基于物聯(lián)網(wǎng)的高跟鞋智能健康系統(tǒng)研究與設(shè)計

王韋靖 倪坤宇

摘要：為緩解并消除由于長期穿高跟鞋而引發(fā)的一系列健康問題，本文擬依托于先進強大的科學(xué)技術(shù)以及發(fā)展日臻成熟的物聯(lián)網(wǎng)研制一套功能完善、性能可靠的高跟鞋智能健康系統(tǒng)，彌補當(dāng)前計步型智能鞋的不足。在今后發(fā)展中，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能鞋會變得愈來愈智能化、便捷化以及專業(yè)化，而這同時也是本研究的創(chuàng)新之處。

關(guān)鍵詞：調(diào)溫性;避障性;運動行為;傳感器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0144-02

0 引言

高跟鞋，性感的代名詞，它能夠提高女性魅力，同時也是彰顯女人審美和品味的重要標志物。于女人而言，高跟鞋并非不只是一雙鞋子，它是提升女人氣質(zhì)的重要法寶。

長時間穿高跟鞋會對人體健康產(chǎn)生較大威脅。在穿上高跟鞋之后，由于后腳跟處于抬起狀態(tài)，人體負重力線會發(fā)生較大變化，周身大部分重量會集中于前腳掌位置，容易引發(fā)槌狀趾。作為人的第二心臟，腳對人們的身體健康而言至關(guān)重要。在氣溫較低的時節(jié)穿高跟鞋，寒氣會侵入人體，不利于人體健康，若腳長期受寒，勢必會對腎功能產(chǎn)生較大危害，即便是年齡尚輕，也會出現(xiàn)顯著癥狀，譬如身體冰涼、無食欲等。從中醫(yī)角度而言，腳上分布著大量穴位，久而久之會引發(fā)痙攣性足痛趾等病癥，嚴重時，會對其他生理機能造成較大損傷，不利于人體健康。

人體運動行為信息采集可大體劃分為兩種：一種是圖像采集，另一種是傳感器采集。相較于前者來講，后者的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為投入少，對環(huán)境光線、硬件性能等要求相對較為寬松，并且設(shè)備功耗比較小。Hsu Y等人[1]通過不懈努力構(gòu)建了可穿戴慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)，慣性傳感器能夠以一種便捷高效的方式戴在腕部以及腳踝上，以此實現(xiàn)對各類運動信息的實時化、動態(tài)化、精準化采集;Ejupi A等學(xué)者[2]表示可在人們的頸部佩戴一個“吊墜”，以此實現(xiàn)對胸部區(qū)域氣壓、加速度等相關(guān)指標的精準化、高效化測量，該“吊墜”能夠及時敏感地感知人體重心變化;Hegde N等學(xué)者[3]共同研發(fā)了一款能夠兒童智能鞋，不僅能夠?qū)ι眢w運動情況進行精準測量，還能夠?qū)崟r掌握步態(tài)，除此之外，在鞋墊內(nèi)配置了一個微型壓力傳感器，同時，在鞋后跟的部位以外置的形式配置了盒體，該盒內(nèi)包含一個微型加速度傳感器。

強家輝等學(xué)者[4]在進行反復(fù)試驗之后研制出了一款靈敏的小型足底壓力采集裝置，在鞋墊上以科學(xué)合理的方式配置若干個微型壓力傳感器，其主要功能是實時精準地獲取足底壓力信息，不過安裝在鞋后跟部位的電路占用的空間比較大;宦若虹等學(xué)者[5]依托于先進的信息技術(shù)直接借助手機中的慣性傳感器實現(xiàn)對人體運行信息的精準化、動態(tài)化、持續(xù)化采集。以上通過傳感器采集運動信息的策略基本上都存在著佩戴麻煩、無法采集多元信息等問題。

高跟能夠瞬間提高人的氣質(zhì)，也能夠增強人的魅力，不過在穿高跟鞋的過程中，人的身體會不同程度地向前傾，如果在走路過程中遇到障礙物，可能會由于崴腳而摔倒。一般來講，鞋跟愈高，危險越大，受傷的可能性愈大。

鑒于此，本文基于鞋頭避障性、鞋掌調(diào)溫性、足弓智能健康服務(wù)性之上研發(fā)出了一款舒適安全且極富實用性的智能型高跟鞋。

1 主要模塊設(shè)計

1.1 鞋掌的可調(diào)溫性

溫濕度檢測功能通過性能可靠、讀數(shù)精準的DHT11型數(shù)字溫濕度傳感器進行實現(xiàn)，溫度測量區(qū)間為0～50℃，測量誤差為±1～2℃;相對濕度測量區(qū)間為20%RH～90%RH，測量誤差為±4%RH～±5%RH。在此次設(shè)計中，選用了簡單的4針單排引腳封裝形式，小型化，無需占用較大空間，功耗非常小，將此裝置安裝于鞋底符合對溫度、濕度這兩類數(shù)據(jù)的采集要求。溫濕度控制的作用機制可參考圖1。根據(jù)此圖能夠清晰直觀地了解到，hot端和電熱片進行科學(xué)連接，而MOTOR端則和風(fēng)扇進行規(guī)范合理地連接。在采集到鞋內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)之后，將采集到的數(shù)據(jù)和標準值進行對比，通過PID控制方式實現(xiàn)對鞋內(nèi)溫度的高效化、精準化調(diào)節(jié)。

1.2 高跟鞋的鞋頭避障性

很多女性都發(fā)生過因穿高跟鞋而摔跤的經(jīng)歷，旨在有效規(guī)避此問題，本設(shè)計在鞋頭位置配置了一個小型化、低成本的超聲波傳感器，波發(fā)傳感器的主要功能是釋放超聲波，它在接觸到雜物或者分界面之后能夠釋放由接收傳感器進行實時、準確接收的反射回波，如果前面沒有障礙物，下達關(guān)信號;如果無障礙物，則釋放開信號，此信號會被發(fā)送至腳底區(qū)域的微型馬達，這樣，使用者就能夠根據(jù)馬達震動了解到前方有障礙物提前做好準備，避免崴腳或者摔倒。

1.3 高跟鞋的記步與熱量消耗的計算

穿著高跟鞋奔波一天非常辛苦，但是，有很多愛美女性即便承受著較大的痛苦也樂此不疲地穿高跟鞋，目前，大多數(shù)手機不僅能夠記錄步數(shù)，還能夠計算卡路里消耗情況。盡管手機對人們的工作和生活帶來了極大的便利，不過不能保證每一個人都能夠隨時攜帶手機。本文設(shè)計了一款通過壓力傳感器實時、精準獲取人體運動信息的高跟鞋智能健康系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)詳情可參考圖2。根據(jù)此圖能夠了解到，此系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);二是鞋體。通過智能手機實現(xiàn)對傳感器信息的即時化、高效化、精準化的接收以及安全存儲。信息利用藍牙進行發(fā)送，其中，手機端被定義為藍牙主機，鞋子被定義為藍牙從機。

2 智能鞋模塊分析

主要由下述幾個模塊構(gòu)成：主控芯片：STC89C51。本設(shè)計將STC89C51選為主控芯片，它支持用戶自行編程，并集成了8051內(nèi)核，其最高工作時鐘頻率是80MHz，并且嵌入了512字節(jié)RAM，性能可靠且精度比較高。安全防護：Gps定位設(shè)備;傳感器：紅外線傳感器和壓力傳器;藍牙傳輸：藍牙裝置。

3 結(jié)語

即便是在酷寒的冬季，女性穿上這款高跟鞋也不會感覺到冷，無需擔(dān)心對身體造成不良影響，它能夠為女性提供適宜的溫度，促進血液循環(huán)，有助于提高人體抵抗力并改善睡眠質(zhì)量。另外，鞋頭具有良好的避障性，所以能夠在改善著鞋舒適性的同時提高安全性，實用性非常強。

參考文獻

[1] Hsu Y，Yang S，Chang H，et al.Human daily and sport activity recognition using a wearable inertial sensor network[J].IEEE Access，2018，6：31715-31728.

[2] Ejupi A，Brodie M，Lord S R，et al.Wavelet-based sit-to-stand detection and assessment of fall risk in older people using a wear- able pendant device[J].IEEE Transactions on Biomedical Engi- neering，2017，64（7）：1602-1607.

[3] Hegde N，Zhang T，Uswatte G，et al.The pediatric smartShoe： Wearable sensor system for ambulatory monitoring of physical activity and gait[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2018，26（2）：477-486.

[4] 強家輝，張為公，王東.基于足底壓力的人體姿態(tài)檢測和行為分析方法[J].測控技術(shù)，2018（1）：1-4.

[5] 宦若虹，陳月.一種基于特征增強和決策融合的人體行為識別方法[J].計算機科學(xué)，2016（S2）：151-155.

Abstract：In order to alleviate and eliminate a series of health problems caused by wearing high-heeled shoes for a long time， this paper intends to develop a set of intelligent health system of high-heeled shoes with perfect functions and reliable performance based on advanced and powerful science and technology and the development of the maturing Internet of Things， to make up for the shortcomings of the current pedometric intelligent shoes. In the future development， I believe that with the continuous development of science and technology， smart shoes will become more and more intelligent， convenient and professional， which is also the innovation of this study.

Key words：Temperature regulation; Barrier avoidance; Motion behavior; Sensors