基于多传感器融合的智能穿戴设备

柯希垚 周皓冉 周鑫宇 吴伶锡

摘要：近年来，随着高性能芯片和移动互联网的发展，使智能穿戴设备成了现实。这种设备高度集成多种传感器用以收集数据，而后通过蓝牙将数据传至手机上，上位机将数据处理让使用者可以实时获取自己的运动状况和健康情况。本文在阐述了智能穿戴设备的相关概念、分类与现状的基础上，介绍了智能穿戴设备基本方案、主要模块的作用以及智能穿戴设备的发展趋势。

关键词：老龄化、智能穿戴设备、传感器

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0151-02

我国已经步入老龄化社会且老龄化现象日益严重，老人健康问题成为当今社会首要亟待解决的问题。大多数老人因为心脑血管疾病突发，抢救无效身亡，这也是平时对自己身体状况的不了解所致。心脑血管由高血压，高血脂，高血糖引起，这是国内外研究员关注多年一直未攻破的难题。既然治疗难题未共破，那我们可以将功夫花在预防上。目前智能穿戴设备花样繁多，但是由于人们对智能穿戴设备的不了解导致其市场发展缓慢，目前人们使用最多的是腕带或者腕表等单一的智能设备。针对以上问题，本文设计出了一种综合检测方案，可有效检测心率，运动状态等，同时设计了基于SIM808的通信、定位报警系统，保证了使用者在发生意外情况以后能够得到及时的帮助和治疗。

1 智能穿戴设备的概念、分类与现状

1.1 相关概念界定

智能穿戴设备概念：作为一个新兴事物出现在市场上，这方面的概念还未明确提出。因此我们可理解为将电子芯片镶嵌在衣服里的智能产品或者是直接穿戴的物品，它的特点是易携带、智能化、做工精细、多功能等，其功能大致可以概括为：心率检测、检测使用者运动状态和实时显示身体状况、报警求助等。

1.2 相关设备分类

根据佩戴位置的不同可分为以下几类：（1）可在头部佩戴的眼镜、头盔；（2）能穿戴在脚上的鞋子和袜子等；（3）可佩戴在手腕上的手表和护腕等；（4）穿在身上的T 恤背心和牛仔裤。但是由于材料的限制，智能穿戴设备发展缓慢，现在大多使用的是普通智能，一些更智能的产品还在努力研发中。

根据智能穿戴设备的技术特性和功能特点将其分为以下两类：一类是将传感器运用到智能穿戴设备上，譬如，智能手环、手表等。它们主要是利用传感器对使用者的健康相关的信息进行检测，然后通常与上位机设备进行连接，用上位机对数据进行分析、处理，然后通过显示屏反馈给使用者；另一类则是人机互动类的智能穿戴设备，这一类智能穿戴设备不仅有传感器的应用，还可以支持人机交互技术，大大提高用户体验度。

1.3 现状分析

自从智能手机问世以来，相应的配件也逐渐兴盛起来。各种智能设备相继问世，但是大多数的设备有很大的局限性脱离手机无法使用。脱离手机能独立运行的设备仍处于起步初期，产品规模小，软件和硬件缺乏通用标准，因此难以推广，消费市场冷淡。众多厂商自2013年逐渐进入该领域，手机操作系统两巨头安卓和苹果，以及使用这两系统的各个手机厂商，三星，华为，OPPO等积极投入到其中，先后推出智能眼镜、智能手表、智能手环等产品。但是智能设备综合检测系统发展还处于非常基础的阶段，仍有很大的发展空间。

2 智能穿戴设备方案及主要模块介绍

本智能穿戴设备采用多传感器融合，主要有检测心率、运动、摔倒报警等传感器。系统设计方案如图1：

2.1 光电式心率检测模块

光电式心率检测器利用光的反射原理检测心率，血液中氧气和血红蛋白的含量是会随着心脏的跳动周期性变化的，于是我们将一束光打到组织里，同时开始间歇性检测返回光强，对采集的数据运用心率算法处理，其结果就是心率变化的反映。光电心率检测器只需要单点测试，但是易受光线干扰，故我们使用运动去除算法提高测量数据精度。

2.2 运动检测模块

通过三轴加速度实时捕捉到的三个维度的各项数据，经过滤波、峰谷检测、时间差，判断使用者的运动状态，我们设计出了运动状态综合算法。在散步、慢跑等状态下都能准确的检测出使用者的运动状态。

2.3 摔倒报警模块

通过加速度传感器来测取人体摔倒时三轴加速度信号，并送入嵌入式系统进行摔倒算法分析与处理，判断人体活动状态。如果检测到有人体摔倒，系统通过GPS定位及GSM模块的远程数据传输功能，将跌倒报警和定位信息发送出去，从而实现跌倒检测与救助的功能。

2.4 通信模块

通信部分采用近场通信和远程通信。近场通信采用蓝牙通信技术，蓝牙和使用者手机相连接，用于实时了解自己的身体状况；远程通信采用GSM模块，在报警模块触发后由报警模块发送位置信息给家人，让家人在第一时间知道情况，防止处理不及时导致使用者受到二次伤害。

2.5 电源模块

智能穿戴设备本身较小，很难載大容量的电池，且智能穿戴设备一般会保持频繁的计算和网络通信，所以我们采用技术成熟的锂电池，并且对锂电池的体积和容量进行了最优化的设计。

3 智能穿戴设备主要功能与发展趋势

各大厂商虽然都在抢占智能穿戴设备的市场，但目前市场上的产品形式单一，所以想在短期内统一智能穿戴设备这一领域的市场是基本不可能的，因此可穿戴设备市场还有很大的发展空间。随着人们对自身健康的重视，智能穿戴设备也将越来越受到人们的青睐，这也会让更多的公司加入智能穿戴设备这一领域，从而促进智能穿戴设备的多元化，从手表、腕带和眼镜到护膝、护腕、背心和帽子等；未来的智能穿戴设备的功能也将越来越趋于完善，智能设备和互联网+相融合，让智能家居与设备被联动。随着科技的发展，智能穿戴设备的成本将大大降低，这会促使智能穿戴设备加速占据市场。

参考文献：

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[2] 赵静，王朝晖，陈平辉.智能穿戴终端产业发展分析与展望[J].移动通信 ，2014（21）.

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[4] Amala， M.C.， Anjaly， M.， Githin， T.S.， Jomin， J.， Arun， P.. An IntelligentWearableE-Belt for Continuous Monitoring of Sinus Rhythm[J].ICACC，2014.

[5] IHS. World Market for Wearable Technology[R].2013-10.

【通联编辑：唐一东】