基于多傳感器融合的智能穿戴設(shè)備

柯希垚 周皓冉 周鑫宇 吳伶錫

摘要：近年來，隨著高性能芯片和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使智能穿戴設(shè)備成了現(xiàn)實(shí)。這種設(shè)備高度集成多種傳感器用以收集數(shù)據(jù)，而后通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳至手機(jī)上，上位機(jī)將數(shù)據(jù)處理讓使用者可以實(shí)時獲取自己的運(yùn)動狀況和健康情況。本文在闡述了智能穿戴設(shè)備的相關(guān)概念、分類與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了智能穿戴設(shè)備基本方案、主要模塊的作用以及智能穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：老齡化、智能穿戴設(shè)備、傳感器

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）22-0151-02

我國已經(jīng)步入老齡化社會且老齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，老人健康問題成為當(dāng)今社會首要亟待解決的問題。大多數(shù)老人因為心腦血管疾病突發(fā)，搶救無效身亡，這也是平時對自己身體狀況的不了解所致。心腦血管由高血壓，高血脂，高血糖引起，這是國內(nèi)外研究員關(guān)注多年一直未攻破的難題。既然治療難題未共破，那我們可以將功夫花在預(yù)防上。目前智能穿戴設(shè)備花樣繁多，但是由于人們對智能穿戴設(shè)備的不了解導(dǎo)致其市場發(fā)展緩慢，目前人們使用最多的是腕帶或者腕表等單一的智能設(shè)備。針對以上問題，本文設(shè)計出了一種綜合檢測方案，可有效檢測心率，運(yùn)動狀態(tài)等，同時設(shè)計了基于SIM808的通信、定位報警系統(tǒng)，保證了使用者在發(fā)生意外情況以后能夠得到及時的幫助和治療。

1 智能穿戴設(shè)備的概念、分類與現(xiàn)狀

1.1 相關(guān)概念界定

智能穿戴設(shè)備概念：作為一個新興事物出現(xiàn)在市場上，這方面的概念還未明確提出。因此我們可理解為將電子芯片鑲嵌在衣服里的智能產(chǎn)品或者是直接穿戴的物品，它的特點(diǎn)是易攜帶、智能化、做工精細(xì)、多功能等，其功能大致可以概括為：心率檢測、檢測使用者運(yùn)動狀態(tài)和實(shí)時顯示身體狀況、報警求助等。

1.2 相關(guān)設(shè)備分類

根據(jù)佩戴位置的不同可分為以下幾類：（1）可在頭部佩戴的眼鏡、頭盔；（2）能穿戴在腳上的鞋子和襪子等；（3）可佩戴在手腕上的手表和護(hù)腕等；（4）穿在身上的T 恤背心和牛仔褲。但是由于材料的限制，智能穿戴設(shè)備發(fā)展緩慢，現(xiàn)在大多使用的是普通智能，一些更智能的產(chǎn)品還在努力研發(fā)中。

根據(jù)智能穿戴設(shè)備的技術(shù)特性和功能特點(diǎn)將其分為以下兩類：一類是將傳感器運(yùn)用到智能穿戴設(shè)備上，譬如，智能手環(huán)、手表等。它們主要是利用傳感器對使用者的健康相關(guān)的信息進(jìn)行檢測，然后通常與上位機(jī)設(shè)備進(jìn)行連接，用上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，然后通過顯示屏反饋給使用者；另一類則是人機(jī)互動類的智能穿戴設(shè)備，這一類智能穿戴設(shè)備不僅有傳感器的應(yīng)用，還可以支持人機(jī)交互技術(shù)，大大提高用戶體驗度。

1.3 現(xiàn)狀分析

自從智能手機(jī)問世以來，相應(yīng)的配件也逐漸興盛起來。各種智能設(shè)備相繼問世，但是大多數(shù)的設(shè)備有很大的局限性脫離手機(jī)無法使用。脫離手機(jī)能獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備仍處于起步初期，產(chǎn)品規(guī)模小，軟件和硬件缺乏通用標(biāo)準(zhǔn)，因此難以推廣，消費(fèi)市場冷淡。眾多廠商自2013年逐漸進(jìn)入該領(lǐng)域，手機(jī)操作系統(tǒng)兩巨頭安卓和蘋果，以及使用這兩系統(tǒng)的各個手機(jī)廠商，三星，華為，OPPO等積極投入到其中，先后推出智能眼鏡、智能手表、智能手環(huán)等產(chǎn)品。但是智能設(shè)備綜合檢測系統(tǒng)發(fā)展還處于非?；A(chǔ)的階段，仍有很大的發(fā)展空間。

2 智能穿戴設(shè)備方案及主要模塊介紹

本智能穿戴設(shè)備采用多傳感器融合，主要有檢測心率、運(yùn)動、摔倒報警等傳感器。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1：

2.1 光電式心率檢測模塊

光電式心率檢測器利用光的反射原理檢測心率，血液中氧氣和血紅蛋白的含量是會隨著心臟的跳動周期性變化的，于是我們將一束光打到組織里，同時開始間歇性檢測返回光強(qiáng)，對采集的數(shù)據(jù)運(yùn)用心率算法處理，其結(jié)果就是心率變化的反映。光電心率檢測器只需要單點(diǎn)測試，但是易受光線干擾，故我們使用運(yùn)動去除算法提高測量數(shù)據(jù)精度。

2.2 運(yùn)動檢測模塊

通過三軸加速度實(shí)時捕捉到的三個維度的各項數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波、峰谷檢測、時間差，判斷使用者的運(yùn)動狀態(tài)，我們設(shè)計出了運(yùn)動狀態(tài)綜合算法。在散步、慢跑等狀態(tài)下都能準(zhǔn)確的檢測出使用者的運(yùn)動狀態(tài)。

2.3 摔倒報警模塊

通過加速度傳感器來測取人體摔倒時三軸加速度信號，并送入嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行摔倒算法分析與處理，判斷人體活動狀態(tài)。如果檢測到有人體摔倒，系統(tǒng)通過GPS定位及GSM模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，將跌倒報警和定位信息發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)跌倒檢測與救助的功能。

2.4 通信模塊

通信部分采用近場通信和遠(yuǎn)程通信。近場通信采用藍(lán)牙通信技術(shù)，藍(lán)牙和使用者手機(jī)相連接，用于實(shí)時了解自己的身體狀況；遠(yuǎn)程通信采用GSM模塊，在報警模塊觸發(fā)后由報警模塊發(fā)送位置信息給家人，讓家人在第一時間知道情況，防止處理不及時導(dǎo)致使用者受到二次傷害。

2.5 電源模塊

智能穿戴設(shè)備本身較小，很難載大容量的電池，且智能穿戴設(shè)備一般會保持頻繁的計算和網(wǎng)絡(luò)通信，所以我們采用技術(shù)成熟的鋰電池，并且對鋰電池的體積和容量進(jìn)行了最優(yōu)化的設(shè)計。

3 智能穿戴設(shè)備主要功能與發(fā)展趨勢

各大廠商雖然都在搶占智能穿戴設(shè)備的市場，但目前市場上的產(chǎn)品形式單一，所以想在短期內(nèi)統(tǒng)一智能穿戴設(shè)備這一領(lǐng)域的市場是基本不可能的，因此可穿戴設(shè)備市場還有很大的發(fā)展空間。隨著人們對自身健康的重視，智能穿戴設(shè)備也將越來越受到人們的青睞，這也會讓更多的公司加入智能穿戴設(shè)備這一領(lǐng)域，從而促進(jìn)智能穿戴設(shè)備的多元化，從手表、腕帶和眼鏡到護(hù)膝、護(hù)腕、背心和帽子等；未來的智能穿戴設(shè)備的功能也將越來越趨于完善，智能設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)+相融合，讓智能家居與設(shè)備被聯(lián)動。隨著科技的發(fā)展，智能穿戴設(shè)備的成本將大大降低，這會促使智能穿戴設(shè)備加速占據(jù)市場。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】