基于物联网的高跟鞋智能健康系统研究与设计

王韦靖 倪坤宇

摘要：为缓解并消除由于长期穿高跟鞋而引发的一系列健康问题，本文拟依托于先进强大的科学技术以及发展日臻成熟的物联网研制一套功能完善、性能可靠的高跟鞋智能健康系统，弥补当前计步型智能鞋的不足。在今后发展中，相信随着科学技术的不断发展，智能鞋会变得愈来愈智能化、便捷化以及专业化，而这同时也是本研究的创新之处。

关键词：调温性;避障性;运动行为;传感器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0144-02

0 引言

高跟鞋，性感的代名词，它能够提高女性魅力，同时也是彰显女人审美和品味的重要标志物。于女人而言，高跟鞋并非不只是一双鞋子，它是提升女人气质的重要法宝。

长时间穿高跟鞋会对人体健康产生较大威胁。在穿上高跟鞋之后，由于后脚跟处于抬起状态，人体负重力线会发生较大变化，周身大部分重量会集中于前脚掌位置，容易引发槌状趾。作为人的第二心脏，脚对人们的身体健康而言至关重要。在气温较低的时节穿高跟鞋，寒气会侵入人体，不利于人体健康，若脚长期受寒，势必会对肾功能产生较大危害，即便是年龄尚轻，也会出现显著症状，譬如身体冰凉、无食欲等。从中医角度而言，脚上分布着大量穴位，久而久之会引发痉挛性足痛趾等病症，严重时，会对其他生理机能造成较大损伤，不利于人体健康。

人体运动行为信息采集可大体划分为两种：一种是图像采集，另一种是传感器采集。相较于前者来讲，后者的优势主要表现为投入少，对环境光线、硬件性能等要求相对较为宽松，并且设备功耗比较小。Hsu Y等人[1]通过不懈努力构建了可穿戴惯性传感器网络，惯性传感器能够以一种便捷高效的方式戴在腕部以及脚踝上，以此实现对各类运动信息的实时化、动态化、精准化采集;Ejupi A等学者[2]表示可在人们的颈部佩戴一个“吊坠”，以此实现对胸部区域气压、加速度等相关指标的精准化、高效化测量，该“吊坠”能够及时敏感地感知人体重心变化;Hegde N等学者[3]共同研发了一款能够儿童智能鞋，不仅能够对身体运动情况进行精准测量，还能够实时掌握步态，除此之外，在鞋垫内配置了一个微型压力传感器，同时，在鞋后跟的部位以外置的形式配置了盒体，该盒内包含一个微型加速度传感器。

强家辉等学者[4]在进行反复试验之后研制出了一款灵敏的小型足底压力采集装置，在鞋垫上以科学合理的方式配置若干个微型压力传感器，其主要功能是实时精准地获取足底压力信息，不过安装在鞋后跟部位的电路占用的空间比较大;宦若虹等学者[5]依托于先进的信息技术直接借助手机中的惯性传感器实现对人体运行信息的精准化、动态化、持续化采集。以上通过传感器采集运动信息的策略基本上都存在着佩戴麻烦、无法采集多元信息等问题。

高跟能够瞬间提高人的气质，也能够增强人的魅力，不过在穿高跟鞋的过程中，人的身体会不同程度地向前倾，如果在走路过程中遇到障碍物，可能会由于崴脚而摔倒。一般来讲，鞋跟愈高，危险越大，受伤的可能性愈大。

鉴于此，本文基于鞋头避障性、鞋掌调温性、足弓智能健康服务性之上研发出了一款舒适安全且极富实用性的智能型高跟鞋。

1 主要模块设计

1.1 鞋掌的可调温性

温湿度检测功能通过性能可靠、读数精准的DHT11型数字温湿度传感器进行实现，温度测量区间为0～50℃，测量误差为±1～2℃;相对湿度测量区间为20%RH～90%RH，测量误差为±4%RH～±5%RH。在此次设计中，选用了简单的4针单排引脚封装形式，小型化，无需占用较大空间，功耗非常小，将此装置安装于鞋底符合对温度、湿度这两类数据的采集要求。温湿度控制的作用机制可参考图1。根据此图能够清晰直观地了解到，hot端和电热片进行科学连接，而MOTOR端则和风扇进行规范合理地连接。在采集到鞋内温湿度数据之后，将采集到的数据和标准值进行对比，通过PID控制方式实现对鞋内温度的高效化、精准化调节。

1.2 高跟鞋的鞋头避障性

很多女性都发生过因穿高跟鞋而摔跤的经历，旨在有效规避此问题，本设计在鞋头位置配置了一个小型化、低成本的超声波传感器，波发传感器的主要功能是释放超声波，它在接触到杂物或者分界面之后能够释放由接收传感器进行实时、准确接收的反射回波，如果前面没有障碍物，下达关信号;如果无障碍物，则释放开信号，此信号会被发送至脚底区域的微型马达，这样，使用者就能够根据马达震动了解到前方有障碍物提前做好准备，避免崴脚或者摔倒。

1.3 高跟鞋的记步与热量消耗的计算

穿着高跟鞋奔波一天非常辛苦，但是，有很多爱美女性即便承受着较大的痛苦也乐此不疲地穿高跟鞋，目前，大多数手机不仅能够记录步数，还能够计算卡路里消耗情况。尽管手机对人们的工作和生活带来了极大的便利，不过不能保证每一个人都能够随时携带手机。本文设计了一款通过压力传感器实时、精准获取人体运动信息的高跟鞋智能健康系统，其结构详情可参考图2。根据此图能够了解到，此系统由两部分构成：一是数据采集系统;二是鞋体。通过智能手机实现对传感器信息的即时化、高效化、精准化的接收以及安全存储。信息利用蓝牙进行发送，其中，手机端被定义为蓝牙主机，鞋子被定义为蓝牙从机。

2 智能鞋模块分析

主要由下述几个模块构成：主控芯片：STC89C51。本设计将STC89C51选为主控芯片，它支持用户自行编程，并集成了8051内核，其最高工作时钟频率是80MHz，并且嵌入了512字节RAM，性能可靠且精度比较高。安全防护：Gps定位设备;传感器：红外线传感器和壓力传器;蓝牙传输：蓝牙装置。

3 结语

即便是在酷寒的冬季，女性穿上这款高跟鞋也不会感觉到冷，无需担心对身体造成不良影响，它能够为女性提供适宜的温度，促进血液循环，有助于提高人体抵抗力并改善睡眠质量。另外，鞋头具有良好的避障性，所以能够在改善着鞋舒适性的同时提高安全性，实用性非常强。

參考文献

[1] Hsu Y，Yang S，Chang H，et al.Human daily and sport activity recognition using a wearable inertial sensor network[J].IEEE Access，2018，6：31715-31728.

[2] Ejupi A，Brodie M，Lord S R，et al.Wavelet-based sit-to-stand detection and assessment of fall risk in older people using a wear- able pendant device[J].IEEE Transactions on Biomedical Engi- neering，2017，64（7）：1602-1607.

[3] Hegde N，Zhang T，Uswatte G，et al.The pediatric smartShoe： Wearable sensor system for ambulatory monitoring of physical activity and gait[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2018，26（2）：477-486.

[4] 强家辉，张为公，王东.基于足底压力的人体姿态检测和行为分析方法[J].测控技术，2018（1）：1-4.

[5] 宦若虹，陈月.一种基于特征增强和决策融合的人体行为识别方法[J].计算机科学，2016（S2）：151-155.

Abstract：In order to alleviate and eliminate a series of health problems caused by wearing high-heeled shoes for a long time， this paper intends to develop a set of intelligent health system of high-heeled shoes with perfect functions and reliable performance based on advanced and powerful science and technology and the development of the maturing Internet of Things， to make up for the shortcomings of the current pedometric intelligent shoes. In the future development， I believe that with the continuous development of science and technology， smart shoes will become more and more intelligent， convenient and professional， which is also the innovation of this study.

Key words：Temperature regulation; Barrier avoidance; Motion behavior; Sensors