중치 QV 알고리즘 진행 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 12를 참조하면, QV 알고리즘에서 구간의 끝부분에 불연속점이 나타나는 문제를 해결하기 위해 이중 가중치 QV 알고리즘을 제안한다. QV 알고리즘은 정방행렬 크기 간격으로 데이터 구간을 나누어 처리한다. 도 12에서는 150 샘플마다 구간을 나누어 처리하며, A 또는 B로 표시한 부분이 한 구간이다. 구간 B는 구간 A를 75 샘플만큼 지연하여 처리하는 구간이며, 각 구간의 크기는 150이다. Baseline 변동이 있는 신호 a를 A와 같이 구간을 나누고 QV 알고리즘을 적용한 결과를 b, B와 같이 구간을 나누어 처리한 결과를 c에 나타낸다. b, c에서 직선 부분은 중심선을 나타내며, 값은 0이다. 따라서 QV 알고리즘을 통해 신호 a에 포함된 baseline 변동 성분이 매우 잘 제거되어 AC 성분이 잘 나타남을 알 수 있다. 참고로 a신호의 세로 중심 근처를 통과하는 선은 a 신호에서 A, B 구간으로 나누어 QV 알고리즘 적용을 통해 b 또는 c 신호를 빼어서 계산한 baseline이다. 하지만 QV 알고리즘은 각 구간의 끝점에서 불연속점을 나타낼 가능성을 가지고 있다. 그림에서 A구간으로 나누어 계산된 끝 점 중 원기호 1(여기서 '원기호 1'은 '①'을 지칭함, 이하 동일) 세로선의 부분과 b 신호, B구간으로 나눈 끝점 중 원기호 2 세로선과 c 신호의 교차점을 살펴보면 불연속점이 나타남을 알 수 있다. 참고로 신호의 baseline 변동이 적은 구간에서는 불연속점이 잘 나타나지 않는다. 12 is a diagram for describing a procedure of performing a double weighted QV algorithm provided by the firmware of the MCU 160. Referring to FIG. 12, a double weighted QV algorithm is proposed to solve a problem in which a discontinuity point appears at the end of a section in the QV algorithm. The QV algorithm divides and processes data intervals by square matrix intervals. In FIG. 12, a section is processed for each 150 samples, and a portion indicated by A or B is one section. Section B is a section in which section A is processed by delaying 75 samples, and the size of each section is 150. The result of processing the signal a with the baseline variation as the A and dividing the interval as B and B as the result of applying the QV algorithm is shown in c. In b and c, the straight part represents the center line and the value is zero. Therefore, the QV algorithm shows that the baseline fluctuation component included in the signal a is removed very well, and thus the AC component is well represented. For reference, the line passing near the vertical center of the a signal is the baseline calculated by subtracting the b or c signal by applying the QV algorithm by dividing the A signal into the A and B sections. However, the QV algorithm has the potential to represent discontinuities at the end of each interval. Circle 1 of the end points calculated by dividing by section A in the figure (here '1' refers to '①', the same below). Looking at the intersections of the signals, we can see that there are discontinuities. For reference, discontinuities do not appear well in a section where signal baseline fluctuations are small.
이중 가중치 QV를 설명하면 다음과 같다. 1개의 구간을 1/2구간만큼 지연한 구간에서 각각 QV 출력을 계산한 다음, 각 구간마다 반복되는 0~1 크기의 삼각파를 가중치로 하여 QV 출력에 곱한다. 삼각파 가중치는 구간 끝점에 0을 곱하고 중심에 1을 곱하는 형태를 가지며 d, e에 가중치의 형상 및 QV 출력인 b, c 신호와 가중치를 곱한 결과를 나타낸다. 그리고 d, e의 결과를 서로 더한 결과를 f 행에 나타낸다. 가중치는 구간의 끝부분에서는 0이기 때문에 구간 끝에서 발생하는 불연속점의 영향을 제거되어진다. 가중치가 곱해진 d, e의 신호를 더한 신호를 f에 나타내었다. f를 살펴보면 구간의 불연속점에서의 신호값에 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 불연속점이 발생했던 원기호 1 및 세로선 원기호 2 부분과 f 신호의 교차점에서 불연속점이 나타나지 않음을 알 수 있다. The double weighted QV is described as follows. Calculate the QV output in each section where one section is delayed by one-half section, and then multiply the QV output with the weight of a triangular wave of 0 ~ 1 magnitude repeated in each section. The triangular wave weights have a form of multiplying the end point of the interval by 0 and multiplying the center by 1, and the result of multiplying d and e by the shape of the weight and the b and c signals, which are the QV outputs, and the weight. The results of adding the results of d and e to each other are shown in the f row. Since the weight is zero at the end of the interval, the effect of discontinuities at the end of the interval is eliminated. The signal which added the signal of d and e multiplied by the weight is shown to f. Looking at f, it can be seen that it is not affected by the signal value at the discontinuous point of the section. It can be seen that there is no discontinuity at the intersection of the circular arc 1 and the vertical arc 2 and the f signal where the discontinuity point occurred.
이중 가중치 QV로 처리하게 되면 불연속점이 존재할 때에 비해 미분을 수행하여도 갑작스런 값의 증가가 발생하지 않으므로 향후 미분 등을 통한 최대치 검출 등에 사용할 수 있다. When the double weighted QV is processed, a sudden increase of the value does not occur even when the derivative is performed, compared to when there is a discontinuity point, so it can be used for the detection of the maximum value through the derivative.
도 13은 MCU(160)의 펌웨어에서 제공되는 자세 계산 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 13을 참조하면, 자세는 3축 가속도 센서(170)를 이용하여 1초마다 4가지 상태(움직임, 다리올림/내림, 바로 누움, 뒤집어 누움)를 표현하도록 구현한다. 장치 부착부위는 허벅지 위쪽이며, 장치 부착시 3축 가속도 센서(170)의 Y축이 허벅지의 장축 방향을 지시하게 된다. 다리가 바닥에 수평하게 놓인 상태라면 Y축의 값은 0, X축의 값은 0, Z 축의 값은 1g가 된다. 따라서 다리를 바닥에 수평한 상태에서 장축 방향(중력의 직각 방향의 축)으로 회전을 하게 되면 X, Z축의 값에 따라 회전각을 알 수 있다. 다리를 바닥에 수평한 상태에서 약간 올리거나 내려도 회전각을 계산하는데 큰 문제는 없지만, 많이 올리게 되면 회전각의 계산에 문제가 발생하여 계산 불가능 상태로 진입하게 된다. 다리를 바닥에서 수평한 상태에서 높이거나 낮추게 되면 Y축의 값이 0에서 +로 증가 또는 -로 감소하게 되며, 문턱치를 두어 계산 불가능 상태로의 진입을 검출한다.13 is a flowchart illustrating a posture calculation process provided by the firmware of the MCU 160. Referring to FIG. 13, the posture is implemented to express four states (movement, leg up / down, straight down, upside down) every 1 second using the 3-axis acceleration sensor 170. The device attachment portion is above the thigh, and when the device is attached, the Y axis of the 3-axis acceleration sensor 170 indicates the long axis direction of the thigh. If the legs are placed horizontally on the floor, the Y-axis is 0, the X-axis is 0, and the Z-axis is 1g. Therefore, if the legs are rotated in the long axis direction (the axis perpendicular to the direction of gravity) while the legs are horizontal to the floor, the rotation angle can be known according to the values of the X and Z axes. There is no big problem in calculating the rotation angle even if the legs are raised or lowered horizontally on the floor. If the leg is raised or lowered horizontally on the floor, the value of the Y-axis increases from 0 to + or decreases to-, and the threshold is detected to detect the entry into the uncalculated state.
도 13의 흐름도를 참조하면, 1초마다 각 축의 최대, 최소, 평균값을 계산한 후 3축 가속도 센서(170)의 최대 가속도 변화량(최대값-최소값)을 계산한 후 최대 가속도 변화량이 문턱치(Thres_Move) 이상이라면 움직임 상태로 판단한다. 움직임이 없고 다리가 올려지지 않은 경우는 회전각을 통해 바로 누웠는지, 뒤집어 누웠는지를 판단한다. 블록도상에서는 180도를 기준으로 판단하나 실 코드에서는 현재 자세를 기준으로 10도의 이력(hysteresis)을 두어 0, 180도 근처에서 약간 움직이는 경우에도 자세의 표시가 안정적으로 나타나도록 한다. Referring to the flowchart of FIG. 13, after calculating the maximum, minimum, and average values of each axis every second, the maximum acceleration change amount (maximum value-minimum value) of the 3-axis acceleration sensor 170 is calculated, and then the maximum acceleration change amount is a threshold value (Thres_Move). ) Is determined to be in a moving state. If there is no movement and the leg is not raised, it is determined whether the person is lying directly or lying down through the rotation angle. On the block diagram, it is determined based on 180 degrees, but the actual code has a hysteresis of 10 degrees based on the current posture so that the display of the posture is stable even when moving slightly around 0 and 180 degrees.
참고로, 움직임 상태 감지를 위해 SMA를 선택하지 않은 이유는 SMA의 경우 움직임이 없어도 3축 가속도 센서(170)의 방향에 따라 SMA값이 대략 1.73배 차이가 났기 때문이다. 3축 가속도 센서(170)가 회전을 하게 되면 직교좌표계의 X, Y, Z 축 방향으로 투영되는 중력가속도 크기가 변화한다. For reference, the reason why the SMA is not selected for detecting the motion state is that the SMA value is approximately 1.73 times different depending on the direction of the three-axis acceleration sensor 170 even without the motion. When the three-axis acceleration sensor 170 rotates, the magnitude of the gravity acceleration projected in the X, Y, and Z axis directions of the Cartesian coordinate system changes.
도 14는 3축 가속도 센서(170)가 회전한다고 가정하여 1g의 중력가속도가 구면좌표계에서 φ와 θ를 0~ 2π만큼 변화시킨 경우 직교좌표계의 X, Y, Z축에 투영되는 크기에 절대값을 취한 후 더한 결과(적분을 제외한 SMA, |X| + |Y| + |Z|)를 3D로 나타낸 도면이다. 즉, 도 14는 구면좌표계에서 φ와 θ를 0~ 2π만큼 변화 시 SMA값의 변화를 나타낸다. 14 is an absolute value of the magnitude projected on the X, Y, and Z axes of the Cartesian coordinate system when the gravitational acceleration of 1 g changes φ and θ by 0 to 2π in the spherical coordinate system assuming that the 3-axis acceleration sensor 170 rotates. 3D shows the result (SMA, | X | + | Y | + | Z |, excluding the integral) after taking the? That is, FIG. 14 shows a change in the SMA value when φ and θ are changed by 0 to 2π in the spherical coordinate system.
여기서 최소값은 1이며 최대값은 약 1.73이다. 만일 움직임 감지를 위해 문턱치를 1.75로 설정한다면 최대값이 나타나는 방향에서의 움직임은 0.02만큼, 최소값이 나타나는 방향에서는 0.75만큼 움직여야 움직임을 감지할 수 있게 된다. 센서가 놓인 방향에 따라 움직임을 감지하는 민감도 차이가 많이 나서 SMA를 움직임 감지에 채택하지 않았다. The minimum value is 1 and the maximum value is about 1.73. If the threshold value is set to 1.75 for motion detection, the motion in the direction of maximum value should be moved by 0.02 and 0.75 in the direction of minimum value. Due to the large difference in sensitivity that detects motion depending on the direction in which the sensor is placed, SMA is not adopted for motion detection.
도 15는 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 케이스(1)를 나타내는 도면이다. 도 15를 참조하면, 케이스(1)는 PCB와 배터리를 포함하며, 대퇴부에 고정이 용이하도록 구성한다. 대퇴부에 밴드를 통해 허벅지에 장착하도록 설계된다. SpO2 센서(110)는 피부 부위에 접촉되도록 한다. 크기는 54㎜×67㎜×14㎜이다. 15 is a view showing a case 1 of the wearable device 100 in the form of a band. Referring to FIG. 15, the case 1 includes a PCB and a battery, and is configured to be easily fixed to the thigh. It is designed to be attached to the thigh through the band at the thigh. The SpO2 sensor 110 is in contact with the skin area. The size is 54 mm x 67 mm x 14 mm.
한편, 알고리즘에 관한 모든 연산은 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 펌웨어 내부에서 수행된다. 하지만 펌웨어 개발시 내부 연산 결과의 실시간 관찰이 힘들기 때문에, 밴드 형태의 착용형 기기(100)와 PC간 통신을 확인하고 측정 신호의 관찰을 용이하도록 하기 위해 PC SW를 개발한다. 개발 도구는 Visual C++을 사용한다. 소프트웨어 화면은 도 16과 같으며, 밴드 형태의 착용형 기기(100)와 블루투스 통신을 통해 데이터를 획득하여 펌웨어의 연산 결과를 실시간으로 관찰하도록 한다. On the other hand, all operations related to the algorithm are performed in the firmware of the wearable device 100 in the form of a band. However, since the real-time observation of the internal calculation results during the firmware development is difficult, the PC SW is developed to check the communication between the band-type wearable device 100 and the PC and to easily observe the measurement signal. The development tool uses Visual C ++. The software screen is shown in FIG. 16, and acquires data through Bluetooth communication with the band-type wearable device 100 to observe the calculation result of the firmware in real time.
도 16의 원기호 1은 스마트폰(200)에 표시될 SpO2 측정 상태, SpO2 측정값 및 심박수, 자세 정보를 표시한다. 측정 상태는 “도 11의 맥박수/SpO2 계산 가능 상태 전환 상태도”의 5가지 상태를 표시하며 SpO2 측정값, 심박수는 정수로 표시한다. 자세의 경우 “도 13의 자세 계산 블록도 ”의 4가지 상태를 표시한다. 16 indicates an SpO2 measurement state, a SpO2 measurement value and a heart rate, and posture information to be displayed on the smartphone 200. The measurement state represents five states of "Pulse Rate / SpO2 Computable State Transition State Diagram of FIG. 11", and the SpO2 measurement value and heart rate are expressed as an integer. In the case of posture, four states of “posture calculation block diagram of FIG. 13” are displayed.
300SPS의 IR/Red 신호값을 4500 SPS의 ADC 데이터에서 신호를 추출하는 과정을 도 16의 원기호 10, 11에 나타내었다. 도 16의 원기호 10은 이동 평균되어진 4500SPS의 ADC 데이터를 나타내며 도 16의 원기호 11은 도 16의 원기호 10에서 300 SPS의 IR, Red, 모든 LED가 꺼진 상태에서의 신호를 추출하는 위치를 표시한다. 낮은 삼각형이 IR, 중간 높이 삼각형이 Red, 높은 삼각형이 모두 꺼진 신호를 추출하는 위치이다.The process of extracting the signal from the ADC data of 4500 SPS with the IR / Red signal value of 300 SPS is shown in reference numerals 10 and 11 of FIG. 16. 16 indicates ADC data of 4500 SPS which has been averaged by moving average, and reference numeral 11 of FIG. 16 indicates a position at which IR, Red, and all LEDs of 300 SPS are extracted from the reference numeral 10 of FIG. Display. This is where the low triangle extracts the IR signal, the middle height triangle is red, and the high triangle is off.
얻어진 300 SPS의 IR/Red SPS 신호는 도 16의 원기호 2, 4에 나타내며, LPF한 신호를 도 16의 원기호 3, 5에 나타내었다. LPF한 신호를 30 SPS로 down sampling 한 후 이중 가중치 QV 알고리즘을 적용한 결과를 도 16의 원기호 6, 7에서 관찰할 수 있다. 알고리즘을 통해 계산된 SpO2 측정 상태는 도 16의 원기호 8, SpO2 측정값은 도 16의 원기호 15, 자세에 대한 정보는 도 16의 원기호 17에 표시된다. 자세 계산 시 사용되는 회전각에 대한 정보는 도 16의 원기호 16에 나타내었다. 계산되어진 심박수는 도 16의 원기호 9에서 관찰 가능하다.The obtained 300 SPS IR / Red SPS signals are shown in circles 2 and 4 of FIG. 16, and the LPF signals are shown in circles 3 and 5 of FIG. 16. After down sampling the LPF signal to 30 SPS, the result of applying the double weighted QV algorithm can be observed in symbols 6 and 7 of FIG. 16. SpO2 measurement state calculated by the algorithm is shown in circle 8 of FIG. 16, SpO2 measurement value is circle 15 of FIG. 16, and information on posture is circle 17 of FIG. 16. Information on the rotation angle used in the posture calculation is shown in circle 16 of FIG. The calculated heart rate can be observed in symbol 9 of FIG. 16.
자세 계산 시 입력으로 사용되는 3축 가속도 센서(170)의 X, Y, Z 축에 대한 출력값은 도 16의 원기호 12, 13, 14에 나타내어 움직임이 발생하거나 회전이 된 경우의 3축 가속도 센서(170) 출력의 변화를 관찰하기 용이하도록 한다. The output values for the X, Y, and Z axes of the 3-axis acceleration sensor 170 used as an input when calculating the attitude are shown in the symbols 12, 13, and 14 of FIG. 16, and the 3-axis acceleration sensor when the movement occurs or rotates. (170) Make it easy to observe the change in output.
도 17은 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 통신 포맷을 설명하는 도표를 나타낸다. 도 17을 참조하면, 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 블루투스 모듈(140)과 PC 또는 스마트폰(200)으로 통신하는 패킷을 정리하고 있다. 샘플링율 열은 도 10에서 설명된 샘플링율이다. PC SW 열은 “도 16의 PC SW 화면”에서 표시된 번호를 나타내며, PC SW에서 그래프 또는 에디트 창에 나타낼 정보를 의미한다. 데이터 통신은 패킷 단위로 전송되며, 패킷은 초당 30회 전송된다. 예를 들어, 표의 IR300[10]의 경우 10샘플이 초당 30회 전송되므로 300 샘플이 1초에 전송된다.17 shows a diagram illustrating a communication format of the wearable device 100 in the form of a band. Referring to FIG. 17, packets communicating with the Bluetooth module 140 of the band-type wearable device 100 and the PC or the smartphone 200 are arranged. The sampling rate column is the sampling rate described in FIG. The PC SW column indicates the number displayed on the “PC SW screen of FIG. 16” and means information to be displayed on the graph or edit window in the PC SW. Data communication is transmitted in packet units, and packets are transmitted 30 times per second. For example, in the table IR300 [10], 10 samples are sent 30 times per second, so 300 samples are sent in 1 second.
한편, 밴드 형태의 착용형 기기(100)에 대한 부착이 용이하고 측정이 가능한 피부 부위를 판단하는 목적으로 측정 실험을 수행하였다. 측정은 피검자 확보가 용이하지 않아서 만 2세 소아 1인에게서만 수행하였다. 노트북의 해상도로 인해 화면의 일부만을 획득하였다. 측정 자료 중 이중 가중치 QV 그래프에서 IR/Red 신호의 파형이 나타나고, SpO2 값이 안정적으로 나타나는 몇 가지를 도 18 내지 도 21에서 나타내고 있다. 즉, 도 18은 발뒤꿈치에서 측정, 도 19는 종아리 안쪽에서 측정, 도 20은 허벅지 위쪽에서 측정을 나타내고 있다. On the other hand, the measurement experiment was carried out for the purpose of determining the skin portion that can be easily attached to the band-type wearable device 100 and can be measured. The measurement was performed only in one 2 year old child because it was not easy to secure the subject. Due to the resolution of the laptop, only part of the screen was acquired. 18-21 show some waveforms of the IR / Red signal in the double-weighted QV graph and the stable SpO2 values. That is, FIG. 18 shows the measurement at the heel, FIG. 19 shows the measurement inside the calf, and FIG. 20 shows the measurement above the thigh.
이러한 실험 결과, 자세 검출을 고려하지 않는다면 발뒤꿈치가 가장 적절하다고 판단되며, 자세 검출을 고려한다면 자세를 판단하는 기준인 몸의 회전과 관련성이 높은 허벅지 전면부에서 측정을 하는 것이 적합하다고 판단된다. As a result of these experiments, it is judged that the heel is the most appropriate if the posture detection is not considered. If the posture detection is considered, it is appropriate to measure at the front of the thigh which is highly related to the rotation of the body, which is a criterion for determining the posture.
그리고 도 21 및 도 22는 스마트폰(200)의 어플리케이션에 의해 구현된 유저인터페이스 화면을 나타내는 참조도면이다. 21 and 22 are reference diagrams illustrating a user interface screen implemented by an application of the smartphone 200.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.The invention can also be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium. Computer-readable recording media include all kinds of recording devices that store data that can be read by a computer system.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disks, optical data storage devices, and the like, which are also implemented in the form of carrier waves (eg, transmission over the Internet). It also includes.
또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion. And functional programs, codes and code segments for implementing the present invention can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention belongs.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.As described above, the present specification and drawings have been described with respect to preferred embodiments of the present invention, although specific terms are used, it is only used in a general sense to easily explain the technical contents of the present invention and to help the understanding of the present invention. It is not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be carried out in addition to the embodiments disclosed herein.
본 발명의 실시예에 따른 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템은 밴드 형태의 착용형 기기(100) 및 스마트폰(200)을 포함하는데, 밴드 형태의 착용형 기기(100)는 맥파 측정을 위해 IR/Red LED, photo diode 일체형의 SpO2 센서(110), SpO2 센서(110)의 LED를 구동하기 위한 정전류 LED 스위칭부(120), 센서 출력 전류를 전압으로 변경시켜주는 I/V 변환기(130), 블루투스 통신을 위한 블루투스 모듈(140), 전원부(150) 및 MCU(160)를 주요 구성요소로 구성된다. 또한, 밴드 형태의 착용형 기기(100)는 자세 측정을 위하여 3축 가속도 센서(170)를 사용하며, 사용자 인터페이스(180)는 전원 On/Off 스위치(181), 블루투스 통신의 연결상태와 배터리 충전 상태를 표시하는 LED(182, 183)로 구성되어 있다. 전원은 배터리(151)로 구동되며, micro USB 커넥터(152)를 통해 배터리 충전이 가능하도록 한다.Infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device according to an embodiment of the present invention includes a band-type wearable device 100 and the smartphone 200, the band-type wearable device 100 IR / Red LED, SpO2 sensor 110 integrated with photo diode, constant current LED switching unit 120 for driving LED of SpO2 sensor 110 for pulse wave measurement, and I / V for changing sensor output current to voltage The converter 130, the Bluetooth module 140 for Bluetooth communication, the power supply unit 150, and the MCU 160 are configured as main components. In addition, the band-type wearable device 100 uses the 3-axis acceleration sensor 170 to measure the attitude, the user interface 180 is a power on / off switch 181, the connection state of the Bluetooth communication and battery charging It consists of LEDs 182 and 183 indicating a state. The power source is driven by the battery 151, and the battery can be charged through the micro USB connector 152.
이때, MCU(160)의 펌웨어는, SpO2 연산을 위해, Red/IR LED가 켜진 경우의 신호 값에 대해 AC 성분과 DC 성분을 추출해야 한 뒤,
Figure PCTKR2016001656-appb-I000001
에 의하여 계산하여, 계산시 A는 110, B는 25를 적용하는 것이 바람직하다.
At this time, the firmware of the MCU 160, for SpO2 operation, after extracting the AC component and DC component for the signal value when the Red / IR LED is turned on,
Figure PCTKR2016001656-appb-I000001
It is preferable to apply A to 110 and B to 25 in the calculation.
또한, SpO2 센서(110)는, 파장 IR 905 nm, Red 660 nm를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the SpO2 sensor 110 uses wavelength IR905 nm and red 660 nm.
또한, 정전류 LED 스위칭부(120)는, 발광(IR/Red LED) 소자에는 정전류 제어를 통해 약 20mA의 전류를 흘리며, 3단계(IR LED On → Red LED On → 모든 LED Off)를 한 주기로 하여 스위칭을 수행하며, 각 단계의 duty비는 1/3로 스위칭 주파수는 300Hz로 제어하는 것이 바람직하다.In addition, the constant current LED switching unit 120 supplies about 20 mA of current to the light emitting (IR / Red LED) device through constant current control, and performs three steps (IR LED On → Red LED On → All LED Off) in one cycle. Switching is performed, and the duty ratio of each step is preferably controlled to 1/3 and the switching frequency to 300 Hz.
또한, SpO2 센서(110)의 수광(photo-diode) 센서는, 입사되는 광량에 비례하여 전류 신호를 발생시키며, SpO2 센서(110)의 전류 출력 신호는 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 전류-전압 변환기(I/V Converter)(130)를 통해 전압 신호로 변환된 후 MCU(160)의 16bit ADC(161)로 전달되도록 하며, ADC(161)는, 50kSPS의 샘플링율로 구동되는 것이 바람직하다. In addition, the photo-diode sensor of the SpO2 sensor 110 generates a current signal in proportion to the amount of incident light, and the current output signal of the SpO2 sensor 110 is a current of the band-type wearable device 100. It is converted into a voltage signal through the voltage converter (I / V converter) 130 and then transferred to the 16-bit ADC 161 of the MCU 160, the ADC 161 is preferably driven at a sampling rate of 50kSPS Do.
본 발명의 실시예에 따른 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템은, 스마트폰의 모니터링 어플리케이션을 활용하여 착용형 기기로부터 수신한 산소포화도와 자세를 실시간으로 표출하고, 위급상황 판단시 알람을 제공함으로써, 보호자가 영유아를 놔두고 잠시 일을 보는 경우에도 편리하게 활용할 수 있게 된다. Infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device according to an embodiment of the present invention, by using the monitoring application of the smart phone display the oxygen saturation and posture received from the wearable device in real time, when judging emergency By providing an alarm, the guardian can conveniently use it even if he or she leaves the baby for a while.

Claims (5)

  1. 밴드 형태의 착용형 기기(100) 및 스마트폰(200)을 포함하는 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템에 있어서, In the infant safety monitoring system using a smartphone-based wearable device, including a band-type wearable device 100 and a smartphone 200,
    맥파 측정을 위한 IR/Red LED, photo diode 일체형으로 발광(IR/Red LED) 소자와 수광(photo-diode) 센서가 반사형 측정을 위해 패키지화된 SpO2 센서(110); SpO2 센서(110)의 LED를 구동하기 위한 정전류 LED 스위칭부(120); 스마트폰(200)과 블루투스 통신을 위한 블루투스 모듈(140); 및 SpO2 센서(110)에 의한 측정신호로부터 SpO2와 맥박수 검출, 자세 검출, 통신 수행을 처리하는MCU(160); 및 각 축에 투영된 중력가속도 방향을 이용하여 회전각을 얻은 후 자세로 바로 누운 자세(supine)와 엎드린 자세(prone)만을 검출하는 3축 가속도 센서(170); 를 포함하며, An IR / Red LED for pulse wave measurement, a SpO2 sensor 110 in which a light-emitting (IR / Red LED) element and a photo-diode sensor are integrally packaged for reflection measurement; A constant current LED switching unit 120 for driving the LED of the SpO2 sensor 110; Bluetooth module 140 for Bluetooth communication with the smart phone 200; And a MCU 160 which processes SpO2 and pulse rate detection, posture detection, and communication performance from the measurement signal by the SpO2 sensor 110. And a three-axis acceleration sensor 170 which detects only a supine and a prone posture immediately lying in a posture after obtaining a rotation angle using the gravitational acceleration direction projected on each axis. Including;
    MCU(160)의 펌웨어는, SpO2 및 맥박수 검출 과정에서 잡음 제거를 위해 디지털 LPF, baseline 검출을 위해 QV 알고리즘을 적용하여 신호의 AC/DC 성분을 추출하며, 자세에 대해서는 3축 가속도 센서(170)의 회전각과 움직임을 검출하며, 블루투스 모듈(140)을 통해 스마트폰(20)으로 SpO2, 맥박수, 자세 정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템.The firmware of the MCU 160 extracts AC / DC components of a signal by applying a digital LPF and a QV algorithm for baseline detection to remove noise during SpO2 and pulse rate detection, and a 3-axis acceleration sensor 170 for posture. Infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device, characterized in that for detecting the rotation angle and movement, and transmits the SpO2, pulse rate, posture information to the smart phone 20 through the Bluetooth module 140.
  2. 청구항 1에 있어서, MCU(160)의 펌웨어는, SpO2 연산을 위해,The method of claim 1, wherein the firmware of the MCU 160, for SpO2 operation,
    Red/IR LED가 켜진 경우의 신호 값에 대해 AC 성분과 DC 성분을 추출해야 한 뒤, After extracting the AC and DC components for the signal values when the Red / IR LED is on,
    Figure PCTKR2016001656-appb-I000002
    에 의하여 계산하여, A는 110, B는 25를 적용하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템.
    Figure PCTKR2016001656-appb-I000002
    Calculated by, A is 110, B is a baby safety monitoring system using a wearable device based on a smartphone, characterized in that 25 applied.
  3. 청구항 1에 있어서, SpO2 센서(110)는, The method according to claim 1, SpO2 sensor 110,
    파장 IR 905 nm, Red 660 nm를 사용하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템.Infant safety monitoring system using a smartphone-based wearable device, characterized in that the use of wavelengths IR 905 nm, Red 660 nm.
  4. 청구항 1에 있어서, 정전류 LED 스위칭부(120)는,The method according to claim 1, the constant current LED switching unit 120,
    발광(IR/Red LED) 소자에는 정전류 제어를 통해 약 20mA의 전류를 흘리며, 3단계(IR LED On → Red LED On → 모든 LED Off)를 한 주기로 하여 스위칭을 수행하며, 각 단계의 duty비는 1/3로 스위칭 주파수는 300Hz로 제어하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템.The light emitting (IR / Red LED) device flows about 20mA of current through constant current control, and switching is performed in three stages (IR LED On → Red LED On → All LED Off) in one cycle. Infant safety monitoring system using a smartphone-based wearable device, characterized in that the switching frequency is controlled to 300Hz.
  5. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4,
    SpO2 센서(110)의 수광(photo-diode) 센서는, 입사되는 광량에 비례하여 전류 신호를 발생시키며, SpO2 센서(110)의 전류 출력 신호는 밴드 형태의 착용형 기기(100)의 전류-전압 변환기(I/V Converter)(130)를 통해 전압 신호로 변환된 후 MCU(160)의 16bit ADC(161)로 전달되도록 하며,The photo-diode sensor of the SpO2 sensor 110 generates a current signal in proportion to the amount of incident light, and the current output signal of the SpO2 sensor 110 is a current-voltage of the band-type wearable device 100. After converting into a voltage signal through the converter (I / V Converter 130) to be transmitted to the 16-bit ADC (161) of the MCU (160),
    ADC(161)는, 50kSPS의 샘플링율로 구동되는 것을 특징으로 하는 스마트폰 기반의 착용형 기기를 이용한 영유아 안전 모니터링 시스템.ADC (161), the infant safety monitoring system using a smart phone-based wearable device, characterized in that driven at a sampling rate of 50kSPS.
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