專利名稱：一種運動監(jiān)測儀和運動健康數據的監(jiān)測與傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量人體運動量和生活方式健康程度的裝置和方法，尤其涉及一 種具有安全數據傳輸功能的運動監(jiān)測儀和監(jiān)測方法。
背景技術：
隨著人們對自身健康狀況的重視，人們希望借助一些工具來對自己的身體運動情 況進行監(jiān)測和記錄。計步器就是這樣一種最簡單的工具，但是計步器只能比較粗略地記錄 人的行走或跑步的步數，并大體估計人體能量消耗；計步器并不能正確區(qū)分人體各種姿態(tài) 和活動，也不能精確地測量人體消耗能量，也無法進一步分析人們生活習慣或行為模式。近年來，從計步器演化出一種稱作活動量計或運動監(jiān)測儀(Physical Activity Monitor)的產品概念。這類產品的設計目標是能夠持續(xù)記錄身體活動信息，比較準確地區(qū) 分、測量所有消耗熱量的活動，例如能夠分辨出是在步行還是在做家務等，并且提供對身體 活動數據的進一步分析，提供更多的應用。運動監(jiān)測儀的潛在應用還包括個人健康管理工具，用于幫助人們發(fā)現自己的生活 規(guī)律、生活質量等，從而得到準確、有針對性的健康指導。運動監(jiān)測儀采集到的活動信息可 以為生活模式與特定疾病之間關系的研究提供可靠、精確的統(tǒng)計數據，研究結果可以及時 反饋到包括數據提供者本人在內的廣大用戶，能夠極大地促進人們的健康水平?，F有技術中，專利號為200710304259. 5的發(fā)明專利公開了一種基于Zigbee的監(jiān) 控檢測裝置，該裝置涉及檢測技術，包括數字健康手套、健康手機伴侶和支持Zigbee或藍 牙協(xié)議的手機。該發(fā)明的優(yōu)點是可以給使用者提供比較全面的身體數據記錄，但是這種記 錄是一種靜態(tài)的數據記錄，沒有提供使用者在運動情形下的檢測；本發(fā)明的發(fā)明人還申請 過一個名為運動健康檢測裝置的實用新型，該裝置可以實時或非實時地將數據傳遞到用戶 指定的手機、PDA或PC機，再通過它們的網絡傳輸到遠程，供使用者、專業(yè)人士和醫(yī)護人員 等進行分析；并且，設備可以記錄使用者運動的位置，形成運動軌跡，提高對運動的檢測水 平。但是所述實用新型并沒有在數據監(jiān)測和安全傳輸上達到應有的要求。

發(fā)明內容
為了解決以上問題，本發(fā)明提供一種運動監(jiān)測儀和運動健康數據的監(jiān)測與傳輸方 法，具有實時監(jiān)測人體運動量的功能的同時，并可以將數據安全地、實時或非實時地傳送到 用戶指定的手機、PC機、PDA等網絡終端用戶設備，可再通過這些網絡終端用戶設備安全地 傳輸到遠程服務器，長期保存?zhèn)€人運動數據，并可方便醫(yī)學、運動、健康等專業(yè)人士進行數 據分析，指導用戶保持健康的生活方式，提高人們的身體素質。為了實現本發(fā)明的目的，所述運動監(jiān)測儀，包括外殼，外殼內至少一個處理單元， 一個運動傳感器、一個位置傳感器、一個通信單元、一個時鐘模塊和一個為各部件供電的電 源單元。除了上述必要部件，該運動監(jiān)測儀還可包括存儲單元，存儲單元與處理單元通過數據總線，地址總線和片選線進行電連接，存儲運動、位置傳感器采集的有關數據以及其他 需要存儲的數據。該運動監(jiān)測儀還可包括一個顯示單元，位于外殼表面，用于顯示數據、圖表，還可 為使用者提供狀態(tài)指示及操作接口。所述運動傳感器，為三維加速傳感器或二維加速傳感器，用于采集與身體活動有 關的運動數據。所述位置傳感器，記錄使用者運動時的位置，形成運動軌跡，以提高對運動的監(jiān)測 水平。通信單元，可以為有線通信單元、無線通信單元、遠程通信單元其中之一或幾個的 組合，為該裝置提供數據傳輸功能。其中遠程通信單元，是指支持2G或2. 5G或3G或4G的 通信模塊。通信單元與手機、PDA或PC機建立通信的模式有兩種在線模式和離線模式。其 中，在線模式是按照一定的間隔，將處理后的數據實時發(fā)給手機、PDA或PC機；離線模式是 將處理后的數據保存到存儲單元或外置存儲單元中，由用戶一次或多次將數據發(fā)送給手 機、PDA或PC機。處理單元負責對運動傳感器采集的數據進行處理，控制通信流程。時鐘模塊用于為整個系統(tǒng)以及系統(tǒng)所采集的數據提供實時時鐘，并與手機、PDA或 PC機進行時間同步。使用時，將監(jiān)測裝置按常規(guī)置于監(jiān)測部位，如腰間、膝部、腕部或臂部等，運動傳感 器負責采集與身體活動有關的運動數據，處理單元負責對運動傳感器的數據處理，以及控 制無線通信模塊與外部的數據交互。通信單元負責與手機、PDA或PC機建立通信連接，傳 輸數據。使用時，也可將多個監(jiān)測裝置分別按常規(guī)置于多個需監(jiān)測的部位，每個監(jiān)測裝置 傳送的數據都包含各自時鐘模塊的時間數據，手機、PDA或PC機按照數據中的時間數據，來 確定多個監(jiān)測裝置的相關順序。手機、PDA或PC機等網絡終端設備再把收到的數據通過各自的網絡傳輸到遠程， 供使用者、運動健康專業(yè)人士和醫(yī)護人員等進行分析。需要聲明的是上述單元模塊是邏輯模塊，并不完全對應于實際物理模塊。比如實 際的處理單元很可能也包含一個存儲單元，這里所說的處理單元僅指只具有處理功能的模 塊。本發(fā)明提供的處理單元對運動傳感器輸出信號的工作算法包括預處理、特征提 取、動作識別、步數計算、距離計算、消耗能量計算等6個步驟。1.預處理預處理步驟是為了去除輸入信號中包含的尖銳噪聲，可采用高斯低通濾波、平滑、 中值等算法。2.特征提取提取的特征包括時域和頻域特征。其中時域特征主要有加速度信號幅值x(n)的 均值m、方差σ、短時能量E、相關系數corr、信號周期T等。頻域特征主要包括預處理后的 信號的快速傅立葉變換FFT的系數等。
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3.動作識別為了更好的識別靜止、走、跑及未知動作的強度，使用了主要用于多分量高斯分布 模型的混合高斯模型(GMM)，其中在訓練GMM模型時，可使用最常用的期望_最大化算法來 估計模型參數，或者隱馬爾科夫算法以獲得更精確地參數估計。4.步數計算該過程包括小波濾波、腐蝕與膨脹處理、平滑等步驟。其中小波濾波可以采用墨西 哥小波，預處理后的信號經過4層墨西哥小波分解后可去除與計算步數無關的高頻信號。 小波濾波輸出的低頻信號再利用形態(tài)學方法，對其進行腐蝕與膨脹處理，以補償小波濾波 中可能出現的誤檢現象，提高步數計算算法的穩(wěn)定性。接下來對經過腐蝕與膨脹處理后的 信號進行平滑，計算平滑后信號的過零點個數即為步數。5.距離計算該過程采用綜合算法，包括擬合、預置估值修正等步驟。首先根據輸入數據確定用 于實時計算步幅的擬合公式的系數，得到步幅初始值后，再通過預置估值修正減少擬合算 法產生的誤差，以提高距離計算的準確性。6.消耗能量計算為了提高計算運動的能量精度，在動作識別步驟之后根據識別出的運動類型計算 消耗能量。該過程也采用綜合算法，包括擬合、分段修正兩個步驟。處理單元對數據進行上述計算后可輸出到用戶的手機、PDA或PC機上，甚至進而 傳輸到遠程服務器上。因為運動監(jiān)測儀輸出的運動數據涉及個人隱私，需要加以保護，下面是本發(fā)明提 出的個人數據的安全通信方法，所述方法包括以下步驟。步驟1 運動監(jiān)測儀的通信單元與手機、PC機、PDA等互聯(lián)網終端設備之間在開始 傳輸個人數據前，需相互認證，認證協(xié)議的結果是一個雙方共享的密鑰，認證后數據傳輸的 保密性、完整性、不可否認性等可利用該密鑰得到保障。步驟2 手機、PC機、PDA等網絡終端設備與遠程服務器之間在開始傳輸個人數據 前，需相互認證，認證協(xié)議的結果是一個雙方共享的密鑰，認證后數據傳輸的保密性、完整 性、不可否認性等可利用該密鑰得到保障。進一步地，步驟1中的認證協(xié)議參與方包括用戶User、運動監(jiān)測儀Monitor、網絡終 端設備AP、遠程服務器Server。其中網絡終端設備AP指手機、PC機、PDA等為運動數據提供 網絡接入的用戶終端設備；遠程服務器Server包括提供認證服務的AuthServer和提供應用 服務的AppServer等。所述應用服務器包括提供運動數據長期存儲、分析等服務的服務器。與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是提供一種具有安全數據傳輸功能的運動 監(jiān)測儀，具有實時監(jiān)測人體運動量的功能的同時，并可以將數據安全地、實時或非實時地傳 送到用戶指定的手機、PC機、PDA等網絡終端用戶設備，可再通過這些網絡終端用戶設備安 全地傳輸到遠程服務器，長期保存?zhèn)€人運動數據，并可方便醫(yī)學、運動、健康等專業(yè)人士進 行數據分析，指導用戶保持健康的生活方式，提高人們的身體素質。


圖1為本發(fā)明所述一種運動監(jiān)測儀組成結構圖2為本發(fā)明所述一種運動監(jiān)測儀使用示意圖；圖3為本發(fā)明所述一種運動監(jiān)測儀工作流程圖；圖4本發(fā)明所述運動監(jiān)測儀發(fā)起和AP設備的安全認證協(xié)議示意圖；圖5本發(fā)明所述AP設備發(fā)起和運動監(jiān)測儀的安全認證協(xié)議示意圖；圖6本發(fā)明所述AP設備和遠程服務器之間的安全認證協(xié)議示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。實施例1 參見如圖1所示，一種運動監(jiān)測儀，包括處理單元10、通信單元11、運動 傳感器14、時鐘模塊12、存儲單元16、電源單元17、位置傳感器13和顯示單元15。其中，處 理單元10與通信單元11、位置傳感器13可以通過通用異步接受/發(fā)送接口(UART)相連； 處理單元10通過I/O接口、或I2C與時鐘模塊12連接；處理單元10通過高速同步串行單 元(SPI)或I2C與運動傳感器14進行通信；存儲單元16通過數據總線、地址總線與片選線 與處理單元10進行連接；顯示單元15通過數據總線，地址總線和I/O接口與處理單元10 進行通信。運動傳感器14可以選擇ADI或BOSCH的三維加速傳感器實現，如果三維加速度傳 感器的輸出是模擬信號，還需要微處理器(MCU)的片內或片外AD/DA的支持；位置傳感器13，為GPS模塊，利用衛(wèi)星進行定位，或無線通信單元，利用無線通信 網絡進行定位。通信單元11，可以為有線通信單元、無線通信單元、遠程通信單元其中之一或幾個 的組合。其中有線通信單元，是指USB模塊；無線通信單元，是指藍牙模塊、ZIGBEE模塊、 ANT模塊等其中之一或幾個的組合；遠程通信單元，是指支持2G或2. 5G或3G或4G的通信 模塊，例如 Wifi/GraS/GSM/W-CDMA/CDMA2000/TD-SCDMA/WiMax 等模塊。處理單元10可以選擇微處理器(MCU)，比如ARM7/9、DSP等器件。時鐘模塊12可以選擇RTC (Real-Time Clock)模塊和相應的電池。顯示單元15位于外殼表面，通過數據總線、地址總線和通用輸入/輸出單元 (GPIO)接口與處理單元進行通信。存儲單元16可以是處理單元的片內或片外FLASH。電源單元17包括電源芯片和充電電池。本發(fā)明提供的運動監(jiān)測儀的使用場景如圖2所示，可以一個或者幾個裝置通過任 意方式固定在不同的部位，如腰間lb、膝部Id、腕部Ic和臂部Ia等位置；該裝置將處理后 的數據，傳遞給手機22或PC機20等網絡終端設備；同時，手機22或PC機20也可以將由 裝置獲得的數據，通過各自的網絡，傳輸給遠程服務器21。作為一個具體的實例，圖3給出該裝置可能的一個工作流程圖該運動監(jiān)測儀首 先進行系統(tǒng)初始化302，將設置系統(tǒng)各個參數和預先分配內存；判斷是否有通信連接303， 比如是否有藍牙的配對連接請求；如果有通信連接303，則將現有的數據或保存到存儲單 元105的數據發(fā)送給手機202或PC機201，直到發(fā)送完成305 ；如果沒有通信連接303或數 據發(fā)送完成305，則采集運動傳感器數據306，進行數據處理307，并將相應的數據保存或覆蓋308 ；按照一定的計算停止條件309 ；如果停止處理309，則關閉系統(tǒng)或處理單元101進入 空閑(Idle)狀態(tài)，否則繼續(xù)判斷通信連接303 ；具體通信連接303與停止計算309可以由 軟件或硬件中斷來實現。實施例2 —種運動健康數據監(jiān)測和安全傳輸方法，其中監(jiān)測方法是指處理單元 對運動傳感器輸出信號的工作算法，包括預處理、特征提取、動作識別、步數計算、距離計 算、消耗能量計算等6個步驟。1.預處理可采用高斯低通濾波、平滑、中值等算法去除輸入信號中的尖銳噪聲。2.特征提取a)時域特征時域特征主要有加速度信號幅值χ (η)的均值m、方差σ σ、短時能量Ε、相關系數 corr、信號周期Τ。均值m，反映了加速度信號的平均幅度，其計算公式如式(1)........................................... (1)其中N為輸入信號個數。方差σ，反映了加速度信號在均值m的上下波動程度，按公式(2)進行計算。........................................... (2)加速度信號的短時能量E按公式(3)進行計算。................................................. (3)加速度信號相關系數corr按公式(4)進行計算。....................................... (4)加速度信號周期T通過快速傅立葉變換FFT計算。b)頻域特征包括FFT的系數。3.動作識別使用主要用于多分量高斯分布模型的混合高斯模型(GMM)，其中在訓練GMM模型
時，可使用最常用的期望_最大化算法來估計模型參數，或者隱馬爾科夫算法以獲得更精 確地參數估計。4.步數計算該過程包括小波濾波、腐蝕與膨脹處理、平滑等步驟。其中小波濾波可以采用墨西 哥小波，預處理后的信號經過4層墨西哥小波分解后可去除與計算步數無關的高頻信號。 小波濾波輸出的低頻信號再利用形態(tài)學方法，對其進行腐蝕與膨脹處理，以補償小波濾波 中可能出現的誤檢現象，提高步數計算算法的穩(wěn)定性。接下來對經過腐蝕與膨脹處理后的 信號進行平滑，計算平滑后信號的過零點個數即為步數。實驗結果表明上述步驟對于步伐 間隔為2秒以較短的常速或快速運動效果非常好。5.距離計算該過程包括擬合、預置估值修正兩個步驟。其中擬合算法計算出實時的步幅，按公 式(5)的擬合公式計算。..................... (5)
其中為三軸加速度采樣信號經過預處理后的平均方差，為采樣信號周期，為輸入 的個人身高；為需要實驗確定的擬合系數。預置估值修正步驟是為了補償上一個步驟擬合算法產生的誤差，以提高距離計算 的準確性，該步驟通過一個關于身高、周期的函數來設計一個分段修正函數，對擬合算法的誤差進行實時修正，其中為需要通過試 驗數據得到的系數。擬合和預置估值修正綜合使用，極大的提高了計算距離的準確性。6.消耗能量計算為了提高計算運動的能量精度，在動作識別步驟之后根據識別出的運動類型計算 消耗能量energy。包括擬合、分段修正兩個步驟。其中擬合算法如公式(6)................................................... (6)這里為需要實驗確定的擬合系數，每種動作具有不同的擬合系數。對每種動作分別擬合可以得到更合理、更準確的計算結果。分段修正步驟是為了補償上一個步驟擬合算法產生的誤差，以提高消耗能量計算 的準確性，該步驟通過函數來設計一個分段函數對擬合的能量進行修正，其中METS為代謝當量。下面是上述處理算法的測試結果。步數計算算法的測試結果。測試征求了 15名年齡在20-40之間、身高在1. 55-1. 80 米之間的被測試者在跑步機上分別以不同速度進行走、跑，其中走的速度分別為3. 3km/h、 4. 8km/h、5. 7km/h、6. 5km/h、7. 2km/h、7. 8km/h、8. 2km/h,跑的速度分別為 8km/h、8. 6km/h、 9. 6km/h、llkm/h、ll. 6km/h、12km/h。被測試者將運動監(jiān)測裝置固定在腰間側面，測試出的
誤差率不大于2%，其中誤差率的計算公式如下誤差率=I實際步數-顯示步數I/實際步數*100%動作識別算法的測試結果。測試的被測試者同上。被測試者分別進行“坐”、“走”、 “跑”、“上樓梯”、“下樓梯”、“騎車”，以及在跑步機上“走”和“跑”連續(xù)動作(跑步機的坡度 設為0)，分別記錄這些動作被識別為坐、走、跑、上樓梯、下樓梯、騎車、跑步機上走、跑步機 上跑等動作的次數。測試結果如下表所示(其中誤識率=沒能正確識別的幀數/總幀數) 一種運動健康數據監(jiān)測和安全傳輸方法，其中安全傳輸方法指的是運動監(jiān)測儀和 其他設備或服務器之間的安全通信協(xié)議。協(xié)議參與方包括用戶User，運動監(jiān)測儀Monitor，服務接入設備AP，服務器Srv.其 中服務接入設備AP指手機、PC機、PDA等為應用服務提供無線網絡接入的設備；服務器Srv 包括提供認證服務的AuthSrv，和提供應用服務的AppSrv。這里應用服務器包括提供運動 數據長期存儲、分析等服務的服務器。(一 )運動監(jiān)測儀和AP設備之間的安全通信參見圖4，首先需要運動監(jiān)測儀的使用者User通過手機、PC機、PDA等AP設備在 認證服務器AuthSrv注冊，注冊成功的結果是用戶和認證服務器共享一個密鑰USer_key。 系統(tǒng)為每個運動監(jiān)測儀生成一個密鑰Monitor_key，保存在Monitor裝置和Monitor密鑰數 據庫中。根據安全需求，M0nit0r_key可以是每個裝置不一樣，也可以是每批裝置不一樣， 也可以所有裝置都一樣。按照認證請求發(fā)起者的不同，可以有兩種方式進行，一種是運動監(jiān)測儀發(fā)起的，一 種是AP設備發(fā)起的。1. AP和Monitor的互相認證(Monitor發(fā)起認證請求)下面舉例說明具體實施方式
，參見圖4:1)Monitor裝置和AP建立通信信道后，發(fā)送消息Monitor-AP-l給AP， Monitor-AP-I的格式如下Monitor-AP-l = Monitor_ID, Enc_Monitor_key(tmpkey, Monitor_time, Monitor_ID, ch).其中Monitor_ID是Monitor裝置的識別號，ch是Monitor隨機生成的一個隨機 數，tmpkey是Monitor生成的隨機密鑰。2)AP由于沒有Monitor裝置的密鑰M0nit0r_key，不能解密，生成消息AP-MonitorSrv-I 給 Monitor 認證服務器，AP-MonitorSrv-I 的格式如下AP-MonitorSrv-I = Monitor_AP_l。3)M0nit0r認證服務器首先對AP進行認證，認證成功后和AP共享一個密鑰 session_key. Monitor認證服務器在Monitor密鑰數據庫中查詢對應Monitor_ID的 密鑰M0nit0r_key，對Monitor-AP-I解密，驗證解密數據后，獲得tmpkey，生成消息 AP-MonitorSrv-2 返回給 AP，AP-MonitorSrv-2 的格式如下AP-MonitorSrv-2 = Enc_session_key(tmpkey, ch).如果Monitor密鑰數據庫查詢不到對應Monitor_ID的密鑰Monitor_key，則返回 相應的信息給AP。4) AP 收到 AP-Moni tor Srv-2 后，認為 Monitor 已經被認證。AP 解密出 tmpkey，生 成消息Monitor-AP-2發(fā)送給Monitor，Monitor-AP-2的格式如下Monitor-AP-2 = Enc_tmpkey (AP_time, Monitor_ID, ch).5) Monitor裝置收到Monitor-AP-2后，解密后驗證數據，如果數據正確，就認為AP 已被認證.6)至此，Monitor和AP之間完成了相互認證過程，并且它們之間共享了一個會話 密鑰tmpkey，它們之間的通信可以利用這個tmpkey提供完整性、保密性、不可否認性等安 全保護。2. AP和Monitor的互相認證(AP發(fā)起認證請求)下面舉例說明具體實施方式
，參見圖5 1) AP登錄Monitor認證服務器，被Monitor認證服務器認證后，雙方共享一個密鑰 session_key.認證協(xié)議可以按照如(二)所述方法，此時Monitor認證服務器作為一個在 AuthSrv注冊的應用服務器AppSrv. Monitor認證服務器如果在AuthSrv上，共享的密鑰可 以是用戶密鑰USer_key.2) AP與Monitor裝置建立通信信道后，生成臨時密鑰tmpkey，計算一個隨機數ch 作隨機挑戰(zhàn)，發(fā)送認證請求AP-MonitorSrv-I到Monitor認證服務器，AP-MonitorSrv-l的 格式如下AP-MonitorSrv-l = Enc_{session_key} (Monitor_ID, tmpkey, AP_time, ch)3)Monitor認證服務器收到AP-MonitorSrv-1后，解密數據并驗證通過后，在控制 管理的Monitor密鑰數據庫中查詢MonitorJD的密鑰。如果查詢失敗，返回相應信息給 AP ；否則，組成消息AP-Moni tor Srv-2返回給AP，AP-Moni tor Srv-2的格式如下AP-MonitorSrv-2 = Enc_{session_key} (Ticket, ch)其中 Ticket = Enc_{Monitor_key} (Monitor_ID, tmpkey, ch,MonitorSrv_time).4) AP收到AP-MonitorSrv-2后，解密數據得到Ticket，ch。如果得到的ch和之前 發(fā)出的ch相同，生成消息AP-Monitor-I發(fā)送給Monitor.AP-Monitor-I = Ticket5) Monitor收到AP-Monitor-I后，解密并驗證數據。如果驗證通過，完成對AP的 認證，進而生成消息AP-Monitor-2給AP.AP-Monitor-2 = Enc_{tmpkey}(ch)；6) AP收到AP-Monitor-2后并解密得到正確的ch后，完成對Monitor的認證。
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7)至此，Monitor和AP之間完成了相互認證過程，并且它們之間共享了一個會話 密鑰tmpkey，它們之間的通信可以利用這個tmpkey提供完整性、保密性、不可否認性等安 全保護。(二)AP設備和遠程服務器之間的安全通信參見圖6，本發(fā)明提供的協(xié)議主要包含下列三個過程注冊過程、AP從AuthSrv獲 得 Ticket、AP 利用 Ticket 訪問 AppSrv。下面舉例說明
具體實施例方式1.注冊過程1)用戶在AuthSrv注冊自己的用戶名，設置口令，被分配有系統(tǒng)唯一的PID. AuthSrv保存和用戶共享的密鑰User_key.2)應用服務器AppSrv也在AuthSrv注冊自己的服務Service，和AuthSrv共享一 個密鑰Srv_key.2. AP 從 AuthSrv 獲得 Ticket1)用戶從AP登錄時提供用戶名，PID，口令，和要使用的應用服務Service， AP根據用戶名，PID和口令生成用戶密鑰USer_key，生成隨機數Nonce，并組合成消息 AP-AuthSrv-I 發(fā)送至 AuthSrv，AP-AuthSrv-1 的格式如下AP-AuthSrv-I = PID, Service, Nonce,AP_time,Hmac_{User_Key}(PID, Service, AP_time)2)AuthSrv接收到AP-AuthSrv-1，解密加密的部分，驗證數據包是否正確。驗 證項包括PID是否存在，ServiceName是否已經注冊，數據中的認證碼和自行計算的認 證碼是否一致等，如果驗證通過，發(fā)送AP-AuthSrv-2消息給AP，AP-AuthSrv-2的格式如 下。AP-AuthSrv-2 = Ticket, Enc_{User_Key}(Service, session_key, valiMonitorime, Nonce, Hmac_{User_Key}(Ticket)).其中 Ticket = Enc_{Srv_Key} (PID, Service, sesson_key, valiMonitorime).3) AP收到AP-AuthSrv-2后，解密相關的數據，并驗證數據是否正確，包括驗證解 密出的認證碼是否和自行計算的認證碼一致等.如果驗證通過，在本地保存Ticket和相關 數據(包括 session_key).3. AP 利用 Ticket 訪問 AppSrv1)用戶從AP登錄時提供用戶名，PID，口令，和要使用的應用服務ServiCe，AP根據 用戶名，PID，應用服務，和當前時間等查詢相應的Ticket是否已經存儲在本地，如果沒有， 回到步驟2，從AuthSrv獲得Ticket。2) AP查詢到相應的Ticket后，發(fā)送AP-AppSrv-l消息到AppSrv，其中 AP-AppSrv-I 的格式如下。AP—AppSrv—l = (PID, Client_time)，Ticket, Hmac_{session_ key} (PID, client_time).3)AppSrv收到AP-AppSrv-I后，解密相關數據，獲得session_key，驗證收到 數據的完整性。如果數據是完整的，重新生成一個隨機密鑰netsessiorukey，合成 AP-AppSrv-2消息返回給AP，AP-AppSrv-2的格式如下AP-AppSrv-2 = PID, Enc_{session_key}(client_time, new_session_key, valiMonitorime)。
4) AP收到AP-AppSrv-2后，驗證數據是否正確，并解密出該次會話將要使用的密 鑰 new_session_key。5) AP和AppSrv互相認證結束，彼此共享會話密鑰new_session_key，接下來AP和 AppSrv的通信就可以利用這個newjessiorukey提供完整性、保密性、不可否認性等安全 保護。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
一種運動監(jiān)測儀，包括外殼，處理單元，運動傳感器、通信單元和為各部件供電的電源單元，其特征在于處理單元分別連接運動傳感器、通信單元和電源單元。
2.根據權利要求1所述的運動監(jiān)測儀，其特征在于所述處理單元至少為一個，負責對 運動傳感器采集的數據進行處理，控制通信流程。
3.根據權利要求1所述的運動監(jiān)測儀，其特征在于所述運動傳感器，為三維加速傳感 器或二維加速傳感器，用于采集與身體活動有關的運動數據。
4.根據權利要求1所述的運動監(jiān)測儀，其特征在于所述通信單元，可以為有線通信單 元、無線通信單元、遠程通信單元其中之一或幾個的組合，為該裝置提供數據傳輸功能，其 中遠程通信單元，是指支持2G或2. 5G或3G或4G的通信模塊。
5.根據權利要求1至4所述的任一運動監(jiān)測儀，其特征在于所述運動監(jiān)測儀還包括 位置傳感器，記錄使用者運動時的位置，形成運動軌跡，以提高對運動的監(jiān)測水平。
6.根據權利要求5所述的運動監(jiān)測儀，其特征在于通信單元與手機或PC機建立通信 的模式有兩種在線模式和離線模式，其中，在線模式是按照一定的間隔，將處理后的數據 實時發(fā)給手機或PC機；離線模式是將處理后的數據保存到存儲單元或外置存儲單元中，由 用戶一次或多次將數據發(fā)送給手機或PC機。
7.根據權利要求6所述的運動監(jiān)測儀，其特征在于所述運動監(jiān)測儀還包括時鐘模塊， 用于為整個系統(tǒng)以及系統(tǒng)所采集的數據提供實時時鐘，并與手機或PC機進行時間同步。
8.根據權利要求7所述的運動監(jiān)測儀，其特征在于該運動監(jiān)測儀還可包括存儲單元， 存儲單元與處理單元通過數據總線，地址總線和片選線進行電連接，存儲運動、位置傳感器 采集的有關數據以及其他需要存儲的數據。
9.根據權利要求8所述的運動監(jiān)測儀，其特征在于該運動監(jiān)測儀還可包括一個顯示 單元，位于外殼表面，用于顯示數據、圖表，還可為使用者提供狀態(tài)指示及操作接口。
10.一種運動健康數據的監(jiān)測和安全傳輸方法，其特征在于所述運動健康數據的監(jiān) 測和安全傳輸方法包括以下步驟步驟1 處理單元的數據計算；步驟2 處理單元對數據計算后可輸出到用戶的手機、PDA或PC機上，并安全傳輸到遠 程服務器上。
11.根據權利要求10所述的一種運動健康數據的監(jiān)測和安全傳輸方法，其特征在于 所述步驟1包括以下步驟stepl 預處理預處理步驟是為了去除輸入信號中包含的尖銳噪聲，可采用高斯低通濾波、平滑、中值 等算法；step 2 特征提取提取的特征包括時域和頻域特征。其中時域特征主要有加速度信號幅值x(n)的均值 m、方差σ、短時能量Ε、相關系數corr、信號周期T ；頻域特征主要包括預處理后的信號的快 速傅立葉變換FFT的系數；step 3 動作識別為了更好的識別靜止、走、跑及未知動作的強度，使用了主要用于多分量高斯分布模型 的混合高斯模型(GMM)，其中在訓練GMM模型時，可使用最常用的期望_最大化算法來估計模型參數，或者隱馬爾科夫算法以獲得更精確地參數估計； step 4 步數計算該過程包括小波濾波、腐蝕與膨脹處理、平滑等步驟。其中小波濾波可以采用墨西哥小 波，預處理后的信號經過4層墨西哥小波分解后可去除與計算步數無關的高頻信號；小波 濾波輸出的低頻信號再利用形態(tài)學方法，對其進行腐蝕與膨脹處理，以補償小波濾波中可 能出現的誤檢現象，提高步數計算算法的穩(wěn)定性；接下來對經過腐蝕與膨脹處理后的信號 進行平滑，計算平滑后信號的過零點個數即為步數； step 5 距離計算該過程采用綜合算法，包括擬合、預置估值修正等步驟。首先根據輸入數據確定用于實 時計算步幅的擬合公式的系數，得到步幅初始值后，再通過預置估值修正減少擬合算法產 生的誤差，以提高距離計算的準確性； step 6 消耗能量計算為了提高計算運動的能量精度，在動作識別步驟之后根據識別出的運動類型計算消耗 能量。該過程也采用綜合算法，包括擬合、分段修正兩個步驟。
12.根據權利要求10所述的一種運動健康數據的監(jiān)測和安全傳輸方法，其特征在于 所述步驟2包括以下步驟步驟(1)運動監(jiān)測儀的通信單元與網絡終端設備之間在開始傳輸個人數據前，需相 互認證，認證協(xié)議的結果是一個雙方共享的密鑰，認證后數據傳輸的保密性、完整性、不可 否認性等可利用該密鑰得到保障；步驟(2)網絡終端設備與遠程服務器之間在開始傳輸個人數據前，需相互認證，認證 協(xié)議的結果是一個雙方共享的密鑰，認證后數據傳輸的保密性、完整性、不可否認性等可利 用該密鑰得到保障。
全文摘要
本發(fā)明提供一種運動監(jiān)測儀和運動健康數據的監(jiān)測與傳輸方法，所述運動監(jiān)測儀，包括外殼，處理單元，運動傳感器、位置傳感器、通信單元、時鐘模塊和電源單元。所述安全數據傳輸方法是在數據傳輸之前相互認證，認證協(xié)議的結果是一個雙方共享的密鑰，認證后數據傳輸的保密性、完整性、不可否認性等可利用該密鑰得到保障。本發(fā)明的優(yōu)勢在于具有實時監(jiān)測人體運動量的功能的同時，并可以將數據安全地、實時或非實時地傳送到用戶指定的手機、PC機、PDA等網絡終端用戶設備，可再通過這些網絡終端用戶設備安全地傳輸到遠程服務器，長期保存?zhèn)€人運動數據，并可方便醫(yī)學、運動、健康等專業(yè)人士進行數據分析，指導用戶保持健康的生活方式，提高人們的身體素質。
文檔編號A61B5/11GK101879066SQ20101012027
公開日2010年11月10日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權日2010年3月8日
發(fā)明者陳澎 申請人:北京英福生科技有限公司