智能體感手環(huán)＊

潘秋悅，王 馨，張躍看

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230000）

隨著科學(xué)的快速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)迎來(lái)了大數(shù)據(jù)時(shí)代。智能設(shè)備為人們所接受并迅速流行，智能手環(huán)便是其中的一種。其相關(guān)的科學(xué)技術(shù)取得了廣泛的運(yùn)用，以手環(huán)為例，使人們的日常生活獲得了極大的便捷。通過(guò)使用這款手環(huán)，使用者可以記錄人體在日常生活中進(jìn)行的鍛煉、睡眠還有飲食健康等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與使用者本人的手機(jī)、平板等智能設(shè)備進(jìn)行同步及存儲(chǔ)。使用者還可以隨時(shí)隨地查閱這些數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以查閱家庭其他人員的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)自己及家人的生活質(zhì)量及飲食健康進(jìn)行相應(yīng)改善，還可以幫助人們了解自身睡眠質(zhì)量并進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)智能設(shè)備與日常生活方方面面的結(jié)合，起到以大數(shù)據(jù)來(lái)記錄健康生活的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展及優(yōu)化，檢測(cè)人體心率及運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息與手機(jī)相匹配等設(shè)計(jì)越來(lái)越多，版本的更新也使功能越來(lái)越強(qiáng)大，從中體現(xiàn)出手環(huán)在人們的日常生活有一定的幫助作用，手環(huán)擁有強(qiáng)大的信息儲(chǔ)存能力和其他物品與之無(wú)法媲美的便捷性，進(jìn)而越來(lái)越多的人使用并支持手環(huán)。

智能體感手環(huán)在對(duì)應(yīng)手機(jī)及平板相關(guān)智能設(shè)備上有專(zhuān)門(mén)的APP，用戶登錄APP 將個(gè)人信息進(jìn)行完善，APP 會(huì)記錄本人日常生活中的一些健康數(shù)據(jù)，形成一套全新的體系，同時(shí)在其他頁(yè)面可以通過(guò)添加相關(guān)家庭成員的基本信息，系統(tǒng)會(huì)同步儲(chǔ)存家庭成員的健康數(shù)據(jù)，促進(jìn)對(duì)彼此之間健康的了解，在一定程度上更好地改善家庭的生活質(zhì)量。智能體感手環(huán)在某方面上可以取代目前使用的部分手環(huán)以及一部分運(yùn)動(dòng)設(shè)備，并且比它們更加便捷化。這些特殊功能性是其他設(shè)備所無(wú)法比擬的?，F(xiàn)在是大數(shù)據(jù)時(shí)代，其記錄存儲(chǔ)功能變得更加信息化，能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。并且新增加的體感游戲體驗(yàn)讓處于快節(jié)奏生活的人們得到一定程度的放松；家長(zhǎng)帶孩子出去游玩不小心走丟時(shí)，通過(guò)手環(huán)定位方式可以幫助家長(zhǎng)及時(shí)確定孩子的位置，在緊急情況時(shí)提供一定的安全保障，使孩子更安全地出行，未佩戴及斷電時(shí)手環(huán)會(huì)利用存儲(chǔ)的基礎(chǔ)電量檢測(cè)小孩子的血氧心率數(shù)據(jù)是否異常[1]，若出現(xiàn)異常，會(huì)及時(shí)通過(guò)APP 傳送到家長(zhǎng)的手機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行提示，準(zhǔn)確了解兒童的身體情況，為確保兒童的安全提供了一定程度的保障。

對(duì)于本設(shè)計(jì)采取了邊設(shè)計(jì)邊解決問(wèn)題的方法，通過(guò)前期的論證來(lái)證明技術(shù)的可行性，在分析和資料收集的過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，會(huì)積極查閱相關(guān)的資料，及時(shí)解決這些問(wèn)題，為后面提供了一定的基礎(chǔ)保障，在各方面技術(shù)都得到一定提高的基礎(chǔ)下，完善手環(huán)的制作及健康數(shù)據(jù)的錄入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的一些信息被手環(huán)所收集及存儲(chǔ)，在完成特殊功能之前，需要實(shí)現(xiàn)市面上智能手環(huán)的基礎(chǔ)相關(guān)功能并予以改進(jìn)提高。

1 智能體感手環(huán)基本原理

1.1 健康數(shù)據(jù)監(jiān)控

當(dāng)下市場(chǎng)上能夠?qū)崿F(xiàn)健康數(shù)據(jù)監(jiān)控功能的手環(huán)不在少數(shù)[2]，類(lèi)似于華為、小米等智能科技領(lǐng)軍企業(yè)早已制造出可監(jiān)測(cè)健康數(shù)據(jù)的手環(huán)，以及市面上的一些小眾品牌在制造手環(huán)時(shí)首要考慮的也是配備能夠測(cè)心率、步數(shù)、呼吸等人體各項(xiàng)健康指標(biāo)的功能。但是高端企業(yè)的手環(huán)主要是配合手機(jī)使用，檢測(cè)只是其附加功能，能夠檢測(cè)的功能范圍也有限，并不能夠完整全面地得出人體的各項(xiàng)健康數(shù)據(jù)并給出有針對(duì)性的調(diào)整建議。而小眾品牌所研發(fā)的智能手環(huán)可檢測(cè)人體的數(shù)據(jù)指標(biāo)較高端企業(yè)可能會(huì)更多，這也是其宣傳的主要功能。但是考慮到成本功耗以及極端環(huán)境的影響，所制造的智能手環(huán)必然不夠精良細(xì)致，則導(dǎo)致檢測(cè)出的數(shù)據(jù)極有可能出現(xiàn)較大偏差，而不準(zhǔn)確的健康數(shù)據(jù)會(huì)給人們帶來(lái)錯(cuò)誤的指導(dǎo)，給用戶造成困擾與不便。

為了給用戶更好的體驗(yàn)感，在實(shí)現(xiàn)智能手環(huán)對(duì)人體的檢測(cè)功能中，不僅僅設(shè)計(jì)了針對(duì)心率血氧的檢測(cè)功能，更是結(jié)合了當(dāng)下社會(huì)人們的快節(jié)奏生活現(xiàn)狀，讓人們通過(guò)體感游戲得到一定程度的放松體驗(yàn)，同時(shí)配置了對(duì)人們的睡眠、鍛煉及飲食等方面的檢測(cè)系統(tǒng)。眾所周知，人體處于不同狀態(tài)時(shí)的心率是不同的。依據(jù)心率的變化數(shù)據(jù)可以大致推測(cè)出手環(huán)持有者每一時(shí)刻的基本狀態(tài)，將每一時(shí)刻產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)與處理后發(fā)送到用戶的手機(jī)或平板上，使用者通過(guò)調(diào)取這些數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而再依據(jù)自己的身體狀況主動(dòng)調(diào)整每天的睡眠時(shí)間和鍛煉時(shí)間，及時(shí)改善自己的飲食習(xí)慣，同時(shí)用戶還可以通過(guò)手動(dòng)鍵輸入自己的飲食習(xí)慣數(shù)據(jù)，用以查尋系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算后所提供的關(guān)于最適用于自身的飲食數(shù)據(jù)建議。

利用飲食、睡眠以及鍛煉三者的有效結(jié)合可以讓使用者更加清晰直觀地得知自己最近身體的變化情況，使用者可根據(jù)身體的變化情況及時(shí)作出最有益于自身健康的調(diào)整，使人們實(shí)現(xiàn)更加良好、健康的生活目標(biāo)并作出最正確、最實(shí)用的調(diào)整及改變。

1.2 防兒童走失功能

目前市面上大部分已研發(fā)的兒童智能手環(huán)配置的定位功能大同小異[3]，仍舊主要是通過(guò)GPS 定位的方式來(lái)幫助家長(zhǎng)及時(shí)地確定孩子的位置，讓家長(zhǎng)能夠快速尋找到孩子，并未考慮手環(huán)丟失或其他意外發(fā)生時(shí)家長(zhǎng)能否及時(shí)找到孩子。即使家長(zhǎng)與孩子距離較遠(yuǎn)，不能及時(shí)趕到孩子身邊，孩子也可以通過(guò)智能手環(huán)隨時(shí)與家長(zhǎng)進(jìn)行聯(lián)系，家長(zhǎng)就能及時(shí)了解孩子的情況，但在遇到緊急情況的時(shí)候，兒童大概率都沒(méi)有足夠的時(shí)間去反應(yīng)或者當(dāng)手環(huán)意外丟失時(shí)也無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警，所以本次設(shè)計(jì)結(jié)合上述問(wèn)題設(shè)計(jì)了兒童未佩戴手環(huán)的手環(huán)自動(dòng)報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)以及斷電報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在手環(huán)丟失或者損壞時(shí)立馬報(bào)警提醒家長(zhǎng)，給兒童的安全多一份保障。整體功能流程如圖1 所示。

當(dāng)兒童獨(dú)自一人在校外或者家庭住處之外的地方時(shí)，如果未佩戴手環(huán)，此時(shí)手環(huán)會(huì)結(jié)合當(dāng)前兒童的心率血氧數(shù)據(jù)進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的提示，同時(shí)家長(zhǎng)的手機(jī)會(huì)接收到相應(yīng)的信息。當(dāng)手環(huán)在即將斷電時(shí)，也會(huì)及時(shí)進(jìn)行提示報(bào)警，同時(shí)手環(huán)內(nèi)部加載了一個(gè)獨(dú)立的GPS供電模塊，能讓手環(huán)即使處于斷電的狀況下，仍然可以向兒童的家長(zhǎng)手機(jī)提供相應(yīng)的活動(dòng)軌跡和定位，方便家長(zhǎng)及時(shí)掌握兒童的情況并采取相關(guān)的措施。

1.3 游戲體感功能

如今手環(huán)越來(lái)越智能化，在很多手環(huán)的內(nèi)部已經(jīng)安裝了姿態(tài)檢測(cè)功能[4]，現(xiàn)在人們?cè)诳臻e的時(shí)候，為放松身心會(huì)選擇去體驗(yàn)3D 體感游戲操作。因此本設(shè)計(jì)如果僅僅具有健康數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及防止兒童丟失的功能，并不能滿足大多數(shù)年齡段的需求，正值青春年華的少年們以及青年男子都更加鐘愛(ài)具備科技感且酷炫的設(shè)備，而因工作忙碌的人們也喜歡在日常閑暇休息時(shí)通過(guò)打游戲來(lái)實(shí)現(xiàn)放松的目的。故而在本次的設(shè)計(jì)中就將手環(huán)帶有的姿態(tài)檢測(cè)模塊功能與手機(jī)的相關(guān)游戲軟件相結(jié)合，在使用者去體驗(yàn)符合條件的游戲時(shí)就可以通過(guò)手環(huán)的上下左右的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)按鍵控制游戲中角色的移動(dòng)。例如和現(xiàn)在市場(chǎng)上的用一個(gè)手帶上相應(yīng)的裝置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)前后左右移動(dòng)一樣，如果將這種功能集成在手環(huán)和手機(jī)游戲中，可以極大地提高人們對(duì)部分體感的操作體驗(yàn)并在游戲體驗(yàn)中得到一定程度的放松。在實(shí)現(xiàn)方面上，首先手環(huán)檢測(cè)到姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后將姿態(tài)數(shù)據(jù)處理為向前、向后、向左、向右的4 個(gè)信號(hào)之一，完成后將信號(hào)通過(guò)服務(wù)器傳送至手機(jī)中，手機(jī)接收到相應(yīng)的信號(hào)后再將其轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的游戲中的操作信號(hào)即可。

1.4 系統(tǒng)模塊

為了將裝置設(shè)計(jì)得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)還能完整地實(shí)現(xiàn)功能，在元件上都采用了最常用的芯片和模塊。例如成品整體成本不超過(guò)15 元，可在后期進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)節(jié)約購(gòu)買(mǎi)者的成本，增加該裝置的性?xún)r(jià)比，降低維修成本。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)并不是過(guò)于復(fù)雜，因此在安裝和維護(hù)時(shí)就顯得比較容易。

本設(shè)計(jì)由GPS 模塊、MAX30102 和MAX30100心率血氧傳感器模塊、MSP51 模塊、液晶顯示器模塊、電源管理模塊組成。MSP51 模塊是本設(shè)計(jì)的中央控制中心，用于處理各種信息和給各個(gè)模塊發(fā)放指令。液晶顯示模塊用于顯示基礎(chǔ)信息，如日常生活中健康數(shù)據(jù)監(jiān)控。健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中的血氧檢測(cè)給兒童防丟中的部分功能帶來(lái)了極大的便捷，且其中模塊涉及的單片機(jī)的供電為5 V，生活中人們常用的手機(jī)充電頭或者充電寶都為5 V 電源，在本裝置上有穩(wěn)壓電路，可直接將充電寶或5 V 手機(jī)充電頭連接至裝置中，對(duì)裝置進(jìn)行供電，極大地提高了裝置的可行性及便捷性。

2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

健康數(shù)據(jù)監(jiān)控：記錄人們睡眠、飲食及鍛煉等方面的信息，測(cè)量步數(shù)、心率、熱量、鬧鐘數(shù)據(jù)，起到通過(guò)智能設(shè)備提醒人們健康生活的作用。通過(guò)對(duì)心率血氧檢測(cè)進(jìn)行分析，以判斷出佩戴者的每一時(shí)刻的狀態(tài)，讓人們及時(shí)地了解現(xiàn)階段的身體狀況，讓人們關(guān)注其身體狀況，進(jìn)而在之后的生活中作出調(diào)整。

防兒童走失：主要通過(guò)GPS 定位并結(jié)合心率血氧等其他數(shù)據(jù)予以報(bào)警，及時(shí)確保兒童的安全，和市面上其他的手環(huán)相比，其有更高的性?xún)r(jià)比，給人們的出行安全帶來(lái)保障。

游戲體感功能：智能化提升了人們的游戲體驗(yàn)感，讓更多的游戲玩家及有一定壓力的工作人群在閑暇時(shí)間能放松身心地體驗(yàn)3D 體感互動(dòng)游戲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了娛樂(lè)、互動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、益智、休閑為一體的設(shè)計(jì)理念。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的智能體感手環(huán)創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了健康數(shù)據(jù)記錄、給予兒童出行安全保障及提升游戲體驗(yàn)，健康數(shù)據(jù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行血氧檢測(cè)[1]，以判斷佩戴者每一時(shí)刻的狀態(tài)，另外游戲體感手環(huán)讓更多的游戲玩家得到一種便捷性的集娛樂(lè)、互動(dòng)、休閑為一體的體驗(yàn)感，讓他們?cè)诳旃?jié)奏的生活中得到一定程度的放松，與手機(jī)電腦及其他相關(guān)智能設(shè)備相比，便捷性較強(qiáng)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中利用了MAX30102 和MAX30100心率血氧傳感器模塊加以檢測(cè)人體的心率血氧數(shù)據(jù)，MSP51 系統(tǒng)模塊是本設(shè)計(jì)的中央控制中心，用于處理各種信息和給各個(gè)模塊發(fā)放指令，液晶顯示模塊用于顯示信息。但在項(xiàng)目中使用MSP51 系統(tǒng)模塊，其自身還是有一定的局限性，還有很多地方可以繼續(xù)加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)出行方便攜帶。

在特殊情況下使用GPS 定位獲取兒童位置信息的時(shí)候，對(duì)在可行范圍內(nèi)獲取各個(gè)點(diǎn)的位置信息相對(duì)來(lái)說(shuō)也很重要，還可以通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度GPS 模塊對(duì)地圖內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行采集，隨后上傳到手環(huán)液晶顯示模塊，對(duì)所采集到的點(diǎn)進(jìn)行繪制，繪制成具體的行程軌跡，在此基礎(chǔ)上，另外獨(dú)立提供GPS 電源模塊和血氧檢測(cè)，在其斷電或其他等特殊情況下給予兒童一定的保障。

在人們?nèi)蘸蟮纳钪?，?huì)有越來(lái)越多的智能穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)與萬(wàn)物的互聯(lián)，同樣這也是努力并且需要學(xué)習(xí)的方向。要從日常生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)自己所學(xué)的知識(shí)來(lái)改善這些問(wèn)題并優(yōu)化。