寵物貓智能家具人寵健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計探析

楊蕙羽 楊子倩

摘要：本文主要敘述智能家具對人和寵物貓健康監(jiān)測的主要類型和常見的傳感器類型，大致分析傳感器運作的主要方式、優(yōu)勢與局限性，同時對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家具健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行綜合論述，并結(jié)合人和寵物貓的生理行為特點，對傳感器在寵物貓智能家具中的位置分布進行分析。

關(guān)鍵詞：傳感器;健康監(jiān)測;智能家具;智能化;寵物貓

中圖分類號：TB472 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）10-0-02

0 引言

隨著科技的發(fā)展，智能化成為不可避免的大趨勢。家居智能化是提高人們生活質(zhì)量的重要途徑，智能家具是智能化的重要載體。

寵物貓是目前主流的寵物類型，與人類存在一定差異。智能家具服務(wù)的對象不單單是人類，需要兼顧寵物貓和人類各方面的特點，滿足彼此需求。

人類壽命增長，對健康的重視程度也不斷提高。將健康監(jiān)測系統(tǒng)納入智能家具和智能家居系統(tǒng)，能夠更直接地獲取并處理數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)實際情況進行反饋。

1 人寵健康監(jiān)測

1.1 智能家具對人類健康監(jiān)測的主要類型

人類進行健康監(jiān)測的基本生命信號主要有四個，即心率、動脈血氧飽和度、體溫和血壓。

受健康監(jiān)測系統(tǒng)載體和技術(shù)手段的限制，智能家具一般選擇對心率和體溫進行監(jiān)測，據(jù)此了解被監(jiān)測者的健康狀態(tài)，并作出最基本的判斷。

人類健康監(jiān)測的主要對象有兒童、青壯年、老年。針對三類人群的不同特點，健康監(jiān)測有不同的側(cè)重點，系統(tǒng)設(shè)置也有所不同。例如，基于認(rèn)知條件的差異，兒童的自我調(diào)節(jié)機制相對較弱，他們需要成人的引導(dǎo)，智能家具的引導(dǎo)性需要增強[1]。

普遍情況同時存在不同監(jiān)測對象，因此更需要在健康檢測系統(tǒng)內(nèi)進行明顯區(qū)分。

1.2 智能家具對寵物貓健康監(jiān)測的主要類型

寵物貓健康監(jiān)測信號與人類一樣有四個，監(jiān)測的主要內(nèi)容也是心率和體溫。

寵物貓的基本生命特征、體型和活動特點與人類都有較為明顯的差異。監(jiān)測寵物貓，能夠根據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)的對比，判斷其健康狀況。

寵物貓健康監(jiān)測的主要對象也可以依據(jù)年齡和體型進行劃分，遇到品種特殊的寵物貓時，也可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的信息進行健康狀況監(jiān)測。

1.3 智能家具人寵健康監(jiān)測的意義和作用

人類能夠自己感知健康狀態(tài)，并采取對應(yīng)的措施，但是寵物不行，因此其健康狀況需要重點關(guān)注。在寵物貓智能家具這一領(lǐng)域，與寵物健康監(jiān)測相關(guān)的研究和設(shè)備開發(fā)依然是一個有待發(fā)展的開放性問題[2]。

寵物貓智能家具通過對人寵的健康狀態(tài)進行監(jiān)測，為人寵的安全和健康提供更全面的保障;對異常狀態(tài)進行預(yù)警，對可能產(chǎn)生的疾病進行預(yù)測，對可能的受傷等異常狀況及時發(fā)現(xiàn)并實施相對應(yīng)的措施，能夠有效減少健康風(fēng)險。

智能健康監(jiān)測的設(shè)備市場不斷擴大，成熟的技術(shù)為傳感器嵌入智能家具奠定了基礎(chǔ)，也使低成本計算平臺擁有強大的數(shù)據(jù)存儲、共享和分析能力。

2 健康監(jiān)測傳感器類型

健康監(jiān)測處于智能醫(yī)療中的“觀察發(fā)現(xiàn)”環(huán)節(jié)。通過相應(yīng)的技術(shù)手段、相關(guān)的智能設(shè)備和引入智能機器人等，對環(huán)境內(nèi)的各項健康數(shù)據(jù)進行采集、記錄、對比、處理和判斷，并及時反饋，從而更有效地應(yīng)對不同的健康狀況。

在健康監(jiān)測體系中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r監(jiān)測人體的生理信息和運動信息，為檢測者提供許多重要的定量信息，對一些常見的慢性病進行早期監(jiān)測、早期預(yù)防和早期干預(yù)[3]。

傳感器是智能家居系統(tǒng)和智能家具中健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的主要來源，不同的監(jiān)測項目、不同的家居條件要使用相應(yīng)的傳感器。

常用于健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器有五種。

2.1 加速度傳感器

加速度傳感器的作用是測量心臟每分鐘跳動的次數(shù)和脈搏搏動的次數(shù)。其主要組成部分為質(zhì)量塊、阻尼器、敏感元件、彈性元件和適調(diào)電路。常見的加速度傳感器類型包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式。

2.2 溫度傳感器

能夠被監(jiān)測的疾病常常與體溫的變化相關(guān)，也可以通過體溫的變化體現(xiàn)治療的效果。

寵物貓智能家具溫度系統(tǒng)主要通過溫度傳感器對體溫和環(huán)境溫度進行監(jiān)測，將信息傳遞到中央處理單元，中央處理單元再將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的正常數(shù)據(jù)進行比較、分析、處理，然后反饋，并對數(shù)據(jù)進行存儲和顯示。

2.3 心率檢測脈沖傳感器

嵌入智能家具的傳感器，在心率監(jiān)測方面需要滿足一定條件，與被監(jiān)測者的近距離接觸能使監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性提高。

心率檢測脈沖傳感器的作用是將采集到的心率信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。健康監(jiān)測系統(tǒng)能通過心率檢測脈沖傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過電壓比較器輸出方波信號，計算單位時間內(nèi)的心率上限和下限完成對心率的監(jiān)測。

2.4 光電式心率傳感器

光電式心率傳感器的工作方式是將一束光打在皮膚上，然后測量反射或者透射的光。其原理是血液對特定波長的光有吸收作用，每次心臟泵血時該波長會被大量吸收，從而確定心跳的頻率。

目前常見的光電式心率傳感器有兩種，分透過式和反射式，主流的光電式心率傳感器是透過式。光電式心率傳感器的缺點是耗電大，也會因環(huán)境光而受到干擾。

2.5 多傳感器融合

成本和技術(shù)方面的限制使傳感器的采集精度較低，更容易受到干擾?；诂F(xiàn)實背景和客觀需求，多傳感器融合的地位不斷提高，成為一項需要不斷投入研究、促進發(fā)展的任務(wù)。

多傳感器融合即利用計算機技術(shù)，將來自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)以一定的準(zhǔn)則進行自動分析和綜合，以完成所需的決策和估計而進行的信息處理過程。其效果和實施方式會直接影響智能家具健康監(jiān)測系統(tǒng)的性能。

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

通常情況下，智能家居系統(tǒng)中健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的三個主要組成部分是家庭網(wǎng)關(guān)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和協(xié)調(diào)器[4]。

3.1 家庭網(wǎng)關(guān)

家庭網(wǎng)關(guān)是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心，決定了家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的正常運行。家庭網(wǎng)關(guān)為軟件運行提供接口和模塊，其組成部分有嵌入式處理器、電源、復(fù)位電路、有線網(wǎng)絡(luò)接口、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、輸入輸出設(shè)備、ZigBee（紫蜂）無線通信模塊、串口、液晶顯示器/鍵盤、以太網(wǎng)、通用無線分組業(yè)務(wù)模塊等。

電源為家庭網(wǎng)關(guān)的運行提供能量，ZigBee（紫蜂）無線網(wǎng)絡(luò)為家庭網(wǎng)關(guān)提供內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通用無線分組業(yè)務(wù)實現(xiàn)對家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，液晶顯示器顯示用戶管理界面，協(xié)調(diào)器通過串口與家庭網(wǎng)關(guān)進行連接等。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

無線傳感器節(jié)點主要由單片機、溫度傳感器、心率脈沖傳感器、無線模塊、電源模塊等組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要求技術(shù)性強、功耗低、數(shù)據(jù)處理能力高。

為了準(zhǔn)確獲得被監(jiān)測者體溫、心率及環(huán)境溫度的準(zhǔn)確信息，系統(tǒng)需要配置溫度傳感器和心率脈沖傳感器，傳感器的尺寸要越來越小而精度要越來越高。

不同的傳感器采集被監(jiān)測者不同的數(shù)據(jù)信息，同時各個模塊都需要配備獨立的電源，并且能夠方便使用者的拆卸和組裝。健康數(shù)據(jù)可以有選擇地傳輸或自動上傳到終端應(yīng)用程序或醫(yī)療信息處理服務(wù)器。異常數(shù)據(jù)會向使用者發(fā)出預(yù)警。

4 健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由家庭網(wǎng)關(guān)軟件、系統(tǒng)軟件和手機監(jiān)控軟件這三個部分組成。

4.1 家庭網(wǎng)關(guān)軟件

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用層、操作系統(tǒng)內(nèi)核、硬件驅(qū)動層三個部分[5]。

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)主要完成如下任務(wù)：第一，對系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)進行建立;第二，控制傳感器節(jié)點準(zhǔn)確采集需要的數(shù)據(jù);第三，向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送、傳輸采集到的數(shù)據(jù);第四，連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點并對它們進行控制;第五，完成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的通信。

4.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的主要作用如下：第一，完成家居環(huán)境中zigbee（紫蜂）無線網(wǎng)絡(luò)的建立;第二，實現(xiàn)不同智能家具中傳感器的連接和通信;第三，實現(xiàn)不同智能家具的傳感器節(jié)點和家庭網(wǎng)關(guān)的通信。

4.2.1 ZigBee（紫蜂）無線網(wǎng)絡(luò)的建立

在建立ZigBee（紫蜂）無線網(wǎng)絡(luò)時，主要有三種情況：網(wǎng)絡(luò)的初始化建立，在網(wǎng)絡(luò)中加入節(jié)點，節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)主要有三種方式：通過連接加入、重新加入和孤立節(jié)點加入。而節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)可能是主動的，也可能是被動的。節(jié)點主動離開的方式因節(jié)點的不同而有所不同，節(jié)點被動離開可能是因為存在故障和異常。

4.2.2 協(xié)調(diào)器軟件

協(xié)調(diào)器在整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工作及數(shù)據(jù)傳輸中居于核心地位。主要作用為家居網(wǎng)絡(luò)初始化建構(gòu)和家居環(huán)境中的節(jié)點通信，以及各節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址的分配。

4.3 手機監(jiān)控軟件

手機監(jiān)控軟件本質(zhì)是一款移動端的智能家具健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用程序。主要工作內(nèi)容是通過對IP地址和端口號的設(shè)置，與服務(wù)器通信，從而達到對家居環(huán)境內(nèi)被監(jiān)測者的健康狀況實時監(jiān)控、及時反饋和對家居環(huán)境內(nèi)硬件進行遠(yuǎn)程控制的目的。不同的手機系統(tǒng)需要配備不同的監(jiān)控軟件。

5 健康監(jiān)測傳感器在寵物貓智能家具中的分布

寵物貓智能家具中傳感器的分布要考慮寵物貓和人類相同或相異的使用需求。于寵物貓而言，它們不懂人類的語言和文字，行為和活動需要人類輔助引導(dǎo)，習(xí)慣需要人類輔助養(yǎng)成。

寵物貓智能家具大部分體量較小，不會占據(jù)特別大的空間，因此傳感器的設(shè)置相對而言會更加精密。同時寵物貓智能家具本身的材質(zhì)應(yīng)當(dāng)耐磨，但又不會傷害到寵物貓，傳感器應(yīng)當(dāng)設(shè)置在不被寵物貓輕易破壞，但便于使用的地方。

5.1 寵物貓智能家具的類型

5.1.1 智能貓廁所

智能貓廁所是在原貓廁所的基礎(chǔ)上進行智能化，將需要人為進行的操作轉(zhuǎn)為智能化處理，從而減輕人的負(fù)擔(dān)。

5.1.2 自動飲水機

設(shè)置智能飲水機的目的是提醒寵物貓多飲水。智能飲水機能通過技術(shù)手段和特殊方式提醒寵物貓喝水。

5.1.3 自動喂食器

寵物喂食器能夠?qū)崿F(xiàn)寵物喂食的自動化，減輕主人的工作量，避免無法喂食的特殊情況。較為普遍的喂食器功能有定時喂食、飲食監(jiān)控、遠(yuǎn)程投喂等。

5.1.4 智能貓窩

智能貓窩即嵌入電子科技的貓窩，其常見功能有恒溫控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、習(xí)慣記錄、健康監(jiān)測和安全警報。

5.1.5 人寵共生智能家具

人寵共生智能家具的形態(tài)一般以人類使用的家具類型為基礎(chǔ)，在里面嵌入寵物貓使用和活動的部分。其智能設(shè)備的嵌入兼顧人類和寵物的使用需求。

5.2 寵物貓智能家具中傳感器的分布原則

5.2.1 體溫監(jiān)測傳感器

為了保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和方便性，智能家具中溫度傳感器的最低數(shù)量不應(yīng)少于三個;由于監(jiān)測對象的差異，需要在寵物貓智能家具中同時配備兩種體溫監(jiān)測傳感器，以保證對監(jiān)測對象的區(qū)分和數(shù)據(jù)采集的合理性和準(zhǔn)確性。

體溫監(jiān)測傳感器最基本的原則是無遮擋，不影響體溫監(jiān)測，且考慮到寵物貓的體型大小和寵物貓家具的體量大小。監(jiān)測寵物貓體溫的體溫監(jiān)測傳感器應(yīng)位于寵物貓的身高范圍內(nèi)。

5.2.2 心率傳感器

心率脈沖傳感器的局限之一是必須緊貼使用者的皮膚，光電式心率傳感器則需要使用者的配合、大量供電以及避光處理。

負(fù)責(zé)對人類的健康狀態(tài)進行監(jiān)測的心率脈沖傳感器設(shè)置在人屈肘、平放手臂的一般高度即可。光電式心率傳感器可以和心率脈沖傳感器設(shè)置在同樣的高度，同時需要靠近電源或電源方便更換的位置，并進行避光處理。

寵物貓使用心率脈沖傳感器和光電式心率傳感器需要人類的幫助，所以要設(shè)置在適合人類的高度，但要與人類使用的心率脈沖傳感器或光電式心率傳感器分開。

6 結(jié)語

寵物貓智能家具健康監(jiān)測系統(tǒng)目前還處于起步階段，大部分智能家具的健康監(jiān)測僅針對人類。同時，受科學(xué)技術(shù)、成本、家庭、社會環(huán)境等因素的限制，傳感器在智能家具健康監(jiān)測中的應(yīng)用有一定的局限性。但隨著傳感器和其他智能手段的不斷發(fā)展和升級，健康監(jiān)測系統(tǒng)將更加完善、全面、精確、便捷。

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[5] 蘇繼成.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)智能家居的設(shè)計與研究[D].牡丹江：牡丹江師范學(xué)院，2017.

作者簡介：楊蕙羽（1999—），女，江蘇揚州人，本科在讀，研究方向：家具設(shè)計與制造。

楊子倩（1984—），女，江蘇揚州人，碩士，講師，研究方向：家具設(shè)計與制造。