劉晚秋， 張永鑫， 周 偉 ， 譚振江

(1 吉林師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 吉林 四平 136000； 2 數(shù)值模擬吉林省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林師范大學(xué))， 吉林 四平 136000 )

1 研究內(nèi)容

近年來，依據(jù)日常的消費(fèi)情況調(diào)查可知智能手環(huán)已成為熱銷商品[1]。而基于時(shí)下人們對身體健康的關(guān)注和重視，智能塑身手環(huán)作為實(shí)現(xiàn)健康減肥監(jiān)控的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，也日漸成為流行佩戴新寵。這種手環(huán)是利用近紅外線漫反射原理檢測脂肪，旨在幫助人們控制和保持健康體重。手環(huán)可以為用戶合理規(guī)劃一天的運(yùn)動(dòng)量。同時(shí)手環(huán)也將對使用者的步數(shù)以及心率做出精準(zhǔn)的檢測，并將檢測到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，精確分析其最終結(jié)果，從而計(jì)算出用戶在各種行為狀態(tài)下消耗的卡路里量。此外，手環(huán)還將帶有錄音、拍照、地圖導(dǎo)航以及智能語音等功能。用戶也可以通過拍照或語音輸入擬將享用的餐食，手環(huán)就會(huì)對食物進(jìn)行快速檢測，計(jì)算其中的卡路里含量，并為用戶提供符合健康需求的膳食分析。本文研究的手環(huán)打破傳統(tǒng)手環(huán)電量儲(chǔ)存時(shí)間過短的痛點(diǎn)，在手環(huán)中裝入太陽能充電裝置，從而保證手環(huán)的電量充足。而通過藍(lán)牙設(shè)備，則能支持手環(huán)與手機(jī)終端App的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸，使用最新版Bluetooth4.2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)，由此將會(huì)獲得更為準(zhǔn)確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸[2]。研究中還將在手機(jī)終端App使用基于差分進(jìn)化算法的大數(shù)據(jù)智能搜索引擎，以便用戶能夠有效實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精準(zhǔn)搜索[3]。

2 擬解決的關(guān)鍵問題

2.1 血壓檢測

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在國內(nèi)外市場上已有的手環(huán)在檢測血壓方面的根本測量原理大致可以分為3類，對此內(nèi)容闡釋如下。

(1)光電傳感器。光電傳感器檢測血壓的原理是基于光電效應(yīng)將光電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[4]。其檢測方法是通過光學(xué)傳感器采集手腕部位的脈搏波波形，分析上升斜率，波段時(shí)間等特征參數(shù)，得到特定計(jì)算公式，從而估算血壓數(shù)值。

光電傳感器檢測血壓的優(yōu)點(diǎn)在于采集人體脈搏的方法簡單方便，只要將光電傳感器配備合理的算法即可。而缺點(diǎn)則在于其結(jié)果的精準(zhǔn)性有待驗(yàn)證，并且目前市場上還未見到能夠符合醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的檢測設(shè)施和算法。

(2)光電傳感器加心電。光電傳感器加心電檢測血壓原理是與光電傳感器檢測血壓原理大致相同，就是將采集到的脈搏波信息在整合比較后，據(jù)此來分析測算其波峰的時(shí)間差。雖然與光電傳感器檢測血壓相比，其制造以及用戶使用成本均趨于高端價(jià)位，并且對手環(huán)使用者自身數(shù)據(jù)的采集方法也相對復(fù)雜，但不可否認(rèn)的是，光電傳感器加心電檢測血壓的準(zhǔn)確性卻頗為可觀。

(3)示波法。這種方法與醫(yī)院中常用的檢測血壓的方法相同。簡單來說，就是通過對測量者的手臂利用加/減壓模式來收集手臂中傳出的聲響以及壓力小脈沖，利用儀器辨識(shí)、并采集過程數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)計(jì)算最終獲得血壓值。與前述的2種方式相比，示波法的準(zhǔn)確度要更高，然而，這種方法的成本也相對更高，且產(chǎn)品略大，不具備良好便攜性。

綜合以上調(diào)研可知，迄今為止市面上能夠檢測血壓的智能手環(huán)都未能得到相對精確的測量結(jié)果。因此，本次開發(fā)的智能塑身手環(huán)將致力于研究這一關(guān)鍵問題。

2.2 手環(huán)計(jì)步算法處理

智能手環(huán)計(jì)步的精準(zhǔn)性至關(guān)重要，而智能手環(huán)計(jì)步運(yùn)動(dòng)將主要分為2步：首先是利用加速度傳感器，然后再利用算法處理來實(shí)現(xiàn)。利用加速度傳感器，手機(jī)數(shù)據(jù)相對簡單，然而，手環(huán)通過自身算法衡定步數(shù)則需要同時(shí)計(jì)算人體運(yùn)動(dòng)過程手腕移動(dòng)的3個(gè)方向的加速度矢量長度變化。但是，手腕的運(yùn)動(dòng)方向不能確定，因此，手環(huán)計(jì)算步數(shù)在軟件方面對算法處理的準(zhǔn)確性要求很高。

針對檢測人體血壓、心率、情緒等數(shù)據(jù)的手環(huán)，國內(nèi)研究廠商率先推出的就是37度手環(huán)。經(jīng)由市場調(diào)研結(jié)果分析可知，用戶認(rèn)為37度手環(huán)的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠檢測的數(shù)據(jù)較多，例如：血壓、心率、計(jì)步運(yùn)動(dòng)以及疲勞指數(shù)等，且價(jià)格適中合理，也在大多數(shù)人可以接受的范圍內(nèi)；腕帶柔軟，佩戴舒適。而37度手環(huán)的不足之處卻在于，不能精確檢測血壓；外觀并未臻至精美；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)沒有云端保存，容易丟失；手機(jī)App不能設(shè)置測試的時(shí)間間隔；手環(huán)鏈接藍(lán)牙時(shí)無提示。

智能塑身手環(huán)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，在添加一些新功能的同時(shí)將會(huì)以37度手環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)作為參考，在避免出現(xiàn)相似弊端的基礎(chǔ)上，對本次研發(fā)的手環(huán)增添了一定的設(shè)計(jì)改進(jìn)。例如，對手環(huán)的外觀做出簡單的改良，以便提供多種款式的護(hù)腕來豐富產(chǎn)品類別，給用戶呈現(xiàn)出更多的選擇；改變手環(huán)的定位,開啟GPS模塊,獲得實(shí)時(shí)位置信息[5]，將手環(huán)設(shè)置至少2種模式，任意切換，例如運(yùn)動(dòng)模式和健康助理模式。當(dāng)手環(huán)設(shè)置成運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，將能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測心率。當(dāng)手環(huán)使用者的心率出現(xiàn)不正常變動(dòng)時(shí)，手環(huán)將會(huì)通過發(fā)光或震動(dòng)的方式來提示使用者，在緊急情況下還將啟動(dòng)緊急呼救功能，智能定位使用者當(dāng)前位置，并自動(dòng)播打急救電話。當(dāng)手環(huán)設(shè)置成健康助理模式時(shí)，手環(huán)能夠依據(jù)用戶自行設(shè)置的測試間隔，提示用戶主動(dòng)佩戴手環(huán)進(jìn)行測試，以手機(jī)或手環(huán)來發(fā)送提醒。手環(huán)可連接微信運(yùn)動(dòng)；為了方便用戶，研究中將統(tǒng)計(jì)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)繪成曲線圖通過手機(jī)顯示以及手環(huán)語音提示，當(dāng)在手機(jī)上顯示時(shí)將會(huì)添加一條使用者在正常狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，與手環(huán)檢測出的動(dòng)態(tài)曲線圖進(jìn)行對比。此外，為了滿足夜跑人士的需求，還能對手環(huán)發(fā)光的色彩以及頻率進(jìn)行設(shè)置。

3 關(guān)鍵技術(shù)方法探析

3.1 睡眠檢測原理

手環(huán)檢測用戶的睡眠質(zhì)量就是通過記錄用戶從入睡到醒來這一過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化來生成判斷，人體從入睡、到睡眠、再到醒來的各個(gè)階段中，其運(yùn)動(dòng)變化量各不相同，手環(huán)中將會(huì)被設(shè)置至少6個(gè)條件，當(dāng)手環(huán)檢測到使用者的數(shù)據(jù)契合這6個(gè)條件時(shí)，手環(huán)將會(huì)認(rèn)定使用者開始入睡。深度睡眠和淺度睡眠的確定也同樣是依據(jù)各階段的不同運(yùn)動(dòng)變化量來推論實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)人基本上不再運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)就是處于深度睡眠，手環(huán)將會(huì)依據(jù)運(yùn)動(dòng)量改變的時(shí)間來判斷其睡眠狀態(tài)。本次研究也將會(huì)在手機(jī)端和手環(huán)端依據(jù)檢測到的睡眠狀態(tài)為用戶設(shè)置提醒方式[6]。

3.2 血壓檢測

血壓影響血流速度，而血流速度影響ppt。檢測血壓的原理主要是利用光電傳感器采集脈搏波ppg以及心電ecg信號(hào)，再將二者結(jié)合，綜合分析后得出其時(shí)間差ppt。

3.3 心率及呼吸頻率檢測

檢測人體的心率以及呼吸頻率有助于檢驗(yàn)人體的心臟功能和氣體交換功能，正如現(xiàn)在已知道的急性呼吸功能障礙的敏感指標(biāo)就是呼吸頻率。同時(shí)，呼吸頻率也是衡量人心臟功能強(qiáng)與弱以及氣體交換是否正常的決定性參數(shù)之一[7]。心率是人體的生命特征之一，人體心臟功能的強(qiáng)弱也可以直接通過心率的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷[8]。因此，隨時(shí)檢測心率以及呼吸頻率十分重要。

接觸式和非接觸式測量是呼吸頻率的2類檢測手段[9]。其中，接觸式測量的2種方法分別是，基于應(yīng)變片式和熱敏電阻式；對于非接觸式測量，則將采用超聲多普勒呼吸頻率檢測法作為主要的檢測方法。心率的檢測方法較為簡單，既可以從已檢測到的心電信號(hào)中獲得，也可以從脈搏跳動(dòng)中測取得到。研究可知，血液容量、紅血球的位置和血管運(yùn)動(dòng)等指標(biāo)是影響ppg信號(hào)強(qiáng)度的主要因素。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，時(shí)下對ppg信號(hào)的研究愈加深入。近年來,人們發(fā)現(xiàn)許多的頻率分量，例如心跳、呼吸、由中樞神經(jīng)系統(tǒng)引起的壓力反射和體溫調(diào)節(jié)等都包含在ppg信號(hào)中[10]。ppg信號(hào)中含有呼吸頻率表征是源于2種波動(dòng)的調(diào)制，這2種波動(dòng)分別是呼吸引起的波動(dòng)以及呼吸時(shí), 心臟的周期性變動(dòng)影響外周血管自控所產(chǎn)生的波動(dòng)。這2種波動(dòng)的周期性變化使ppg信號(hào)也同樣展現(xiàn)出波動(dòng)上的周期性，研究可從這一過程中解調(diào)出心率以及呼吸頻率，常見的解調(diào)方法有3種，相應(yīng)就是數(shù)字濾波法、小波變換法以及功率譜法。

3.4 脂肪檢測

脂肪檢測主要采用了近紅外線測量法[11]。近紅外線對人體不同組織的穿透反射效果存在差異，手環(huán)收到近紅外線的檢測結(jié)果，對其進(jìn)行分析，即可測出脂肪含量。檢測時(shí)的重點(diǎn)測試部位是人體的肱二頭肌。系統(tǒng)會(huì)將手環(huán)檢測到的數(shù)據(jù)代入算法，從而計(jì)算出使用者體內(nèi)脂肪含量的百分比。

3.5 疲勞檢測

逐次心跳之間微小的時(shí)間差異是檢測疲勞指數(shù)的關(guān)鍵所在,醫(yī)學(xué)上將其稱為心率變，即HRV。HRV的變化可以反映出人體自主神經(jīng)系統(tǒng)的活力。而本次研究檢測疲勞指數(shù)的目的在于督促手環(huán)使用者養(yǎng)成良好的生活習(xí)慣，手環(huán)檢測到的疲勞指數(shù)可作為用戶養(yǎng)生的對照和參考。

4 三維重建與模型編輯[12]

用戶初次使用智能塑身手環(huán)時(shí)，在手機(jī)端輸入性別、身高、體重、三圍等數(shù)據(jù)，手環(huán)將會(huì)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)公式計(jì)算求出使用者的黃金身材比例，手環(huán)會(huì)對其進(jìn)行三維重建與模型編輯。同時(shí)，用戶在手機(jī)端輸入2張全身的照片，系統(tǒng)會(huì)對用戶傳送的圖像予以分析、處理，并求解圖像的參數(shù)，結(jié)合其匹配結(jié)果得到空間點(diǎn)坐標(biāo)，從而對用戶自身身材達(dá)到三維重建的研究目的。系統(tǒng)會(huì)將2張重建的三維模型進(jìn)行對比，比較并統(tǒng)計(jì)出使用者的自身維度與標(biāo)準(zhǔn)維度的差距，手環(huán)將會(huì)提供相應(yīng)的塑身方案，用戶通過手環(huán)特別定制的方案來彌補(bǔ)矯正。使用者也可以自行測量計(jì)算自身三維，同時(shí)與手環(huán)給出的標(biāo)準(zhǔn)三維數(shù)據(jù)做出效應(yīng)關(guān)聯(lián)對比，并通過語音的方式對手環(huán)發(fā)出指令。

5 智能語音[13]

語音識(shí)別的結(jié)果性能主要與未知語音特征提取以及語音模板選擇的準(zhǔn)確性有關(guān)。研究中，將市面上已有的語音識(shí)別系統(tǒng)大致分為提取、匹配、樣本庫3個(gè)功能模塊。 語言識(shí)別操作設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 語音識(shí)別操作流程圖

由圖1可知，首先用戶輸入語音，系統(tǒng)將未知語音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)對其進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)在未知語音中提取、并統(tǒng)計(jì)各類語音特征，再根據(jù)其特點(diǎn)新建語音識(shí)別模板，手環(huán)在進(jìn)行語音識(shí)別的過程中將手環(huán)內(nèi)部預(yù)先存放的語音模板與未知語音信號(hào)相比，通過對比分析以及特征匹配等操作，選取能夠最大限度符合該未知語音特征的語音模板，同時(shí)則利用查詢功能給出最終的精確分析結(jié)果。

6 結(jié)束語

根據(jù)近年來國內(nèi)民眾在智能手環(huán)方面的消費(fèi)情況不難判斷未來市場發(fā)展走勢。可以預(yù)期，本文研發(fā)的智能塑身手環(huán)一旦上市，其優(yōu)秀的市場競爭力將不可小視，且在國內(nèi)市場的銷售空間也必然寬廣。本文的設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容也將為后續(xù)的同類深入研究發(fā)揮積極的推進(jìn)作用。