【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种心肺功能诊断评测设备，具体涉及一种用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座。
技术介绍
1、目前，以缺血性心脏病、慢性阻塞性肺疾病等为代表的心肺功能减退相关疾病的发病率、死亡率位居全球前列。然而，心肺功能监测主要依赖临床诊疗，且心、肺临床各自为政，以单一检查、侧重于单一器官评估为主。以主动健康理念与整体整合医学生理学理论为指导，研发用于心肺功能整体评测的相关设备，对于心肺功能减退相关疾病的早期预警及延缓其发生、发展尤为重要。
2、随着可穿戴技术和物联网技术的进步，市面上已有多种用于监测心脏功能或肺部功能的可穿戴设备，如智能手环、心率带、无创血糖检测仪等，这些设备在某些生理参数的测量精度上已达到专业医疗器械水准，这为心肺功能在生活空间中的便携监测提供了可能性。但这些设备功能单一，较少融合气体、电生理、血氧、血脂、血管参数等多种生理参数，无法覆盖多场景(运动、静息、睡眠)评测需求。为利用现有设备对心肺功能进行整体评测，需要收集和融合已有设备产生的数据。然而，各感知终端通信方式不同、通信协议不同，感知终端的多样性和异构性为数据收集和融合带来了困难。另一方面，多源数据的数据量巨大，数据的存储、分析、融合与评测必将耗费更多的时间，这为心肺功能的实时评测带来了一定的挑战。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，可以通过多接口数据接收模块连接现有多种心肺功能感知终端，接收多源心肺感知数据并通过数据预处理模
2、为实现上述技术方案，本专利技术提供了一种用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，包括：多接口数据接收模块，提供多种有线和无线接口，用于接收心肺感知终端数据以及环境传感数据；数据预处理模块，用于对接收到的数据进行设备协议解析、滤波、特征提取的预处理操作；边缘计算推理模块，用于部署心肺功能评测人工智能模型并基于预处理数据进行实时推理评测；数据存储与管理云服务模块，用于将所采集数据以及评测结果存储于云端时序数据库，并提供数据管理与可视化ui界面；人机交互模块，用于显示用户信息输入以及心肺功能评测结果。
3、优选的，所述多接口数据接收模块包括多种有线接口模块和无线接口模块，所述有线接口模块，包括但不限于adc、uart、usb、spi、iic、csi接口；所述无线接口模块，包括但不限于ble、zigbee和wifi接口，其中ble接口功能基于乐鑫esp32-c3实现，zigbee接口功能基于ti cc2530实现，wifi功能基于intel ax210实现。
4、优选的，所述无线接口模块保存了所需要连接的心肺感知终端的mac地址列表，一旦所扫描到的设备mac地址存在于该列表中，便主动发起连接。
5、优选的，所述ble接口模块运行于一主多从模式，且单路ble接口模块存在设备连接上限，系统通过实现多路ble接口模块接入功能以增加可连接ble设备数量，具体步骤为：初始时，第一路ble接口模块进行扫描和连接，当连接个数达到连接上限时，通知数字底座启用下一路ble接口模块进行扫描。所述连接上限，依据所使用ble协议栈不同，在8至20个之间。
6、优选的，所述ble接口模块和zigbee接口模块同时接收多个感知终端设备数据，为区分数据来源，对所接收数据进行二次封装再通过同一接口转发至数据预处理模块，其中封装格式为：2字节长度的帧头，为0xaa、0xaa，1字节长度的数据来源标识，1字节长度的数据编号，1字节长度的所接收数据大小标识，n字节长度所接收原始数据，n为所接受数据大小。
7、优选的，所述数据预处理模块基于瑞芯微rk3588嵌入式linux平台实现，能对接收数据进行协议解析、滤波、特征提取；其中协议解析的过程是根据各感知终端数据协议从原始数据中提取出目标数据；对于无线接口传来的二次封包数据，先解包获得数据来源以及原始数据，再根据数据来源采用对应设备协议提取目标数据，模块预留协议设置接口，当添加新类型设备时，在配置文件中填写设备类型标识号、目标数据在数据包中的位置、目标数据长度以及字节序等信息；所述滤波的过程是滤除时序数据的高频噪声、工频干扰、基线漂移、运动伪影等干扰，模块预留滤波算法相关参数的设置接口；所述特征提取的过程是从数据中提出与心肺功能相关的生理特征数据，包括心率、心率变异性、血压、血氧、摄氧量、二氧化碳排出量。
8、优选的，所述边缘计算推理模块基于瑞芯微rk3588嵌入式linux平台实现，平台内置卷积处理单元，通过使用rknn toolkit2将所需部署算法的原始模型转换为rknn模型并部署至平台上，加快算法推理速度；算法模型使用1dcnn-lstm模型架构进行设计，模型输入为预处理模块得到的信号特征，包括心率、心率变异性、血压、血氧、摄氧量、二氧化碳排出量，数据长度为30秒，每类数据分别经过1dcnn和lstm，然后将lstm的输出进行拼接后再输入到全连接层得到心肺功能的评测结果，包括心肺功能正常、心肺功能减退、心肺功能异常三种。
9、优选的，所述数据存储与管理云服务模块通过wifi、以太网或者4g/5g移动通信方式，使用influxdb-client-python包提供的api接口将部分重要数据以及评测结果存储到云服务器上的influx db时序数据库，同时，提供时序数据库后台界面，以便专业人员查询和调取数据。
10、优选的，所述人机交互模块通过hdmi接口连接显示器进行显示，界面基于pyqt5实现，用于输入用户信息、显示心肺感知终端连接状态、显示心肺功能参数以及评测结果，同时，提供无线web ui显示界面以提高设备便携性和易用性，当使用者的手机或电脑与数字底座处于同一局域网时，可访问指定端口地址进入web ui，web ui界面功能与有线显示界面功能相同。
11、优选的，本用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座包括数据采集模式和正常工作模式共两种模式，当进入数据采集模式时，对所接收原始数据经初步解析后直接进行存储，此时数据预处理模块仅实现协议解析功能，边缘计算推理模块则处于失能状态；当进入正常工作模式时，数据经过采集、预处理并经过边缘计算推理模块得出心肺功能评测结果后，对预处理数据和评测结果进行存储。
12、本专利技术提供的一种用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座的有益效果在于：
13、(1)本用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座通过多接口数据接收模块连接现有多种心肺功能感知终端，接收多源心肺感知数据并通过数据预处理模块进行协议解析、滤波、特征提取，然后经过边缘计算推理模块部署的基于多源信息融合的心肺功能评测算法对心肺功能进行实时评测。同时，实现了数据存储功能，以便专业人员使用数据进行研究。
14、(2)本用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座实现的多接本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于包括：
2.如权利要求1所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述多接口数据接收模块包括多种有线接口模块和无线接口模块，所述有线接口模块，包括但不限于ADC、UART、USB、SPI、IIC、CSI接口；所述无线接口模块，包括但不限于BLE、ZigBee和WiFi接口，其中BLE接口功能基于乐鑫ESP32-C3实现，ZigBee接口功能基于TI CC2530实现，WiFi功能基于IntelAX210实现。
3.如权利要求2所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述无线接口模块保存了所需要连接的心肺感知终端的mac地址列表，一旦所扫描到的设备mac地址存在于该列表中，便主动发起连接。
4.如权利要求2所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述BLE接口模块运行于一主多从模式，且单路BLE接口模块存在设备连接上限，系统通过实现多路BLE接口模块接入功能以增加可连接BLE设备数量，具体步骤为：初始时，第一路BLE接口模块进行扫
5.如权利要求2所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述BLE接口模块和ZigBee接口模块同时接收多个感知终端设备数据，为区分数据来源，对所接收数据进行二次封装再通过同一接口转发至数据预处理模块，其中封装格式为：2字节长度的帧头，为0xAA、0xAA，1字节长度的数据来源标识，1字节长度的数据编号，1字节长度的所接收数据大小标识，N字节长度所接收原始数据，N为所接受数据大小。
6.如权利要求1所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述数据预处理模块基于瑞芯微RK3588嵌入式Linux平台实现，能对接收数据进行协议解析、滤波、特征提取；其中协议解析的过程是根据各感知终端数据协议从原始数据中提取出目标数据；对于无线接口传来的二次封包数据，先解包获得数据来源以及原始数据，再根据数据来源采用对应设备协议提取目标数据，模块预留协议设置接口，当添加新类型设备时，在配置文件中填写设备类型标识号、目标数据在数据包中的位置、目标数据长度以及字节序等信息；所述滤波的过程是滤除时序数据的高频噪声、工频干扰、基线漂移、运动伪影等干扰，模块预留滤波算法相关参数的设置接口；所述特征提取的过程是从数据中提出与心肺功能相关的生理特征数据，包括心率、心率变异性、血压、血氧、摄氧量、二氧化碳排出量。
7.如权利要求1所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述边缘计算推理模块基于瑞芯微RK3588嵌入式Linux平台实现，平台内置卷积处理单元，通过使用RKNN Toolkit2将所需部署算法的原始模型转换为RKNN模型并部署至平台上，加快算法推理速度；算法模型使用1DCNN-LSTM模型架构进行设计，模型输入为预处理模块得到的信号特征，包括心率、心率变异性、血压、血氧、摄氧量、二氧化碳排出量，数据长度为30秒，每类数据分别经过1DCNN和LSTM，然后将LSTM的输出进行拼接后再输入到全连接层得到心肺功能的评测结果，包括心肺功能正常、心肺功能减退、心肺功能异常三种。
8.如权利要求1所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述数据存储与管理云服务模块通过WiFi、以太网或者4G/5G移动通信方式，使用influxdb-client-python包提供的API接口将部分重要数据以及评测结果存储到云服务器上的Influx DB时序数据库，同时，提供时序数据库后台界面，以便专业人员查询和调取数据。
9.如权利要求1所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述人机交互模块通过HDMI接口连接显示器进行显示，界面基于PyQt5实现，用于输入用户信息、显示心肺感知终端连接状态、显示心肺功能参数以及评测结果，同时，提供无线Web UI显示界面以提高设备便携性和易用性，当使用者的手机或电脑与数字底座处于同一局域网时，可访问指定端口地址进入Web UI，Web UI界面功能与有线显示界面功能相同。
10.如权利要求1所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于包括数据采集模式和正常工作模式共两种模式，当进入数据采集模式时，对所接收原始数据经初步解析后直接进行存储，此时数据预处理模块仅实现协议解析功能，边缘计算推理模块则处于失能状态；当进入正常工作模式时，数据经过采集...
【技术特征摘要】
1.一种用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于包括：
2.如权利要求1所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述多接口数据接收模块包括多种有线接口模块和无线接口模块，所述有线接口模块，包括但不限于adc、uart、usb、spi、iic、csi接口；所述无线接口模块，包括但不限于ble、zigbee和wifi接口，其中ble接口功能基于乐鑫esp32-c3实现，zigbee接口功能基于ti cc2530实现，wifi功能基于intelax210实现。
3.如权利要求2所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述无线接口模块保存了所需要连接的心肺感知终端的mac地址列表，一旦所扫描到的设备mac地址存在于该列表中，便主动发起连接。
4.如权利要求2所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述ble接口模块运行于一主多从模式，且单路ble接口模块存在设备连接上限，系统通过实现多路ble接口模块接入功能以增加可连接ble设备数量，具体步骤为：初始时，第一路ble接口模块进行扫描和连接，当连接个数达到连接上限时，通知数字底座启用下一路ble接口模块进行扫描。所述连接上限，依据所使用ble协议栈不同，在8至20个之间。
5.如权利要求2所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述ble接口模块和zigbee接口模块同时接收多个感知终端设备数据，为区分数据来源，对所接收数据进行二次封装再通过同一接口转发至数据预处理模块，其中封装格式为：2字节长度的帧头，为0xaa、0xaa，1字节长度的数据来源标识，1字节长度的数据编号，1字节长度的所接收数据大小标识，n字节长度所接收原始数据，n为所接受数据大小。
6.如权利要求1所述的用于心肺功能评测的多接口边缘计算数字底座，其特征在于，所述数据预处理模块基于瑞芯微rk3588嵌入式linux平台实现，能对接收数据进行协议解析、滤波、特征提取；其中协议解析的过程是根据各感知终端数据协议从原始数据中提取出目标数据；对于无线接口传来的二次封包数据，先解包获得数据来源以及原始数据，再根据数据来源采用对应设备协议提取目标数据，模块预留协议设置接口，当添加新类型设备时，在配置文件中填写设备类型标识号、目标数据在数据包中的位置、目标数据长...
【专利技术属性】
技术研发人员：舒琳，伍明富，关烨羿，熊奇炜，花浩镪，晋建秀，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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