旅游隨身健康終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃岑宇，蔡婷婷

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 機(jī)電工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，各種可穿戴智能健康終端逐漸走進(jìn)人們的生活，為人們提供日常的基本健康監(jiān)測(cè)。與此同時(shí)，旅游業(yè)蓬勃發(fā)展、亮點(diǎn)頻出。國(guó)內(nèi)游市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)，出境游市場(chǎng)持續(xù)較快發(fā)展，入境游市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超預(yù)期增長(zhǎng)?！?016年中國(guó)旅游業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，國(guó)內(nèi)旅游為44.4億人次，入境旅游為1.38億人次，中國(guó)公民出境旅游達(dá)1.22億人次[1]。旅游已成為大眾最普通的休閑方式?，F(xiàn)有的健康終端一般設(shè)計(jì)為根據(jù)生理參數(shù)異常信息及時(shí)調(diào)整旅行計(jì)劃或醫(yī)療計(jì)劃[2]，僅考慮了常規(guī)的人體健康指標(biāo)監(jiān)測(cè)，鮮有對(duì)外界環(huán)境的監(jiān)測(cè)，也未充分考慮用戶使用健康終端時(shí)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù)差異。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了一種旅游隨身健康終端，可以進(jìn)行生理監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合GPS模塊設(shè)計(jì)，為用戶提供相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測(cè)及預(yù)警服務(wù)。

1 整體組成

旅游隨身健康終端外形構(gòu)造為手環(huán)或手表狀，硬件模塊組成如圖1所示，包括中央處理模塊、傳感監(jiān)測(cè)模塊、觸摸屏模塊、音頻模塊、GPS模塊、通信模塊、電源模塊。其中，中央處理模塊分別與其他模塊連接以控制它們。中央處理模塊的主控MCU采用低功耗單片機(jī)ARM Cortex-M0內(nèi)核藍(lán)牙SOC。

圖1 整體硬件模塊組成

旅游隨身健康終端系統(tǒng)主要軟件功能模塊包括緊急呼叫模塊、語(yǔ)音服務(wù)模塊、通用功能模塊、智能功能模塊、人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、生理及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊?？梢詫?shí)現(xiàn)的主要功能：

1) 緊急呼叫。

2) 語(yǔ)音控制。

3) 通用功能：時(shí)間顯示、鬧鐘提醒、日程安排。

4) 智能功能：防丟功能和伙伴關(guān)系功能。

5) 實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶運(yùn)動(dòng)情況：運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(乘車、睡眠、靜坐、跑步、游泳、爬山、走路)、步數(shù)、里程、卡路里消耗。

6) 實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶生理狀況：心率、體溫。

7) 實(shí)時(shí)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)：紫外線強(qiáng)度、甲醛濃度、二手煙濃度、PM2.5指數(shù)。

2 硬件功能模塊

2.1 傳感監(jiān)測(cè)模塊

傳感監(jiān)測(cè)模塊包括生理監(jiān)測(cè)模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。

生理監(jiān)測(cè)模塊包括心率傳感器和溫度傳感器，二者均設(shè)置于用戶的手臂皮膚處。心率傳感器采用可穿戴設(shè)備上常用的心率測(cè)量方式——光電容積描記法(PPG)，手臂血管中的血液密度變化導(dǎo)致透光率的改變，光敏傳感器能夠承受手臂肌膚的反射光，感測(cè)光場(chǎng)強(qiáng)度的改變，并換算成心率。溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)用戶手臂體表的溫度(一般比身體實(shí)際溫度低5～10 ℃)變化。生理監(jiān)測(cè)模塊將采集到的用戶心率和溫度監(jiān)測(cè)信息傳送至中央處理模塊。

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊包括紫外線傳感器和空氣質(zhì)量傳感器，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括紫外線強(qiáng)度、涂料甲醛濃度、二手煙濃度[3]?？諝赓|(zhì)量傳感器為TGS8100。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊將上述監(jiān)測(cè)信息傳送至中央處理模塊。中央處理模塊通過(guò)手機(jī)APP等實(shí)時(shí)同步PM2.5指數(shù)。

人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊包括三軸加速度傳感器、陀螺測(cè)試儀、濕度傳感器。人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊將采集的信號(hào)傳送至中央處理模塊以判斷用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：乘車、睡眠、靜坐、跑步、游泳、爬山、走路等，此外，可實(shí)現(xiàn)步數(shù)、里程和卡路里消耗統(tǒng)計(jì)。

2.2 觸摸屏模塊

觸摸屏模塊用于相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示、接受用戶的輸入操作。顯示的內(nèi)容包括生理監(jiān)測(cè)(用戶的心率、溫度)、環(huán)境監(jiān)測(cè)(紫外線強(qiáng)度、涂料甲醛濃度、二手煙濃度、PM2.5指數(shù))、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)信息(步數(shù)、里程、卡路里消耗)、相關(guān)提示信息，用戶的輸入操作包括參數(shù)的設(shè)置、緊急呼叫等[4]。

2.3 音頻模塊

音頻模塊包括揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、DSP處理芯片(分別與揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)連接)。揚(yáng)聲器受中央處理模塊的控制，在必要時(shí)發(fā)出警報(bào)提示。DSP處理芯片對(duì)麥克風(fēng)傳輸來(lái)的音頻信號(hào)進(jìn)行編碼與解碼，并將處理后的音頻信號(hào)傳送至中央處理模塊，以便識(shí)別語(yǔ)音命令做出響應(yīng)。

2.4 GPS模塊

GPS模塊用于定位用戶的地理位置，并將信息傳送至中央處理模塊，以便中央處理模塊推送旅游信息、判斷用戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.5 通信模塊

通信模塊通過(guò)藍(lán)牙通信方式與用戶手機(jī)等便攜式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換[5]。

2.6 電源模塊

電源模塊采用太陽(yáng)能電池或可充電鋰電池，為以上各模塊供電。

3 軟件功能模塊

3.1 通用功能模塊

通用功能模塊包括時(shí)間顯示、鬧鐘提醒、日程安排。嵌入式系統(tǒng)采用時(shí)鐘芯片(RTC)/日歷芯片計(jì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致累積誤差，必須定期校準(zhǔn)。圖2為通用功能模塊實(shí)現(xiàn)的具體步驟。

圖2 通用功能模塊實(shí)現(xiàn)步驟

3.2 智能功能模塊

智能功能模塊包括防丟功能和伙伴關(guān)系功能，實(shí)現(xiàn)的具體步驟見(jiàn)圖3。在防丟和伙伴關(guān)系配置程序中將用戶的健康終端與其手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)。

在防丟功能模式下，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藍(lán)牙信號(hào)，判斷健康終端與本人隨身攜帶的手機(jī)之間的距離，如果超出預(yù)定范圍，則在觸摸屏上顯示警報(bào)信息，并調(diào)用音頻模塊中的揚(yáng)聲器發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)提示。根據(jù)GPS模塊獲取的地理位置信息推送相應(yīng)的旅游信息，主要有用戶當(dāng)前所在景區(qū)的地理位置、景點(diǎn)介紹、天氣預(yù)報(bào)、旅游注意事項(xiàng)等。

在伙伴關(guān)系功能模式下，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藍(lán)牙信號(hào)，判斷伙伴關(guān)系的成員之間的距離，如果超出預(yù)定范圍，則在觸摸屏上顯示警報(bào)信息，并調(diào)用音頻模塊中的揚(yáng)聲器發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)提示； 若有尋呼請(qǐng)求，伙伴關(guān)系成員之間還可以通話。

圖3 智能功能模塊實(shí)現(xiàn)步驟

3.3 生理及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

生理及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶生理狀況、環(huán)境質(zhì)量，判斷人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行合理預(yù)警[6]。利用生理監(jiān)測(cè)模塊采集用戶的心率和溫度信息，利用環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊采集紫外線強(qiáng)度、涂料甲醛濃度、二手煙濃度、中央處理模塊實(shí)時(shí)同步的PM2.5指數(shù)，通過(guò)觸摸屏顯示。任一個(gè)數(shù)據(jù)超出正常范圍，則通過(guò)觸摸屏顯示警報(bào)信息，并調(diào)用揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)提示。

3.4 緊急呼叫和語(yǔ)音服務(wù)模塊

緊急呼叫和語(yǔ)音服務(wù)模塊的啟動(dòng)均響應(yīng)于用戶的相應(yīng)輸入。緊急呼叫模塊可以調(diào)用通信模塊連接手機(jī)呼出緊急求助電話，語(yǔ)音服務(wù)模塊可以調(diào)用音頻模塊檢測(cè)用戶的語(yǔ)音輸入并執(zhí)行相應(yīng)的功能。

3.5 人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

人體運(yùn)動(dòng)狀況監(jiān)測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)判斷用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)。圖4為人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)的具體步驟。

圖4 人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)步驟

4 結(jié)束語(yǔ)

旅游隨身健康終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含常規(guī)人體健康指標(biāo)監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，并充分考慮用戶在使用健康終端時(shí)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù)差異，可以為用戶提供準(zhǔn)確的狀態(tài)判斷和預(yù)警服務(wù)。為保證信息采集的有效性和安全性，采集系統(tǒng)吸收先進(jìn)傳感器、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)的最新研究成果。由于采集信息數(shù)據(jù)量大，有效的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘方法成為日后研究的重點(diǎn)。