本发明属于口腔卫生护理技术领域，涉及监测儿童(包括老人、成人)日常口腔护理与刷牙活动的系统、设备和方法。
背景技术：
较差的口腔护理习惯容易导致蛀牙，牙龈炎，牙周病等口腔疾病。儿童能够在早期养成良好的口腔护理习惯和学会采用正确的刷牙方法是非常重要的。在美国，大约三分之一的孩子每周会忘记刷牙最少一次，接近70％的5-18岁的儿童每次刷牙达不到牙医推荐的2分钟。
为了更好地在早期对儿童刷牙和口腔护理进行辅导，一个必不可少的条件就是准确和实时的观测，以及需要制定及时发现异常现象和可持续预防的计划。不幸的是，当孩子们刷牙时，父母并不总是和他们的孩子在一起。因此，孩子的刷牙活动，比如一天中的时间、持续时长和质量指数大多情况下父母无从获取。这些信息需要在儿童完成刷牙后自动获得，才不会增加父母或儿童的额外负担。
能够无缝和自动收集口腔护理活动的表现信息，才能使父母和医生采取有效的措施来衡量和指导孩子，以养成更好的口腔护理习惯。在描述本公开技术细节前，我们首先回顾当前市场上相关或类似的口腔护理产品，除了描述差别和进行对比，也一并提供一个简短的背景。在当今的市场上有许多不同的儿童牙刷设计。他们中的大多数不具备刷牙质量或提供数据收集和分析的能力。在美国，大约82％的口腔护理市场仍然使用手动牙刷。在电动牙刷市场这18％里面，只有一小部分可以记录一些运动信息。而更小比例的电动牙刷可以将刷牙质量和数据发送给智能手机以供审查。当前，在儿童、父母和可选择的牙医之间缺乏一个完善的、实时的和稳定的连接监测系统，可以存储、显示和分析关于目前和过去口腔护理活动的数据，以及提出可能发生的疾病预测。如果没有这样一个系统，当刷牙被遗漏或做得很差时，父母和医生就不会立即知道。当短期的异常不被纠正时，它们就会变成长期的坏习惯，就不能够被轻易纠正。
当今市场上的几种具有传感和连接能力的智能牙刷的销售价格远高于普通牙刷。然而，许多消费者认为牙刷是一次性使用的消费品，需要不时更换，因此消费者不愿意支付如此高的溢价。许多消费者更喜欢手工牙刷，或者喜欢某一款牙刷的手柄和外观设计，或寻找特定的品牌。而这些品牌的牙刷可能根本不提供具有传感和跟踪能力的牙刷产品。此外，这些智能牙刷通过跟手机保持无线连接以便发送出数据，这种设计的一大缺点就是稳定性差。手机如果不在牙刷旁边数据就不可能发出，无法达到实时传输、接收数据。用户很可能关闭了蓝牙，蓝牙通道被其他无线耳机和其他物联网产品占用饱和，或者手机上的业务app被系统回收或在后台无法建立蓝牙通讯。这些，和类似的原因造成了用户的实际使用体验的流畅度和稳定性都大打折扣。最后，这种类似的通讯模式只能支持一个或几个有限的牙刷，并且用户需要一对一的配对和比如建立蓝牙连接。在一对多的使用场景下，比如幼儿园，老师需要监控一个班级的孩子刷牙，这种简单的手机连接就无法满足性能和稳定性的要求，更不要说时效性，安全，和大量的数据分析等其他要求。
技术实现要素：
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种口腔护理监测和习惯养成系统。
本发明具体采用以下技术方案。
一种口腔护理监测和习惯养成系统，其特征在于：
所述口腔护理监测和习惯养成系统包括可安装在牙刷上的跟踪器和数据处理系统；
其中，跟踪器包括感知牙刷运动的运动传感器和用于实时输出牙刷运动数据即刷牙原始数据的收发器；
所述数据处理系统，用于接收并处理刷牙原始数据，以确定相对于一个或多个刷牙标准的刷牙质量判断。
本发明进一步包括以下优选方案：
所述口腔护理监测和习惯养成系统进一步包括中继站，所述中继站接收一个或多个跟踪器感知的刷牙原始数据，并通过网络将刷牙原始数据实时转发至数据处理系统。
所述数据处理系统包括数据接收器和服务器，其中，所述数据接收器接收一个或多个中继站转发的对应不同跟踪器感知的刷牙原始数据，上传至服务器，服务器执行刷牙质量和动作分析算法，以提供针对一个或多个标准的与对应刷牙活动相关的性能指标。其中，中继站可被配置为在转发刷牙原始数据之前压缩或加密数据。
其中，中继站与跟踪器即可同设置在牙刷上，也可以作为独立于牙刷以外的组件与跟踪器通讯；中继站既可以是专门与跟踪器通讯的收发装置或组件；也可以是某种多功能的装置或者组件，而其中一个功能是支持与跟踪器通讯；中继站既可以是一个独立的装置或者组件，也可以依附于其他装置或者组件内，以软件形式实现其功能。
所述跟踪器放置在外壳内，外壳上还包括延伸并配置为用于将外壳固定耦合到牙刷的固定附件装置。
所述固定附件装置和外壳之间形成一个装配间隙，所述装配间隙可以是凹槽或切口的形式，用于将跟踪器固定到牙刷的手柄上。
其中，固定附件装置为环形器件、夹子、盖子、套筒、钩子、拉链、螺栓、卡扣、别针或可粘贴器件中的一种。
外壳采用食品级塑料制成，防水防尘；
外壳的形状可以是圆形、矩形或任何其他几何形状；
外壳表面采用任何不同颜色配置装饰性特征，所述装饰特征包括但不限于表情符号、名字、首字母、徽标、儿童人物、吉祥物、糖果、卡通图案，水果和花朵。
其中跟踪器还包括电池、电源管理电路、反馈外围设备；
其中，电源管理电路被配置为在所述跟踪器没有运动或未启动的情况下将跟踪器置于低功率货架模式；电池可以是一次性电池或者是可充电电池；所述外壳为可拆卸外壳或永久封装外壳。
反馈外围设备包括一个或多个led，振动器和/或声音发生器；
所述电池(200)为可充电电池或一次性电池；所述外壳(100)为可拆卸外壳或永久封装外壳。
所述动传感器为加速度计、陀螺仪、电指南针中的一种或多种；
所述运动传感器(225)将捕捉到的动作信号发送给服务器(415)，所述服务器(415)中的数据处理引擎计算、判断与统计刷牙事件的开始、结束、真伪和质量信息。
所述数据接收器接收到通过中继站转发的描述同一个刷牙活动的不同数据包后上传至服务器，服务器创建一个新的线程来处理由数据接收器上传的描述同一个刷牙活动的不同数据包。
服务器数据处理引擎将描述同一个刷牙活动的数据包进行分析处理，并输出与对应刷牙活动相关的性能指标。
其中，数据处理引擎将原始刷牙数据转换为一种可用于算法分析的格式，应用一个或多个刷牙模型来解释和分析与一个或多个标准有关的刷牙数据。
其中，数据处理引擎被配置为输出相对于一个或多个标准的刷牙充分性评分；
以及被配置为向被观测者传达刷牙质量信息、刷牙数据、刷牙统计数据；
其中，刷牙质量信息、刷牙数据和刷牙统计数据中包括描述一个或多个用户刷牙数据的比较数据，同龄年龄组和相关人群里面的数据对比情况、描述一个或多个用户历史刷牙数据的历史数据，以及与历史刷牙数据对比情况。
其中，数据处理系统被配置为根据每个用户存储历史刷牙数据，其中用户与跟踪器的跟踪器id相关联。
其中，数据处理系统被进一步配置为将刷牙数据、刷牙质量数据、统计数据发送到与用户帐户相关联的显示器。所述显示或通知设备可以为智能手机、平板电脑、pc、笔记本电脑、智能手表，以及带有显示或语音传达功能的智能电冰箱、电视机、洗衣机、路由器、耳机、音箱、机顶盒、摄像头或者车载系统。
数据处理系统被配置为使至少一个监督用户能够建立由一个或多个受监视用户组成的用户帐户，其中不同的跟踪器与每个受监视用户相关联；
其中至少一个监督用户至少是一个父用户或至少一个口腔护理提供者；一个或多个受监视用户是一个或多个子用户。
所述中继站可同时接收来自不同跟踪器描述不同刷牙活动的数据包，然后转发这些数据包至服务器，服务器创建一个新的线程来处理由数据接收器上传的每一个描述不同刷牙活动的数据包；
其中，中继站的数量可以是一个，也可以是多个。
所述跟踪器可以包含一个数据压缩器，在输出刷牙原始数据前对牙刷运动数据进行预处理。
所述跟踪器，可以内置在电动牙刷里面，或是通过物联网与任何类型的牙刷物理绑定。目标牙刷可以是手动或是电动的，可以是不同的大小、设计，具有不同的牙刷头和握把。
牙刷跟踪器是整个跟踪系统的一部分，此系统还包括数据接收器和数据处理系统。数据处理系统负责处理从跟踪器发出的数据，并得到刷牙的质量数据，评估刷牙习惯的更改，建议习惯优化措施。数据处理系统可以是一个独立的、专门的本地网络上的终端，或者是一个虚拟在云端的服务器。此分析系统也可以是附加在智能手机和平板电脑上的软件或应用,以及它所包含的算法模型。虽然这些是不同的具体实施方案和存在的形态，从本质上讲他们都实现或者支持了本发明所披露的系统和功能。
牙刷跟踪器可以通过一个或多个数据接收器将数据发给数据处理系统。此数据接收器也可以延展为一个独立的硬件，比如一个独立于手机或者平板电脑的hub。数据接收器可以建立与跟踪器的通讯连接，把数据下载并安全转发给数据处理系统。每次通讯连接和断开时都按照安全的握手协议实施，以确保跟踪器的数据传输是安全的。跟踪器和数据接收器可以使用近程无线通信技术进行通信。数据接收器和数据处理系统可以通过任何远程网络技术进行通信，包括但不限于互联网和万维网。值得指出的是，牙刷跟踪器和数据接收器可以同处在本地，也可以通过其他媒介交流，比如下面提到的中继站。同理，数据接收器和分析系统也可以联合部署，比如同时部署在云端；或者分开部署，比如部署在不同的vpc(virtualprivatecloud，虚拟私有云)子网内通过api(applicationprogramminginterface，应用程序接口)进行交互。部署方式可以有多种排列组合的可能，但不应该影响本发明的创新和公开。
设计一款适用于各种牙刷的跟踪器有若干挑战。例如，跟踪器和牙刷固定后需要符合人体工程学，跟踪器本身需要很小的尺寸，以不影响用户手握或牙刷功能。然而，小尺寸限制了跟踪器的半径和厚度，从而限制了电池容量，因此限制了其天线性能，寿命，结构和功能。小的设计需要一个更高性能的天线。此外，这种跟踪器的成本必须低才能使产品在市场上受欢迎。一些额外的设计要求，如防水、材料安全、储存货架省电模式、性能精度、用户体验、刷牙定时器、提醒器等，都是重要的内容，将在下面更详细地公开。
在各种实施例中，在收集刷牙活动数据后，对数据进行处理，整合，算法分析，将分析结果发送给家长，并可选择地发送给牙医进行审查。在此过程中，可以对刷牙数据进行收集、整理，分析，并判断是否有数据异常及改进建议。在各种实施例中，本发明可以向家长提供有关刷牙持续时间、开始时间、象限分析(覆盖口腔部位)、手势一致性和切换频率等信息，以及基于这些发现的刷牙改进建议。父母和牙医不仅可以浏览最新的刷牙日志，而且可以访问刷牙历史活动的完整信息。该系统可对短期异常提供自动警报，如错过刷牙或刷牙时间太短，也可以对长期习惯性缺陷做出提醒，比如象限覆盖不平衡和缺乏刷牙动作的一致性。这些警报和提醒可以通过使用历史刷牙数据和智能算法推荐生成并由数据处理系统发给家长和牙医。
跟踪器和数据接收器之间需要有可靠的连接才可以实现即时的数据传输和处理。在学习现有的智能牙刷产品中，我们发现所有的产品都是通过蓝牙与智能手机进行直接连接和配对，用智能手机作为数据的接收装置。这种设计有很多的局限性。首先，它不能保证数据传输的高可靠性。如果手机的主人不在附近或出差，跟踪器则不能及时将刷牙活动数据发送给接收方。只有当手机的主人返回并且在附近，刷牙数据才可以被下载。此外，这种系统设计对智能手机的蓝牙和应用程序的依赖度过高。如果用户禁用蓝牙、打开飞行模式或将移动应用程序关闭，或者应用程序被操作系统强制关闭(例如，在系统低内存,或者电量不足时),跟踪器与智能手机的通讯将被切断。而这时用户往往不知道数据连接通道已经被切断。类似的情况极大地影响了数据收集过程的及时性和整体可靠性，大大降低了产品的用户体验。此外，类似产品要求用户为多个牙刷重复设置，比如重复蓝牙配对过程。对于一般消费者来说，这即耗时又容易出错。再次，这种设计方法不可在距离上扩展，比如学校，医院等。牙刷和手机之间的物理距离可能会超出一般蓝牙设备和智能手机的通讯距离，这就意味着在不增加信号增益器或者传递器的前提下，此类产品无法扩展到更大的使用空间里。最后，父母和牙医未必希望他们的孩子把手机或平板电脑放在卫生间里，也不希望他们的孩子在早上或睡觉前刷牙前的第一件事是打开手机应用和蓝牙，以便追踪刷牙数据。基于这些设计考量，本发明认为基于蓝牙的手机应用程序来传输数据的设计是不够稳定的并且拥有非常大的局限性的。
为了克服这些缺点，本发明公开一种全新的系统设计，本发明系统设计中可以允许刷牙用户针对一个或多个牙刷添加任何数量的中继站，支持多个牙刷跟踪器与一个或多个数据接收器可靠的通信，而不需要在任何时候都有一个智能手机在附近。中继站可以直接支持牙刷追踪器与数据接收器之间的通讯，比如中继站可以是一个独立和专门的硬件，比如一个wi-fihub。中继站也可以被整合在其他组件或者装置里面，比如整合在家庭智能音箱里(如谷歌home和亚马逊echo),或者其他常见的物联网设备或装置里，比如智能摄像头、智能网关、智能电视、智能冰箱、智能洗衣机、智能汽车或者其他已经部署在家里的智能组件。这些组件已经配置了wi-fi和其他无线通讯功能的软硬件，可以额外的支持牙刷追踪器和数据接收器之间的通讯协议。因此，中继站的业务逻辑可以依附在此类组件或者装置上以软件形式实现，而不必设计成一个独立的设备。
为了使跟踪器变小，在优选实施例中，本系统使用一个单一的纽扣电池，如cr1616，为运动传感器供电。其他类似大小和容量的常用电池也可以使用。这些类型的电池通常在市场上容易购买并且价格较便宜。所使用的运动传感器具有低成本和高效率，运动传感器的输出可在向数据接收器发送前进行数据压缩。如果跟踪器不匹配压缩部件，也可以由运动传感器将原始数据发送到中继站后再由后者执行压缩。
在优选实施例中，通过设计最小化的跟踪器跟踪数据量、成本和功率，在跟踪器内可不进行任何复杂数据挖掘和/或分析算法。跟踪器只作为一个具有智能电源管理过程的数据采集器，在每次刷牙活动刚开始时打开和在刷牙活动结束时结束，并在数据上传后关闭。本发明希望尽量把计算和数据存储需求推向下游的节点，这种设计理念从根本上有别于领域里常见的“边缘计算”模式和iot(internetofthings，物联网)解决方案。设计的特征是除了数据压缩的预处理，任何复杂的数据处理、分析、确定、分类、学习、存储和预估都不需要在跟踪器里完成。因为任何的复杂的数据过滤、转型和分析必然需要更多跟踪器添加软硬件，并不可避免的提高成本、电池容量和尺寸。在一个实施例中，牙刷跟踪器不进行任何机器学习，模型校准。其功能仅仅限于用户刷牙数据的简单探测、压缩和收集。数据压缩在保证刷牙原始数据一定性噪比的情况下降低了对收发器内存的需求，减少了数据传输时间及传输功耗，同时也减少了后续数据处理量。此设计大大的降低了跟踪器的bom(billofmaterial，物料清单)成本，有效增加了电池寿命；更重要的是，它减小了跟踪器尺寸，从而极大的提升了用户体验和美观度。
当用户拿起牙刷刷牙时，固定在牙刷上的运动传感器产生牙刷运动数据时，经数据压缩器预处理后被转发到中继站上或者直接发送到数据接收器上。跟踪器中的数据收发器使用调制解调器和天线与中继站或者数据接收器进行通信。在中继站接收到数据后，可以选择在当前节点进行数据分析，或者是继续上传数据到远程的数据处理系统(云端服务器)进行分析。
当收到完整的动作数据后，数据处理系统可根据刷牙模型来评估这次动作是否来自一个真实的刷牙事件。系统可以通过模型进一步推算实际的刷牙动作整个动作数据流中的开始和结束时间，以及象限覆盖、刷牙手势的一致性、效率等各方面的指标。数据处理系统可以有不同的配置，例如，数据处理系统可以只使用单一的运动数据来源，例如从加速度计获取加速度数据，也可以使用复合传感器数据流比如重力加速计和陀螺，或者和磁场仪。数据处理系统中所用到的模型及其参数可以被调整，配置和不断优化，比如基于于处于不同年龄段的用户，左手或者右手拿牙刷的用户，电动牙刷或者手动牙刷等不同维度，数据处理系统可以基于上述维度对参数和模型进行调整与优化。
在优选的实施例中，跟踪器是防水和防尘的，并且可以方便的固定在不同类型的牙刷上和从牙刷上去掉。在各种实施例中，跟踪器的构成中除了上文提到的传感器和数据收发器，还包括外围设备，例如led、蜂鸣器、振动器或它们的任意组合。这些外围设备可以提醒用户刷牙时间是否足够，和/或象限覆盖是否完整等类似的用户希望满足的刷牙目标。
数据处理系统的另一个功能是发现异常事件并根据用户的要求和设置进行提醒。比如，当系统发现用户忘记刷牙，或者刷牙质量低的时候，通知用户、家长或者牙医。本发明的目标是利用即时的信息帮助儿童养成积极和可持续的健康口腔护理习惯。这些习惯的养成需要日积月累，而本发明可以测量每一次刷牙的质量并及时给出提醒和反馈。
另外，该系统允许被监控用户、家长和医生直接访问刷牙统计数据。被监控用户的刷牙开始时间、持续时间和质量指数以及刷牙历史等资料，可以通过智能扬声器背诵给观众，如通过亚马逊alexa、苹果siri和谷歌助理。与使用智能手机应用程序或个人计算机相比，此类查询的语音或语音接口更直观、更易获得。在一些实施例中，专用显示面板可以无线连接到本发明中的跟踪系统中，以显示最新的刷牙活动以及家庭中每个成员的分数。这种面板可以被方便地放置在一个共同的生活区，例如浴室或厨房。在那里，每个人都可以监测刷牙进展，并鼓励彼此随着时间的推移表现得更好。在某些实施例中，类似的数据或信息可以通过任何其他类型的显示或声音输出给观众，比如智能电视、带有显示和连接功能的家电产品，如智能手机、平板电脑、个人计算机(浏览器)和智能可穿戴产品，比如智能耳机、智能手表、智能汽车系统等一系列的面向用户的界面。
牙医和父母可以通过这些媒介方便地访问其病人和儿童的最新刷牙活动。系统可以提供组件来控制哪些数据可以被访问，哪些用户可以访问等隐私设置。在各种实施例中，面向用户的界面提供了每个刷牙活动的详细信息，以及在某些关键性能指标上每个用户随着时间的推移而取得的进展。该系统允许在传统智能手机和平板电脑接口之外增加数据可视化和通知接口。
在各种实施例中，所提出的系统的另一个新特征是被观测目标的刷牙质量社会排序。该系统可以允许儿童或家长指定其他儿童为“好友”。孩子们可以查看他们好友的刷牙活动、质量和分数。该系统使用比较器算法比较每个人的刷牙活动，并输出一个具有一组标准和时间间隔的排名列表。然后，家长和儿童可以获得排名结果并进行讨论。该设计有助于激励孩子们在好友和家庭中追求和保持更高的排名。在一个稍微不同的方面，在一个刷牙活动完成后，刷牙的数据可以与一组人群的模型进行比较。这种比较特别有助于衡量儿童在同龄年龄组、相似地理特征、社会经济特征的特定人群中的刷牙表现。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
1.刷牙数据采集具有高稳定性：本技术发明采用独立于手机应用程序的中继站进行数据采集和传输，不受手机操作系统长时间待机和应用程序后台运行不稳定性所造成的影响；手机可以不在追踪器旁。应用程序不必启动，但是不影响数据采集。
2.可同时支持多个用户和多个追踪器：不受手机蓝牙连接数量的限制和手机硬件配置对操作系统的限制，可同时采集来与多个追踪器的数据，追踪多个用户。
3.允许用户继续使用自己喜爱的牙刷：本技术中的跟踪器可固定在任何牙刷上，也可以方便的去除，用户可以随时更换牙刷和任意选择自己喜爱的牙刷品牌，牙刷大小与设计。
4.允许监控人、家长和牙医监督：本发明有效的发挥了互联网优势，允许家长、牙医、老师等多位监护人同时观测和监督孩子刷牙情况。每位观测人都可以独立的在自己的智能设备比如手机，平板电脑，pc浏览器上完成浏览。
5.单一传感器：本发明只需要最少一个运动传感器支持数据采集，省电、省空间、省造价。
6.全自动观测：本发明不需要被观测者做任何额外操作即可完成观测。系统自动判断刷牙时间的真伪，开启和结束时间，不需要被观测者打开手机应用或者触发按键等多余的动作。
7.可扩展计算：由于算法运行在远端，而不在跟踪器里，本发明支持扩展算法和机器学习与参数调整，允许更加复杂和计算量高的模型和计算方法，并方便支持不同用户使用不同的计算方法与模型。
8.可通过数据压缩在保证一定刷牙原始数据性噪比的情况下降低了传输数据量及功耗，并降低后续数据处理成本。
附图说明
图1a为本发明中跟踪器外部结构的主视图；
图1b为本发明中跟踪器外部结构的仰视图；
图2为本发明中跟踪器结构的剖面视图；
图3为本发明中跟踪器匹配到牙刷上的视图；
图4为本发明中跟踪器的功能结构组图；
图5为本发明中跟踪器激活外围提醒设备的方法流程图；
图6为本发明中跟踪器中货架模式的电路设计图；
图7为本发明中跟踪器牙刷耦合方式及结构固定示意图；
图8为本发明中跟踪器与中继站和服务器的数据传输示意图；
图9为本发明中数据处理系统中的刷牙区域分析判断方法流程图；
图10为本发明中跟踪器运动传感器数据x,y,z坐标转换后x',y',z'方向示意图；
图11为本发明中跟踪器中三轴重力加速仪捕获到并传输给数据处理系统的动作数据例图；
图12本发明中跟踪器中三轴重力加速仪捕获到并传输给数据处理系统，数据处理系统通过低通滤波得到的动作数据例图；
图13本发明中跟踪器中三轴重力加速仪捕获到并传输给数据处理系统，数据处理系统通过高通滤波得到的动作数据例图；
图14为本发明中刷牙区域分析算法中x'轴与重力矢量在x'z'平面上投影角度theta与时间的图像；
图15为本发明中刷牙区域分析算法中滑动窗口内投影角度theta最大值与最小值之差与时间的图像；
图16为本发明中刷牙区域分析算法中滑动窗口内theta变化率的极大值和极小值与时间的图像；
图17为本发明中刷牙区域分析算法中滑动窗口内动态幅度中值与时间的图像；
图18为本发明中刷牙区域分析算法中坐标转换的示意图；
图19为本发明中刷牙区域分析算法中投影角度theta定义示意图；
图20为本发明中刷牙区域分析算法中判断刷牙活动起始结束的示意图；
图21为本发明中刷牙区域分析算法中刷牙区域分割的示意图；
图22为本发明中刷牙区域分析算法中刷牙区域二次分割的示意图；
图23为本发明中通过处理高频信号判定的刷牙上下运动示意图；
图24为本发明中跟踪器和中继站，服务器之间的通信与配置流程图；
图25为本发明中服务器依据数据类型的读写速度要求使用不同的存储方案以及服务器应答来自不同客户端的需求命令的方法示意图；
图26为本发明牙医端观测控制台中被观测者列表界面的示意图；
图27为本发明牙医端观测控制台中被观测者具体信息界面的示意图；
图28为本发明牙医端观测控制台中一次刷牙信息界面的示意图。
具体实施方式
本发明概念的各个方面将在下面参照附图进行更充分的描述，其中示出了一些示例性实施例。然而，本发明概念可以以多种不同的形式体现，不应被解释为仅限于本文提出的示例性实施例。
据了解，虽然术语第一、第二等可以在这里用来描述各种元素，这些元素不应受到这些术语的限制。这些术语用于区分一个元素和另一个元素，但不用来限制元素的顺序。例如，第一个元素可以称为第二个元素，同样，第二个元素也可以称为第一个元素，而不偏离本发明的范围。如本文所用，“和/或”一词包括一个或多个相关清单项目的任何和所有组合。术语“或”不是在排他性或意义上使用的，而是在包容性或意义上使用的。
可以理解的是，当一个元素被称为“连接”或“耦合”到另一个元素时，它可以直接连接或连接或耦合到另一个元素，也可以存在中间元素。相反，当一个元素被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元素时，不存在中间元素。用来描述元素之间关系的其他词应该以类似的方式解释(例如，“之间”与“直接之间”、“相邻”与“直接相邻”等。)。
这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不用于限制本发明。除非上下文另有明确说明，本文中未限定数量的名词均可以表示为一个或多个。进一步的理解是，“包括”在此处使用时，应具体说明存在所述的特征、步骤、操作、要素和/或组成部分，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、步骤、操作、要素、组成部分和/或组成部分。
只要功能特征、操作和/或步骤在此处描述，或以其他方式理解为包含在本发明概念的各种实施例中，这种功能特征、操作和/或步骤可以体现在功能块、单元、模块、操作和/或方法中。如果此类功能块、单元、模块、操作和/或方法包括计算机程序代码，则此类计算机程序代码可以存储在计算机可读介质中，例如由至少一个计算机处理器可执行的非短暂内存和媒体。示例流程图中所示的流程步骤在不偏离发明精神的基础上，可以按图示之外的顺序执行，如添加或删除步骤。
参考图1a、1b、2、3，跟踪器104可以是一个独立于牙刷的硬件，可组装和连接到牙刷110上，如牙刷手柄，也可以方便的取下来，便于更换，回收。在各种实施例中，跟踪器104的外壳100采用食品级塑料制成，防水防尘。外壳的形状可以是圆形、矩形或任何其他几何形状。外壳可以包括各种装饰性特征，如表情符号、名字、首字母、徽标、儿童人物、吉祥物等。这些外观设计和装饰亦可做在硅胶外壳100上(图2、3)，跟踪器可放在硅胶外壳里面。硅胶外壳可以用不同的颜色制作以及使用带有糖果、卡通图案，水果和花朵等的外观设计105。设计工艺可以使用比如滴胶工艺，能够使外观更加有层体感和立体感，并能够保证低造价。硅胶本身可以有香味，以满足孩子的感官喜好，并且可以跟图案设计所匹配。
跟踪器104里面的电子模组和元器件被装在其外壳中。在各种实施例中，外壳100设计至少有两种变体。在第一种变体中，整个外壳使用超声波焊接工艺在工厂密封，不能重新打开以进行电池更换。这个方向的产品设计需要跟踪器采用一次性使用的原则，用户可通过无线充电的方法对跟踪器充电。在另一种设计中，跟踪器具有用于有线充电的端口，或者，允许用户打开其底部面板进行电池更换。无论哪一种设计，跟踪器外壳都需要设计成小而薄，并且很容易安装在不同类型的牙刷上。
参见图4、5，跟踪器104的内部部件包括印刷电路板(pcb)、电池200、输入装置，如按钮210、数据收发器(包括无线调制解调器215、天线205)、数据压缩器230、多个运动传感器225。跟踪器还可以包括反馈装置220，如led、声音发生器(例如蜂鸣器)、振动器或这些设备及其驱动器的组合。
由于跟踪器104被固定到牙刷上，跟踪器104内部的运动传感器记录了牙刷被拿起使用时的运动，包括刷牙前期的准备过程，刷牙过程中，和后续清洁和存放的动作。
参考图3，当用户通过固定附件装置102将跟踪器104固定到牙刷上时，跟踪器104与牙刷的相对方向，角度和位置是已知的。数据处理系统后续可以利用参考坐标系和已知的相对位置将跟踪器的测量运动数据转化为牙刷的实际运动数据。图2展示了跟踪器的剖面视图，其中的装配间隙103可以是凹槽或切口的形式，它的作用是允许跟踪器被放入外壳100中，帮助固定跟踪器到牙刷的手柄或颈部上。装配间隙103的另一个设计目的是便于跟踪器里面的扬声器把声音传递出来。此装配间隙的朝向，形状，大小和数量是可以配置和调整的。
在优选的实施例中，为了最小化功耗，跟踪器104不对测量数据执行任何复杂的数据处理或分析，而是对传感器原始数据进行打包或者压缩，并将得到的数据发送给数据接收器进行进一步处理。在一些实施例中，跟踪器104一旦启动即可将每帧所采集到的运动数据发送出去。这种设计消除了闪存的需要，降低ram需求到常数。跟踪器104也可以缓冲多帧数据后再将他们一起发送到中继设备。同理，这种设计只需要对volatile类型的变量进行存储，而不需要跟踪器104中附加闪存。
参考图8，跟踪器中的无线天线205与中继站(或者直接与数据接收器)通信以进行数据传输。在各种实施例中，中继站可安装在跟踪器附近，并使用低功耗无线协议与跟踪器通信。中继站通过wi-fi或其他无线网络将数据转发到远程数据接收器和数据处理系统(例如服务器)进行分析和统计，从而减小本地计算要求。从数据处理系统(服务器)发送回跟踪器的指令包括参数匹配和控制，这些数据可通过中继站接收和中转。中继站无需配置独立处理单元，因为它不需要处理和分析大量数据。它的主要工作是将跟踪器采集的数据发送到数据处理系统。作为中继设备，它也不需要数据存储组件，接收到的运动传感器的输出可以实时转发到数据接收器,反方向亦然。如果需要，中继站可以配置为对数据进行压缩和加密。中继站可以同时服务多个追踪器。多个中继站也可以同时服务一个追踪器，以增加网络覆盖力。
在各种实施例中，为降低通信频带要求，运动数据可以被首先量化为int型数据。参见图4，此工作在数据压缩器230中完成。在使用3轴加速度计作为跟踪器104的运动传感器225的情况时，传感器225的输出用3元组表示，每个组表示沿x、y和z轴测量的加速度。每个测量单元可以配置可选择的量化步骤标度为2g/4g/8g/16g。根据运动变化率，数据压缩器230也可以选择适当增加量化步幅以降低输出信号的频带要求。为了保证牙刷运动姿态特征不淹没在如电动牙刷基带振动的噪声中，运动传感器225输出数据速率可以被配置为远高于识别刷牙姿态的频率。在类似实例中，运动传感器225输出数据速率取值可被配置为1620hz-数据压缩器230采用低通滤波技术如取算术平均将数据以10帧每秒输出，之后再由压缩器230进一步处理进行比特压缩，最后交由无线天线205发送给中继站。压缩方式可以选用无损压缩算法比如霍夫曼编码(huffmancoding),或者有损压缩法。此方法可以大大的降低传输数据的大小，更加省电和进一步降低传输中出现的错误，增加有效传输距离并降低系统后续的数据处理量。
在跟踪器104的实施例中，还包括一组用于用户反馈的外围设备220。外围设备可以包括led、振动器、蜂鸣器或它们之间的组合。基于接收到的实时数据，服务器可以发送命令到跟踪器104打开反馈外设。例如，当刷牙动作达到推荐的持续时间，或者检测到一些异常时，跟踪器的蜂鸣器可以打开。为了区分多个意图，可以使用不同的声音模式的蜂鸣器，闪烁模式的led，或振动模式的振动器，可以配置具有其表示的意图的特定模式的映射，并基于特定意图的异常或失败，以设定反馈的持续时间。跟踪器104不需要决定什么时候开启用户反馈外设，或者开启触发的判断。命令开启可以是由远程源确定并由跟踪器接收，以便减少跟踪器104的计算负担。本发明与现有技术的根本不同是减少了跟踪器内部的计算量，充分发挥了互联网的优势，把复杂的计算，决策和统计模型放在了服务器端，从而简化了跟踪器的大小。本设计中的跟踪器104只负责采集数据和监听服务器以启动外围设备220提醒用户。
在实施例中，用户反馈外围设备220也可以通过几个简单的器件在跟踪器本地打开，使用包括定时器、比较器、计数器和一些简单的电路。参见图5，在跟踪器104的实施例中，计时器305在感知初始运动300后开始。信号比较器315在刷牙活动期间连续监视来自加速度计输出的运动数据310。如果运动数据310中携带的运动信号在一个方向上的大小小于定义的阈值，则发送指令以增加计数器320。如果运动信号的大小大于定义的阈值，则发送指令重置计数器。当计数器325的值超过预定义的天花板阈值时，刷牙活动335已经结束，计数器被重置330。如果从开始刷牙的时间超过建议的刷牙持续时间，如2分钟，由时间比较器340决定，外围电路暂时打开扬声器345或其他的反馈设备以提供音频或视觉的反馈，并在rc电路控制延迟后关闭。运动信号的定义及其与阈值的比较可以在运动传感器输出矢量的单个分量上进行，也可以在不偏离主要概念的情况下对分量的数学组合上进行。
为了避免用户安装电池，电池可以在工厂内就安装在跟踪器104内。跟踪器104在仓库存放或运输中时，将被关闭电池电源以节省电量。跟踪器104可以用一个ldo(lowdropoutregulator，低压差线性稳压管)或晶体管来实现“货架模式”。图6展现了跟踪器中一种货架模式的电路设计图。在货架模式期间，电池电流只基于ldo的关机电流通过下拉电阻排出。在工厂，测试完成后，跟踪器被按下“货架模式”按钮。这将关闭进行功率保持的power_holdio信号以关闭ldo。当跟踪器104到达用户时，用户按下按钮一次，即打开ldo来启动跟踪器。一旦跟踪器打开，收发器将保持高电平的power_hold信号，以保持电源开启状态。此货架模式的集成可以大大提升电池寿命，并且易于产品的供应链和仓库管理。
在优选的实施例中，由于跟踪器是一个独立的硬件部件，因此它可以以多种不同的方式安装到牙刷上，用户可以根据自己的喜好选择哪种附件方法工作得最好。图7展示了几种不同的跟踪器与牙刷的耦合方式及固定方法。跟踪器可以绑在牙刷上，粘合，或在外壳的结构帮助下偶合于牙刷外壳上。固定的位置也可以由用户配置。跟踪器可连接到手柄、颈部、头部或作为牙刷的底座。这些附着方法适用于电动牙刷和手动牙刷。本产品可提供一个或者几个固定的方案和配套零件，用户根据自己的牙刷，具体情况，和个人使用偏好选择最好的固定方法和固定位置。
跟踪器通过一个可拉伸的松紧带102套在牙刷上以便固定，参见图3。该松紧带可以拉伸到不同的长度(周长)，以适应不同的牙刷柄或颈部直径。固定方法和样式可以采取不同的方案。比如，该松紧带102可直接连接在跟踪器104的外壳上。在这种方案中，可使用二次成型的工艺把硅胶带102固定在塑料壳104的底面。参见图1b和图2，在另一种实例中，一个一体式的硅胶外壳100可用来容纳和包装跟踪器104。硅胶外壳可以有一个“环”形状设计，扩展其身体与一个可伸缩的带102，以形成一个孔以便将牙刷110插入。在这种设计上，硅胶套100，表面装饰105，松紧带102和装配孔103可以用一个磨具做出来，比如使用软硬度合适的食品级硅胶材料。一个装配间隙103留在外壳的底部表面，以允许插入和定位跟踪器壳到硅胶外壳，并且允许蜂鸣器的声音传出。装配间隙也可以设计在跟踪器的上面、侧面，或者多个装配间隙以适应不同的跟踪器外壳形状，质地，和美观设计，安装的方便性和用户体验的优化。硅胶外壳可以用各种颜色制成，带有各种观赏特色。它的外表如表情符号、姓名、首字母、徽标、儿童人物、吉祥物等。硅胶盒可以有香味，如糖果，水果和花。
在其他实施例中，在不远离本设计思维主旨的前提下，跟踪器104和牙刷的偶合和固定也可以包括不是环形的附件结构，例如夹子和/或一次性或多次性粘性胶带或其他粘接方法、钩子、魔术贴、拉链、螺栓、卡扣、别针或者其他的结构设计和固定方式。
参见图7，在一个稍微不同的实施例中，在不偏离发明概念的精神的情况下，跟踪器104可以嵌入到一个由硅胶制成的圆柱体形状的套筒中，其中套筒可以安装在或接收牙刷的手柄上。套筒可以是薄的，并配置成具有良好的附着力与柔软的纹理。套筒也可以安装在不同的旋转手柄上。最后，可以将跟踪器104构建成牙刷基座。牙刷插入基座，并用摩擦或结构力学与基座固定。在所有这些设计示例中，附件选项被设计为易于操作，并在牙刷和跟踪器之间提供稳定的机械绑定。在各种实施例中，所述基座可以包括中继设备技术，即充当与远程数据接收器进行通信的中继设备。
优选地，参见图7，图3，所述跟踪器104、其外壳、套筒，固定方式和基座具有标记，以协助用户以正确的前后和上下方向，以及倾角将跟踪器固定在牙刷上。比如，跟踪器上面有一个小鸟的图案，此图案中的小鸟头部应该朝向刷头，以防止用户把传感器上下固定反。再比如，跟踪器的正面图案应该和刷头指向相同方向。由于跟踪器104和牙刷110的相对位置固定，并且跟踪器104和其中运动传感器225的相对位置，摆放角度已知，传感器225所输出的运动信号可以通过数学关系映射到牙刷本身的运动轨迹上。数据处理系统415可调用算法对数据进行处理和分析，从而把跟踪器测量的运动数据转换成为牙刷的实际动作轨迹。
在另一实施例中，跟踪器的功能组件可以直接嵌入到牙刷内。如果牙刷已经有了跟踪器所需的组件，则跟踪器和牙刷可以共享该组件，例如电池，运动传感器，天线，调制解调器等。当跟踪器被封装成一个模块并集成到电动牙刷中时，一些已经有的组件将可以被共用。在这种情况下，不需要冗余电池。如果用户外围设备，例如led、蜂鸣器或振动器已经包含在牙刷中，那么它们就可被用来与跟踪器共享，达到上面阐述的用户体验和最终产品功能。
基于以上讨论，在不偏移本发明精神的前提下，跟踪器与牙刷的连接亦可以照顾到用户对跟踪器进行组件更换或者定期保养的要求。例如：跟踪器的电池可以设计为可更换型。当电池需要更新时，用户可以把追踪器从牙刷上取下，打开外壳更换电池。电池也可以采取充电式，接入电线或通过无线充电续航电池。
在一种实施例中，跟踪器104的外壳被设计成可以再次打开和关闭，支持用户更换电池或者其他组件。外壳可以分为上下两部分，其上下壳之间采取螺纹旋转，卡扣，按压，多次粘接等工艺实现闭合。闭合方式的设计考虑到防水防尘以及一定的受力稳定性。比如防水胶带，或者橡胶环，u型圈等附件可以被使用在闭合处已达到防水防尘的要求。跟踪器104闭合后可被放置于硅胶外壳100之中，也可以不放，独立使用和固定在牙刷上。硅胶外壳本身有一定的延展伸缩性。通过装配孔103，用户可以方便的把跟踪器104放入硅胶套，或者从硅胶套里拿出。当用户需要更换电池时，可以轻易的拿出跟踪器104，打开其外壳，更换其中的电池和其他需要维护或者更换的组件比如扬声器，防水圈，防水胶条等。同理，用户可以根据外观喜好和使用磨损程度定期更换硅胶套100，并同时更新外观设计105。图8描述了跟踪器与数据处理部分的数据通信。跟踪器104,400采集牙刷的运动轨迹，并通过无线传输与数据接收器410通信。数据接收器一般来说部署在本地网络，也可能在云端，或在远程服务器或计算机上，或本地网络中的节点上。当数据接收器410部署在本地时，它可以直接通过无线通讯方法与跟踪器104实现交互。当数据接收器410部署在云端时，它和跟踪器的交互可通过一个或多个中继站405完成。跟踪器400与中继站405或数据接收器的无线通讯通过高效无线协议，如蓝牙le、zigbee、zwave或lora完成，保证能耗的优化。中继设备405可以由墙壁插座或其他类型的电源供电，如移动电源库，锂电池，或者干电池。它们可以连接本地wi-fi或lte蜂窝网络，或类似的网络访问远端服务，比如数据接收器410。一旦中继站405从跟踪器400接收数据，它将数据发送到数据接收器410，后者对数据进行处理。
除了接收和转发数据到跟踪器和从跟踪器发送外，中继设备上无需运行更多信号处理逻辑。多个中继站可以安装和配置为与跟踪器同步工作。一个中继站可以一次为多个跟踪器104提供数据传输服务。在一些实施例中，具有蓝牙功能的智能手机或平板电脑等装置可成为这种数据中继站的具体一种形式。但是，使用智能手机或平板电脑的限制是它对多个跟踪器的同时支持(取决于生产厂家和操作系统以及开发给开发者的api，蓝牙设备的最多配置数量)，处理多个跟踪器的平行处理能力，以及它的可靠性、连接范围。在实施例中，当智能手机或平板电脑用作中继设备时，数据流设计是不变的。智能设备不直接消耗和处理运动传感器的任何输出；相反，它们充当一个专用中继设备，将数据转发到远程数据重新用于加工。
中继站405和数据接收器410可对数据执行完整性检查，如数据包摘要digest和、校验和checksum。中继站也可以被配置成对跟踪器上传数据进行压缩或者加密。当刷牙活动的运动数据可用时，跟踪器通过无线连接向中继设备发送点对点或者广播数据，中继设备然后将数据转发到数据接收器/服务器415(亦称为数据处理引擎或附图中显示的服务器线程415)进行处理。如图8，中继和服务器之间的物理通信可以通过tcp/ip，如https或mqtt，或者任何类似的技术。在逻辑层通道，数据中包括时间戳、传感器id、中继设备id、序列号和/或一些辅助信息以及运动传感器的动作载荷数据。在各种实施例中，中继设备比较传感器id，检查此id是否与它负责管理的跟踪器相关联。由于多个中继站之间具有分布式属性，描述同一个刷牙活动的不同数据包可能通过不同的中继站到达服务器线程415，并可能在不同时间到达。服务器线程415需要在处理前忽略基于传感器id、中继id和时间戳的冗余数据包，并缓冲无序数据包，直到收集所有数据包为止。在各种实施例中，中继站中可采用重试逻辑，以防服务器415上数据接受或者处理失败，或者从跟踪器104收取信号失败。在这种情况下，中继站405将从跟踪器104再次下载数据并将其发送到服务器415再试一次。如果服务器415数据处理成功，会通知中继，这样中继站405就不会执行重复上传。
值得指出的是，中继站405并不一定是一个独立于跟踪器的设备，也不一定是一个独立的硬件设备，它甚至可以以软件的形式存在于其他硬件载体上。比如，中继站405可以与跟踪器合并成一个设备，它既进行动作采集又负责数据上报与数据接收器410通信。在这种优选方案中，中继站的逻辑功能被吸收到了跟踪器104里，将会与跟踪器104一起固定在用户的牙刷上。在另一种优选方案中，中继站405可以被集成在现有的智能设备中。比如整合在家庭智能音箱里(如谷歌home和亚马逊echo),或者其他常见的物联网设备或装置里，比如智能摄像头，智能网关，智能电视，智能冰箱，智能洗衣机或者其他已经部署在家里的智能组件。这些组件已经配置了wi-fi和其他无线通讯功能的软硬件，达到了本发明所需要的数据传输的要求，可以额外的支持牙刷追踪器104和数据接收器410之间的通讯协议。因此，中继站的业务逻辑可以依附在此类组件或者装置上以软件形式实现，而不必设计成一个独立的设备。
如果需要的话，跟踪器104和中继设备405之间的数据传输安全可以通过无线协议来保护，例如蓝牙配对，以及嵌入在协议和数据结构中的业务级别安全逻辑。中继和服务器之间的数据传输安全由基于x509证书的协议保证，如mqtt和标准的tls/ssl。中继站在启动工作状态时写入服务器ca证书，并且灌入唯一的工作证书和非对称安全密钥。在这两种条件满足的情况下，在这些协议中可实现机密、不可否认、新鲜度和可追溯等安全协议属性，以确保数据基于可识别的来源并且可靠地传输、交付可核查的数据，同时可以安全地减轻各种链接级攻击，如中间人攻击和复制粘贴攻击。本发明的安全协议不需要局限于各环节的通道加密，跟踪器104和服务器415可以执行点对点加密。
一个中继站可同时支持多个跟踪器。对于一个运动事件，一个跟踪器可能发出多个数据包(因为有的运动数据流长度大，而跟踪器有有限的内存)。中继站会把多个来自不同追踪器的数据包转发给服务器，服务器会开启一个新的线程415来处理每个数据包，并检查它的安全性和完整性。如果数据包所来自的刷牙事件(和跟踪器)信息已经完整积累，线程415会开始处理事件并计算刷牙质量。
值得指出的是，跟踪器104检测到任何动作都会把运动数据发出。跟踪器104会连续输出运动数据包，直到运动停止并在进入低功耗模式之前保持一定时间的空闲。
用户可以基于其账户注册多个中继站和跟踪器。服务器会把跟踪器的id通知到用户拥有的每个中继站。中继站收到新的跟踪器id后会记录在其ram里。当跟踪器尝试传递刷牙动作数据时，中继站会首先检查此跟踪器是否属于其监控对象之一，如果不是，中继站将拒绝为其上传数据服务。如果是，中继站和跟踪器建立安全连接并接收数据和处理数据上传。
在某种情形下，一个刷牙事件的数据不一定同时到达数据接收器410或者服务器415，由于数据传输的异步可能，服务器415会创建一个新的线程来处理每个数据包报告。服务器线程首先将每个运动数据包保存到数据库中。然后，服务器线程检查其手中是否有与此刷牙事件相同的所有的数据包，并通过摘要验证数据包完整性。在优选方案中，追踪器在生成数据包时分配其一个索引计数指针。索引计数器是单调增加的。跟踪器还添加一个标志，指示此数据包是本次动作的第几个数据包。结合数据包索引和数据包排名，服务器415可以将单次刷牙活动的多个数据包组成一个完整的事件包。然后将事件的整体数据发送到数据处理系统进行分析和后续处理。这些处理和系统设计是必须的，他们解决了在大型iot分布系统中的数据传输的不确定性，数据错位，丢包与重试的系统要求。提升了整个系统的稳定性、安全性和用户体验。
当服务器接收到描述刷牙事件的完整数据后，服务器415对数据进行处理并分析刷牙的性能指标。在各种实施例中，所述数据处理引擎位于服务器中，其包括预处理单元、刷牙事件真伪检测器、象限分析仪和质量打分系统。数据处理引擎通常部署在云端，比如是图8中服务器线程415的一部分，但也可以直接部署在数据接收器后面。由于数据接收器可以部署在跟踪器本地(中继站的一种特例)，数据处理引擎也可以部署在本地。当数据处理引擎从跟踪器收到动作数据后，它对数据进行分析，存储和反馈，所述反馈包括通知跟踪器的外围设备220向用户发送提醒和其他通知，以及进行模型运算。
预处理单元的作用是将原始刷牙数据转换为一种可用于算法分析的格式。它从原始刷牙数据中筛选出所有的异常值和明显的观测误差。在实现中，预处理器可应用巴特沃斯滤波器(butterworth)从原始数据中消除不相关的噪声。因为电动牙刷的基带变化，滤波器有必要将用户的刷牙运动信号与基带振动分开。同样的滤波技术可以应用于手动牙刷，在不改变信号方向的情况下，过滤出移动牙刷产生的信号频率相同的波段。这些过滤器的波段阈值取决于牙刷品牌，个人用户的习惯性行为；允许用户在预处理单元中进行配置，也可以由系统通过机器学习的方式自动调整和优化。一个低通滤波器的输出帮助排除基带震动，得到的数据集可以用于手势识别。低通滤波器对加速度计输出的结果是方向随时间的变化。而动作信号的高频分量可用于分析刷牙手势和动作的一致性和突变性，例如，突变的动作可以识别出象限的改变，因此基于高频分量获得的处理数据可以用于象限分析器对刷牙数据进一步进行分析。原始数据的其他转换可以从原始加速度数据或使用类似概念的9轴陀螺仪进行预处理。也可以使用其他的运动传感器，比如磁场指南针等。
由于跟踪器104被附接到牙刷上，所以牙刷的任何运动都会被记录下来，并被报告给跟踪系统服务器进行分析。在电动牙刷产品里，刷牙的开始和结束可以很容易地从开关电源的状态来确定。而在跟踪器捕捉的信号里，并不是所有的动作都与刷牙活动有关。比如一位用户拿起了牙刷，移动了一下，没有刷牙又放了回去。他的动作持续了一段时间，也会产生动作数据。在本发明中，刷牙事件真伪检测器被用来消除与任何实际刷牙事件或活动无关的手势和动作。
在优选实例中，刷牙事件真伪检测器包括若干比较器和一个基于规则的决策树算法。真伪检测器首先从刷牙动作数据流中寻找动作开始和结束的索引。如图9所示,第一比较器将运动信号的高频分量，即高通数据704与校准的阈值进行比较。一个计数器被用来累计符合阈值的秒数。计数器被配置为滚动窗口工作模式。如果计数器对窗口的记录高于校准阈值，则检测刷牙活动的开始。第二比较器比较滚动窗口中频率低于阈值的秒数。如果秒数低，则减小计数器值。如果状态机的状态是活动开始而计数器值低于滚动窗口的定义值，则判断事件结束。因此，刷牙活动的持续时间等于结束索引减去开始索引，然后除以样本率。
刷牙事件真伪检测器可以使用一个规则集(ruleset)以确定此段动作数据是否来自真实的刷牙活动。在一个优选方案中这个规则集可以包含最低刷牙时长的标准，实际刷牙时间和动作总长度的比例，以及动作期间牙刷翻转的次数等。高比例表明高有效性，而低的比例表明这不是来自实际的刷牙活动。其中，牙刷翻转的次数，代表了不同口腔区域之间的转换总数。较低的翻转次数降低了刷牙动作的可能性。牙刷的翻转次数可以通过低通数据703获得。图9中，低通数据被用于计算“重力”在矢量x’z’平面与x’轴的夹角theta(705)。其中，x’y’z’的定义参见图10。而滑动窗口中的最大theta与最小theta之差706表示了在此段时间内的翻转角度。通过比较器，如果翻转角度大于某阈值，牙刷翻转的动作即被确认，其相对应的累加器加一。
基于规则的决策树可以有多种实现和设计，例如使用其他指标或者属性的其他数据形式，如移动速度、频率、标准偏差等以确定此动作数据集是否来自真实的刷牙行为，或者仅仅是孩子们从抽屉里拿出牙刷或在空中挥动。具体的属性选择和阈值定义不妨碍本发明的主旨。
在数据处理引擎中，象限分析器是数据处理引擎的一部分。象限分析估算用户在口腔各个部位中的时间百分比，比如口腔可以划分为外左，外右，内左，内右等“象限”。它使用一种基于启发式的(heuristics-based)a-star搜索算法来确定牙刷在象限中的最佳过渡路径和轨迹。
质量打分系统负责给刷牙动作数据打分。在优选案例中，此系统可以使用确定算法(deterministic)和若干指标给总体刷牙事件打分。此系统的输出可以是一个评价，比如好中差；或者是一个分数，比如百分比，或者同龄人中的排名比例。系统的打分指标包括但不限于动作持续时间、实际刷牙时间、动作的一致性(矢量方差)、每个象限的覆盖比例、牙刷上下和左右移动的时间比例、象限之间的转换次数、动作中的空闲时间等。质量打分系统可以为每一个刷牙事件打分，并记录结果。随着时间的推移，系统对用户可以积累一个总体得分。另外系统也可以对每个指标分别打分和进行时间追踪，统计并计算每个指标随时间的变化，并与相似年龄组和地理特征的其他用户或者用户群体进行比较。下面我们对数据处理和分析做实例描述。这些实例描述是基于3轴的重力加速仪为传感器产生的动作数据。而所描述的方法，概念，数据处理引擎的设计和发明主旨可以套用在其他的传感器和多个传感器组合的动作数据流上。
原始运动数据700(见图9，图11)是由运动传感器225记录的的原始x、y、z数据。由于跟踪器与牙刷固定位置连接，运动传感器225固定在跟踪器内部，运动传感器固定在牙刷110上。根据数据处理701方法，以g(重力单位)为数据单元，使用坐标转换702将原始数据xyz转换为平行于牙刷毛方向的z′、沿牙刷柄的y′及垂直于y′,z′平面的x′的数据，参见图10。
并且，如果原始x、y、z坐标系在x轴上旋转θ1，y轴上旋转θ2，z轴上旋转θ3，得到一个新的坐标系x′,y′,z′，则数据转换公式，参见图18，为：
如果y轴运动传感器225与牙刷110的y′方向几乎相同，则不需要进行坐标转换。同样，若x与x′方向几乎相同，z与z′方向几乎相同，不需转换。
接下来，数据处理引擎对x′,y′,z′进行低通滤波703(即运动数据在x′,y′,z′轴上的低频信号，示例见图12中803)和高通滤波704(即运动数据的在x′,y′,z′轴上高频信号，示例见图13中804)。通过检查与实践测试，刷牙动作低通滤波器的频率范围可以控制在(0hz,0.4hz)的区间。高通刷牙滤波器的频率范围可以控制在4hz或以上。滤波器的采样率可以默认为10。经过测试后也可以使用其他形式和参数界限的滤波方法。
图9的示例展示了bessel低通/高通滤波器从x′,y′,z′数据得到低通数据703和高通数据704，以及后续判断起始，结束和象限比例分配的流程。下面我们展开讨论一些细节。
系统在低通数据703的基础上，对其x′轴与重力矢量在x′、z′平面上的投影的角度theta做分区处理，其每个区域分别对准牙齿的某个区域。图19给出了theta的计算公式。图14中805具体展现了刷牙区域分析算法中捕捉到的传感器x′轴与重力矢量在x′、z′平面上的投影的角度随时间的变化，其值域在0到360度。theta表示牙刷柄绕y′轴旋转的角度，而theta的值随时间的变化体现了刷牙中牙刷头在不同时间对准了不同牙齿区域。
数据处理系统建立一个滑动窗口，并在时间轴上进行从小到大的遍历。滑动窗口的长度可以调节，比如10个样本长度。在每一个滑动窗口之中，从706得到矢量夹角theta最大值与最小值之差。图15使用了图14中的theta数据，展现了在滑动窗口遍历后得到theta最大值与最小值只差。在图9的706中，系统设置10为滑动窗口大小,它也是示例中原始运动数据的输出数据帧速率。从高通数据x′,y′,z′704中系统得到滑动窗口内高通数据的一些统计数据，包括动态幅度的中值(示例见图17808)。动态幅度值是高通数据x′,y′,z′平方和的平方根。
709通过从706，708的输出进一步判断刷牙动作的真伪，以及开始和结束时间。其中，706的输出代表了刷牙时牙刷在不同口腔区域之间的移动次数，比如从外面换到里面，或者从下面的牙齿换到上面的牙齿，每一次转换都有一个相对的theta角度变化。通过在滑动窗口中theta角度变化超过阈值的计数，系统可以估计牙刷在不同口腔区域之间的移动次数。708的输出帮助系统了解用户什么时候开始及结束刷牙。如果708中的动态幅度的中值在一段时间内较高，用户刷牙的行为就会被推断为开始，709将更新自我状态机为刷牙开始。在进入刷牙状态后，若708中的动态幅度的中值在一段时间内较小，系统判断刷牙停止。
高通数据704可以被用于识别和确认牙刷上下移动分量的简谐运动。图23812展示了高频信号中涵盖的牙刷上下移动信息。当牙刷进行上下移动时，y′的振幅相对小于x′上的振幅。在滑动窗口中系统可以利用这些数据对y′轴和x′轴的中值振幅进行比较。在709中帮助确定以及优化刷牙起始到结束的时间。
系统在判断出刷牙的动作有效性和推算出开始和结束时间后，通过710计算和分割刷牙覆盖区域。区域覆盖可以通过theta在360度的分布图来估算。其中，360度的值域可以映射到牙齿的几个区域当中，比如8区域分布：左外上，做外下，右外上，右外下，左内下，左内上，右内下，右内上。用户在刷某一个特定区域的牙时，牙刷会保持相对固定的theta值，当用户停留在此区域时，绕牙刷柄(y′轴)旋转角度变化相对减小。在710中，系统根据706，707的值初次分割刷牙的区域，当706输出的theta最大值与最小值之差超过一定阈值时，我们确定其为不同刷牙区域的分割点。算法以此遍历时间轴，通过对分割点的识别系统得到不同的刷牙区域并对705中角度数据处理得到区域统计数据。
在下一步中，系统根据分割点继续微调刷牙的起始结束时间。譬如，最后一个分割点离刷牙结束时间很短，系统在这种情况下可以调整刷牙结束时间到最后一个分割点。图21展示了刷牙区域分析算法中刷牙区域分割的一个实例810。
当710获得了首轮刷牙象限区域的分配以及开始与结束的时间。处理模块711可以对刷牙区域分析进行二次分割和优化。在各种优选实例中，710可以将某区域再次分割为两部分，见图22。711首先对这些需要再次分割的区域进行特征识别。比如，虽然theta值变化小，但滑动窗口中动态数据x′,y′的中值显著不同，因此711可以把这个区域再次划分为两段不同的区域。711对二次分割好的各区域取其低通数据、高通数据、theta角度进行二次统计，并通过静态归类将数据分配给可能的口腔区域，譬如再次分配给口腔中的8个区域。
值得指出的是，711在二次分割的过程中也可以有选择的通过排除法(pruning)剔除错误的区域判断，进一步提高判断的准确性。此方法有多种实现，本发明具体讨论两种实例。第一种剔除方法基于区域转化概率，剔除低概率的转化事件。如果判断里某一个变化的前后区域连接的可能性低，那么此区域转化和区域的划分可以被视为无效。例如，两相邻区域，前面区域的theta均值为150(度)，后面区域的均值为55度，这样的旋转变化意味着用户在刷牙中从左外转到换到了左内下，而此动作不属于用户的常规习惯，因此这种区域的变更可以排除在外。第二种剔除方法要求转化动作过程中系统必须识别某些必要特征。比如，当刷牙从口腔左外区域转到右外区域，由于大部分用户会伴随一个翻手腕的动作，theta角度会减小且低通数据y′会有一个相对的下降然后马上上升的图像。而刷左侧或刷右侧时，高通数据的统计数据可能有不同。711可以根据theta角度的时间变化图像，外加高，低通数据的时间变化，识别区域转化瞬间的必要特征。如果特征缺失，711可以拒绝原始的区域转换判断。
系统可以存储个人刷牙习惯大数据，积累数月甚至数年的样本数据，也可以通过大量群体刷牙的低通数据、高通数据或theta角度和前述分割区域转化特征作为样本，外加用户提供的真伪陈述，以ai和机器人学习的算法优化识别区域分析，提升准确性和减少错误分割的判断，达到用的越多，识别准确性越高的效果。
当生成代表刷牙活动的运动数据并将其发送到跟踪服务器进行处理时，服务器识别数据的来源，并将性能数据存储在特定用户下。用户识别可以使用帐户，并通过在中继站和跟踪器的设置期间的配对过程来实现。
图24描述了跟踪器和中继站与服务器之间的通信安全协议，包括安全的添加跟踪器和删除跟踪器。在优选实例中，每个帐户500被标识为电子邮件(也可以是微信账号，手机号码等)，它们用于注册刷牙监控服务。一个帐户下可以有多个用户，例如多个孩子和父母，他们每个人都是一个独立的刷牙用户。每个用户都可以与不同的跟踪器id相关联。在配置中继站设置期间，用户使用智能手机应用程序通知中继站用户的帐户电子邮件，以及wi-fi的(或其他连接选项)连接密码。然后中继站505连接到选定的wi-fi或者其他连接服务，并通过服务器进行注册。服务器510查找用户帐户下的所有跟踪器，通过数据库515，并通过安全连接向中继站505发送所有账户名下跟踪器id的签名列表。中继站验证下发列表的电子签名，并且检查服务器的ca证书是否与此签名相关。从这一刻开始，中继将只响应来自该列表中的跟踪器的数据通信。当用户删除跟踪器或添加跟踪器时，服务器会下发更新后(删除跟踪器后)的列表，并且附上电子签名。中继站在验证后对其认可的列表进行调整。
当具有未知id的新跟踪器请求数据通信时，中继设备首先检查跟踪器射频信号的rssi，以确定跟踪器是否在附近。如果跟踪器在附近，则中继设备试图通过与中继设备相关的用户帐户向服务器自动注册跟踪器。如果注册成功，则在中继设备的维护列表中添加一个新的跟踪器，并将更新的列表发回中继设备进行监控。在此优选的实施例中，注册新的跟踪器可以在不需要智能手机应用程序的情况下进行。添加跟踪器时也不需要用户使用手机配对蓝牙。这样的设计将会更加的直观。用户只需要按下跟踪器的按钮，把它从“货架模式”中激活。当跟踪器开始广播时，中继设备在后台无缝完成注册，跟踪器随即准备好监控刷牙活动。此设计中用户只需要第一次把中继站通过手机配置完成。以后的跟踪器添加只需要用户按键激活，无需再通过手机app。
本发明允许为每一个用户创建一个属性文件，并将每个跟踪器id与此属性文件id相关联。随着时间的推移，系统允许同一用户注册多个跟踪器时(旧的跟踪器电池用完，换了一个新的跟踪器)。在这种情况下，用户的属性文件保留不变，但在不同的时间段用户属性可与不同的跟踪器id相关联。这样的设计保证了用户的属性可以一直被更新，而用户可以灵活的添加和删除某一个跟踪器硬件。
一个帐户(email,微信号，手机号)可以拥有多个用户属性文件。例如，主帐户可以有两个用户，一个儿子，一个女儿，所以有两个不同的属性配置文件。属性文件可以包括孩子的姓名、年龄组、性别、牙刷类型(手动或电动)，以及通知和提醒首选项等其他附加信息。在使用智能手机/平板应用程序进行注册和配置时，跟踪器可以与某个用户的属性文件相关联。数据处理引擎可以访问包含跟踪器id和属性文件id之间映射的数据库。通过此映射，引擎可以以属性文件id或跟踪器id做搜索。
该系统提供用户界面ui给父母访问，并可以通过一个或多个方便的接口向牙医提供关于刷牙活动和进展细节的访问和/或信息。刷牙质量结果是多视角的，包括当前和历史刷牙的宏观性能指标，以及它们的时间序列进展，例如，在各种实施例中给出的在类似的社会地理人口中、在定义的成员组中的排名，以及某此次刷牙的具体微观信息，如时间，长度，质量等数据。
在界面设计的一个实施例中，通过包括智能语音扬声器、智能手机、平板电脑、智能耳机，电视机，专用显示器、数据库、电子邮件、短信和/或基于网络的浏览器、仪表板在内的多种渠道，可以将刷牙数据检索、编译和交付给家长，并可选择地交付给牙医。接口可以是交互式的。用户可以发送数据查询要求并且获得结果展示。查询结果可以递交到服务器的api接口。服务器从其主、次数据存储中检索数据并构造结果。然后将结果传递到要呈现给用户的接口。图25展现了服务器应答来自不同客户端的需求。
为了方便快速响应，服务器600可能需要使用不同的存储技术存储数据。一些数据，如移动原始数据，需要较大的存储空间，通常使用其主要密钥(primarykey)进行检索。这种类型的数据适合存储在文件系统中，例如大数据存储器615。移动和web应用程序经常查询的用户配置文件的性能索引等数据存储在具有多维索引的高性能的sql数据库中，例如分布式数据库(dynamodb)605。数据，如跟踪器id、中继id、配置文件id及其映射，需要实时查找，因为频繁索引而且搜索量巨大，可存储在内存中的数据库(或使用缓存)610，以减少延迟和增加输出率。
在接口和服务器之间交换查询和查询结果时，实现数据安全，以确保底层消息的保密性和真实性。在传输层，系统使用双向ssl和/或tls来确保传输中的数据安全。应用程序级用户身份验证可以使用发行和补充访问令牌和承载令牌来实现，例如在oauth2和awscognito中。
在一个方面，该系统集成了智能家庭扬声器系统620，以允许查询结果和报告刷牙活动的性能指标。与“技能”相关的关键字可以在智能扬声器提供商注册，如亚马逊alexa。然后，用户可以调用查询并使用语音与系统交互。在查询语音期间，操作和查询内容由智能扬声器接收和解析，然后将查询的意图发送到服务器进行处理。系统通过智能音箱提供商的接口实现查询结果返回，然后，结果可以由智能扬声器输出。
在各种实施例中，该系统允许用户使用运行在智能手机或平板电脑625上的智能应用程序app来查询刷牙指标和记录的细节。该应用程序旨在与服务器通信，以便在用户登录其帐户后检索基于帐户的信息。
在一些实施例中，系统还可以包括使用专用的，永久的数字显示面板630，用于用数据和图形显示最近刷牙活动的分数和细节。这个永久的数字显示面板可以放置在浴室或一个共同的生活区，家庭成员可以查看对方的分数，并教育和鼓励对方更好的刷牙。数字显示器使用wi-fi或ltecelular与跟踪服务器连接。它可以是电池供电，也可以通过外部电源或适配器的电线。面板被配置为可实现帐户登录。这可以通过使用外部电线和输入设备或通过其触摸屏和软键盘来完成。永久显示器最好是防水和防尘，特别是如果它位于刷牙区域。
显示面板可配置为支持显示刷牙数据和历史统计的一系列样式。用户可以配置面板选择要显示哪些性能指标，要显示哪些配置文件，以及刷牙活动的详细信息及其对应的显示选项。在专用显示器上运行的软件可以无线更新，也可以通过通信线缆进行更新。
基于网络的仪表板或浏览器635可用于家长和牙医查看刷牙数据和进度。图26提供了一个牙医端观测控制台的实例。仪表板可以对一组用户进行数据审查和观测。父母和牙医可以看到选定用户群体的统计数据，以及所有用户的列表和个人跟踪会话的详细信息。每个会话的日历视图显示刷牙活动的详细信息，也可以基于进度和趋势为用户配置文件报告。
在各种实施例中，本系统提供的特征之一是对不同的刷牙性能指标进行排序，以便观察者方便的浏览信息。图27提供了一个牙医端观测控制台中被观测者具体信息界面的示意图。图28提供了一个牙医端观测控制台中一次刷牙信息界面的示意图。观察者可以选择按用户的总体刷牙分数排序，或者按照某一项刷牙属性或一组属性对用户列表进行分数排序。用户需要首先给观测者浏览刷牙数据的权限。此步骤由用户所在的账户代理完成。这种请求可以使用上述任何接口启动，例如通过语音、移动应用app或带有交互式触摸屏的专用永久显示器。
在各种实施例中，服务器允许根据排序标准设置警报。例如，如果某用户在一个地理区域的当前年龄组中的整体口腔卫生排名下降到90％以下时，观测者，比如账户持有人(父母)可以选择收到警报，该警报可以是对移动设备的推送通知、短信、电话、在线仪表板中呈现的javascript脚本通知或通过智能扬声器系统传递的基于语音的交互和警报。警报可以发送给多个观测者，包括父母和/或孩子。
用户可以选择让服务器发送通知，报告每一次刷牙的质量数据。此通知可以以不同的方式通知给账户拥有者，牙医和其他人，比如通过手机推送，通知推送,手机短信，email等。牙医也可以对用户和账户拥有者的设置进行调整，包括开启和关闭推送，接收通知者名单，通知媒介。同理，当用户漏刷牙的时候，警告可以发送到同样的管理者名单里。观测者可以设置一个时间，每天到达这个时间的时候如果发现还没有刷牙(比如在这个时间点之前3小时内的时间段没有收到有效刷牙事件)，警报可以以上述的某种形式发出。系统将允许时间点设置为每天一个或几个，或者未来的某个时间。
在实施例中，该系统允许家长和孩子设置定制的奖励程序。父母和孩子可以定义一个要达到的目标和相应的奖励。该系统存储目标和奖励定义，并充当追踪系统。观测者和用户都可以用本系统浏览进度和积累的成绩。
例如，奖励目标的定义可以包含简单的标准，例如每天刷两次牙。它也可能是一个更复杂的定义，如每天刷两次，并在过去一周每次都实现2分钟的全象限覆盖。家长可以指定系统何时根据记录验证目标是否实现。在验证过程中，系统检查存储在其数据库中的刷牙数据，并通知观测者和用户和牙医是否达到了这样的目标。奖励可以与目标定义一起定义和存储。如果一个目标得到实现，观测者和用户就会被告知该状态，这可以以任何一种方式显示或输出。如果没有达到目标，系统将解释为什么记录不符合标准。观测者可以通过系统支持的任何一个接口指定一个目标并从系统中获得结果，例如通过智能手机应用程序、智能扬声器查询或通过上文所述的专用显示面板。同样，用户和牙医可以配置他们想要如何呈现结果和报告。观测者可以指定一个“离开模式”，例如他们去度假没有跟踪器时。当启用“离开模式”时，缺失的刷牙不会对配置文件的分数产生负面影响，也不会被包括在缺失期间的性能计算中。
在各种实施例中，系统跟踪包括每个跟踪器记录刷牙的时间和次数。当安装跟踪器并连接到牙刷时，此计时器和计数器将被重置。当测量的刷牙次数或累计持续时间超过推荐条件时，系统可以通过电子邮件、短信、移动推送通知或智能扬声器通知用户更换牙刷或牙刷头。在各种实施例中，系统可以被配置成自动触发购买新的牙刷和牙刷头。如果跟踪器需要更换，例如，需要充电，或电池需要更换，系统还可以启动新的订单来替换跟踪器或跟踪器电池。当用户的信用卡信息被存储于系统文件中时，系统可以自动执行对信用卡的缴费并完成订单。
虽然本公开使用了父母监测儿童口腔护理的例子。本公开从本质上描述了一个远程监控技术堆栈，本发明中的技术方案也可用于成人和老年人。在这些用例中，家庭成员、护理界的成员，如护士、牙医和医生，可以监测病人的日常口腔护理活动。类似的概念支持通过多个接口交换查询和结果以扩展跟踪目标的支持对象。
刷牙和其他口腔护理活动的数据可用性，如牙线，漱口水，抗生素的使用可以帮助护士和医生更好地与牙科患者联络。这些数据还可以帮助保险公司为个人确定履约等级。使用本系统，保险公司可以根据算法和用户的刷牙历史记录来评估不同的人的得病概率，以此收取不同等级的保费，也可以在此发明基础上进行智能的溢价调整。如果一个人符合标准并经系统验证，还可以提供保费的折扣。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并不对其具体内容进行限制。尽管上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：在未脱离本发明精神和范围的前提下，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换。并且，任何修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。