生物智能耳機(jī)技術(shù)應(yīng)用分析

韓影杰 霍殿金 陶理慧 姚競濤 郭志康

摘要：生物智能耳機(jī)技術(shù)以紅外線、腦電波、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了耳機(jī)功能細(xì)致化。在使用時(shí)，耳機(jī)可以對使用者的身體健康進(jìn)行監(jiān)測。文章從生物智能耳機(jī)系統(tǒng)技術(shù)、系統(tǒng)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模塊3個(gè)方面，闡述了生物智能耳機(jī)技術(shù)的應(yīng)用情況。智能耳機(jī)可以對使用者的身體健康進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測評估到使用者的身體狀態(tài)不佳時(shí)，智能耳機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)并上傳數(shù)據(jù)。智能耳機(jī)可提醒使用者及時(shí)做出判斷，更加注重生命健康安全，防止使用者受到外界傷害。

關(guān)鍵詞：生物智能；技術(shù)；耳機(jī)

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

生物智能耳機(jī)是通過對紅外線熱成像技術(shù)、腦電波成像以及智能感知與控制系統(tǒng)原理的分析，結(jié)合并搭置于耳機(jī)上。紅外熱成像系統(tǒng)可以采集人體紅外輻射數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號上傳至耳機(jī)系統(tǒng)^［1］。系統(tǒng)分析采集到的腦電波資料，從而對當(dāng)前人體健康做出判斷。在檢測到用戶處于不健康狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出語音警報(bào)以提醒使用者，發(fā)送消息至用戶設(shè)置的緊急聯(lián)系人的通信設(shè)備上，同時(shí)根據(jù)耳機(jī)的智能感知系統(tǒng)^［2］，判斷用戶當(dāng)前所處環(huán)境，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)音量大小。

1 生物智能耳機(jī)的技術(shù)

1.1 生物智能耳機(jī)系統(tǒng)技術(shù)

1.1.1 紅外熱成像技術(shù)

在絕對零度（-273.15 ℃） 以上的物體都會(huì)無時(shí)無刻地對外輻射紅外線，這種輻射攜帶著特殊信息，為利用紅外技術(shù)區(qū)分各類被測目標(biāo)的溫度分布打好了扎實(shí)的基礎(chǔ)。此外，紅外熱成像計(jì)算人體體溫的方法主要是：通過光電技術(shù)檢測人體周圍熱輻射的紅外線特定波段信號^［3］，將檢測的這些信號轉(zhuǎn)換成人眼可以識別的圖像，從而根據(jù)圖像信息得出人體當(dāng)前的體溫分布情況。

1.1.2 腦電波成像技術(shù)

人的大腦有無數(shù)的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元之間的活動(dòng)可以產(chǎn)生特殊的電信號，這種信號就是腦電波。腦電波的形成與人腦錐體細(xì)胞頂端樹突的突觸后電位有關(guān)。腦電波成像是利用特殊的技術(shù)手段使得人類可以“看到人體大腦的內(nèi)部情況”，幫助人類認(rèn)識大腦指定區(qū)域與其功能之間的聯(lián)系^［4］，從而分析人體當(dāng)前情況。

1.1.3 智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)是機(jī)械制造技術(shù)以及智能控制知識相結(jié)合的產(chǎn)物，主要是研究微機(jī)原理與接口、人機(jī)操作應(yīng)用、機(jī)械電子等方面的基礎(chǔ)知識和技能，并進(jìn)行智能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、軟硬件安裝與調(diào)試、智控系統(tǒng)的檢測與維護(hù)等。

1.1.4 功能嫁接技術(shù)

生物智能耳機(jī)采用紅外熱像檢測芯片以及腦電波芯片，兩種芯片分別被置于兩個(gè)耳機(jī)中，通過靈敏度較高的腦電儀裝置檢測人體大腦產(chǎn)生的微弱電位，這為理解人體的行為狀態(tài)提供了確切的信號。紅外熱像檢測芯片則通過對人體的紅外輻射的檢測^［5］，輔以信號處理、圖像分割等技術(shù)手段，將人體溫度分布的圖像轉(zhuǎn)換成人類可視圖像。

1.2 圖像處理算法

系統(tǒng)利用k-均值聚類算法劃分圖像的區(qū)域，處理識別到的紅外技術(shù)熱感應(yīng)圖像。圖像的區(qū)域劃分是根據(jù)相同點(diǎn)把圖像分成多個(gè)小部分的過程。站在數(shù)學(xué)角度，圖像區(qū)域分割的含義是對圖像區(qū)域在物理上進(jìn)行分離。聚類是一個(gè)動(dòng)作過程，就是將數(shù)據(jù)按照不同的類或者簇劃分的過程。因此，同一個(gè)簇中的對象基本都是相似的。同理，可以輕易判斷出，不同簇之間有很大的相異性。圖像都是由像素組成的。用數(shù)學(xué)中的向量替代圖像中的每一個(gè)像素，根據(jù)它們在空間上的相似性，進(jìn)行空間上的特征區(qū)分，按照順序信息逆向法和通道返回原來的空間，得到最終想要的結(jié)果。

在圖像的邊緣輪廓檢測和提取方面，本設(shè)計(jì)采用的是圖像邊緣過濾波形發(fā)生器。這個(gè)過濾波形的發(fā)生器通過分析處于邊上的像素點(diǎn)來提取邊緣的輪廓，從而識別出圖像中明暗區(qū)分明顯的地方。這些明暗區(qū)分明顯的地方就是邊緣振幅的方向。圖像最終的邊緣輪廓的提取是通過對邊緣振幅的分析來實(shí)現(xiàn)的。

1.3 生物智能耳機(jī)的客戶端設(shè)計(jì)

生物智能耳機(jī)系統(tǒng)的目標(biāo)使用群體不限年齡段。登錄客戶端可實(shí)時(shí)觀測使用者的身體健康情況。每隔一段特定的時(shí)間，紅外線熱傳感器將檢測的信號傳送到系統(tǒng)中心。系統(tǒng)中心會(huì)自動(dòng)根據(jù)檢測結(jié)果分析采集到的信號^［6］，轉(zhuǎn)換為可視圖像，進(jìn)而分析判斷人體的健康情況。當(dāng)人體健康處于不佳狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)信號，信號會(huì)被傳遞到用戶的客戶端進(jìn)行強(qiáng)提醒?？蛻舳酥С侄嗳送瑫r(shí)登錄，以防止使用者出現(xiàn)不良情況時(shí)無法通知，并且支持手機(jī)安卓和蘋果的操作系統(tǒng)，以App的形式供用戶使用。

2 生物智能耳機(jī)系統(tǒng)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境

此系統(tǒng)的開發(fā)程序采用的是C++語言，C++在C語言基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)也兼容C語言，成了一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言。其既保留了C語言的有效性和靈活性等特點(diǎn)，同時(shí)用C++編寫出的程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性較好、代碼運(yùn)行效率比較高，可以使用抽象數(shù)據(jù)類型和使用多繼承、多態(tài)進(jìn)行面向?qū)ο蟮木幊獭?/p>

2.2 開發(fā)環(huán)境的部署

采用Vscode配置的C++ IDE開發(fā)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)在Vscode中編譯和運(yùn)行C/C++程序。在Vscode中，需要安裝兩個(gè)插件：C++和C++ Compile Run。安裝好mingw后，再將mingw的安裝路徑加入PATH環(huán)境變量中。新建一個(gè)文件夾，然后用Vscode打開它。按“Ctrl+Shift+p”，然后在彈出的菜單中選擇“C/C++：Edit Configurations（JSON）”，然后在打開的文件c_cpp_properties.json中的includePath一項(xiàng)中加入mingw安裝文件夾中的include文件夾的路徑。本系統(tǒng)的配置可以有效地提高編譯的效率、實(shí)用性以及穩(wěn)定性。

2.3 系統(tǒng)測試與發(fā)布

常見的系統(tǒng)測試按照不同的分類有不同的方法，本軟件系統(tǒng)采用的是按照測試對象分類的測試之一——黑盒測試。黑盒測試，又被稱為“功能測試”，是將測試的對象看作一個(gè)黑盒，在不考慮產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)和處理過程的基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行功能上的測試。它更注重產(chǎn)品的“功能性需求”。只要達(dá)到結(jié)果設(shè)定的目標(biāo)，就可以不管其工作機(jī)制。經(jīng)過后臺(tái)檢測之后，產(chǎn)品的功能如果沒有問題就可以進(jìn)行發(fā)布。后臺(tái)測試之后會(huì)將系統(tǒng)文件發(fā)送給App的服務(wù)提供商，并根據(jù)客戶的需要為客戶提供下載以及安裝服務(wù)。

3 生物智能耳機(jī)的功能模塊

3.1 主要功能模塊

3.1.1 信息采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要用途是從系統(tǒng)軟件外部收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)軟件內(nèi)部的一個(gè)插口。如圖1所示，信息采集處理模塊是將通信芯片、存儲(chǔ)芯片等匯總到一塊電路板上，使電路板具有收發(fā)短消息、語音播報(bào)、數(shù)據(jù)傳遞等功能。

3.1.2 無線傳遞模塊

無線傳遞模塊利用無線電波技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，先通過無線數(shù)字微波傳遞收縮信息編碼，然后用數(shù)字微波信道進(jìn)行調(diào)制^［7］，再通過天線向外發(fā)射。接收端則與之相反，由天線接收信號，進(jìn)行微波解擴(kuò)，進(jìn)行信息解收縮，還原模擬的信息信號。

3.1.3 紅外/腦電波分析模塊

系統(tǒng)利用ADC采集模擬信號完成此項(xiàng)功能，通過數(shù)據(jù)庫中的信息對傳遞的腦電波和紅外熱成像信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與比對，判斷人體當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)，發(fā)出下一步指令，到達(dá)耳機(jī)智能控制模塊。

3.1.4 耳機(jī)智能控制模塊

本設(shè)計(jì)的主控芯片采用的是STM32（見圖2）。耳機(jī)智能控制模塊是各種執(zhí)行語句等程序的集合，它將程序分為多個(gè)不同的程序模塊。每個(gè)程序模塊將執(zhí)行完成一個(gè)分功能，將這些分功能模塊整合成一個(gè)整體，以滿足符合要求的整個(gè)系統(tǒng)的功能。耳機(jī)根據(jù)收到的不同信號，訪問相應(yīng)的函數(shù)、程序或調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)對不同的功能交換和控制。

3.2 運(yùn)行基本過程

在工作時(shí)，信息采集處理模塊前端采集外界聲音、人體實(shí)時(shí)紅外采集信息和腦電波信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號交由信息處理芯片處理。信息處理芯片可對接收到的信息進(jìn)行判斷處理。若為外界聲音，則判斷外界聲音信號類型。當(dāng)其為車輛鳴笛聲時(shí)，則進(jìn)一步通過無線傳遞模塊通道將信號傳遞給耳機(jī)控制模塊，控制耳機(jī)斷開10 s，為使用者提供一定的反應(yīng)時(shí)間，供其做出正確判斷。之后，耳機(jī)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，繼續(xù)接收外界信號，并作出判斷。其次，當(dāng)采集的信息為人體實(shí)時(shí)紅外采集信息和腦電波信號時(shí)，也將其轉(zhuǎn)換為電信號并交由信息處理芯片處理，進(jìn)一步通過無線傳遞模塊傳送到紅外/腦電波分析模塊平臺(tái)進(jìn)行分析處理，與人體正常情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對照，得到當(dāng)前使用者的身體健康情況。根據(jù)不同健康情況，傳感器會(huì)發(fā)送不一樣的信號到達(dá)耳機(jī)智能控制模塊。當(dāng)健康情況出現(xiàn)異常時(shí)，控制模塊及時(shí)發(fā)送緊急通知到用戶客戶端，并發(fā)出警報(bào)，及時(shí)提醒使用者和監(jiān)護(hù)者，以便對當(dāng)前情況進(jìn)一步做出判斷。當(dāng)健康情況正常時(shí)，控制模塊會(huì)及時(shí)發(fā)送正常通知到達(dá)用戶客戶端。之后，耳機(jī)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，繼續(xù)接收外界信號，并等待下一次做出判斷。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對生物智能耳機(jī)所需技術(shù)的深入探究，以及對紅外線熱成像技術(shù)、腦電波成像以及智能感知與控制系統(tǒng)原理的分析，本設(shè)計(jì)認(rèn)為紅外熱成像系統(tǒng)可以采集人體紅外輻射數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號上傳至耳機(jī)系統(tǒng)中，同時(shí)與腦電儀采集到的腦電波資料結(jié)合進(jìn)行綜合分析，從而對當(dāng)前人體健康做出判斷。在檢測到用戶身體處于不健康狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)發(fā)出語音警報(bào)以提醒使用者，并發(fā)送消息至用戶設(shè)置的緊急聯(lián)系人的通信設(shè)備上。在日常生活中，人們在使用耳機(jī)時(shí)面臨的情況是復(fù)雜多變的。生物智能耳機(jī)技術(shù)不僅提高了耳機(jī)智能化，還以紅外線、腦電波等技術(shù)對耳機(jī)的功能作出了巨大的創(chuàng)新，同時(shí)更加注重對使用者的生命安全以及健康狀態(tài)的監(jiān)測。隨著科技的進(jìn)步，人們對耳機(jī)智能創(chuàng)新的需求增加，生物智能耳機(jī)技術(shù)在未來還會(huì)有更大的發(fā)展前景。

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（編輯 王永超）

Application analysis of biosmart Headphone technology

Han Yingjie， Huo Dianjin， Tao Lihui， Yao Jingtao， Guo Zhikang

（Anhui Sanlian College， Hefei 230601， China）

Abstract： Biological intelligent headset technology with infrared， brain wave， wireless transmission and other technologies achieves the meticulous function of the headset. In use， the headset can monitor the users physical health. This paper expounds the application of biological intelligent headset technology from three aspects： system technology， architecture design of system software and functional module. Smart headphones can monitor the health of the users body. When the monitoring evaluates the users poor physical condition， the smart ear opportunity alerts and uploads the data. Smart headphones can remind users to make timely judgments， pay more attention to life， health and safety， and prevent users from being hurt by the outside world.

Key words： biological intelligence; technology; headphone