宠物猫智能家具人宠健康监测系统设计探析

杨蕙羽 杨子倩

摘要：本文主要叙述智能家具对人和宠物猫健康监测的主要类型和常见的传感器类型，大致分析传感器运作的主要方式、优势与局限性，同时对基于无线传感器网络的智能家具健康监测系统的硬件系统和软件系统进行综合论述，并结合人和宠物猫的生理行为特点，对传感器在宠物猫智能家具中的位置分布进行分析。

关键词：传感器;健康监测;智能家具;智能化;宠物猫

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）10-0-02

0 引言

随着科技的发展，智能化成为不可避免的大趋势。家居智能化是提高人们生活质量的重要途径，智能家具是智能化的重要载体。

宠物猫是目前主流的宠物类型，与人类存在一定差异。智能家具服务的对象不单单是人类，需要兼顾宠物猫和人类各方面的特点，满足彼此需求。

人类寿命增长，对健康的重视程度也不断提高。将健康监测系统纳入智能家具和智能家居系统，能够更直接地获取并处理数据信息，并根据实际情况进行反馈。

1 人宠健康监测

1.1 智能家具对人类健康监测的主要类型

人类进行健康监测的基本生命信号主要有四个，即心率、动脉血氧饱和度、体温和血压。

受健康监测系统载体和技术手段的限制，智能家具一般选择对心率和体温进行监测，据此了解被监测者的健康状态，并作出最基本的判断。

人类健康监测的主要对象有儿童、青壮年、老年。针对三类人群的不同特点，健康监测有不同的侧重点，系统设置也有所不同。例如，基于认知条件的差异，儿童的自我调节机制相对较弱，他们需要成人的引导，智能家具的引导性需要增强[1]。

普遍情况同时存在不同监测对象，因此更需要在健康检测系统内进行明显区分。

1.2 智能家具对宠物猫健康监测的主要类型

宠物猫健康监测信号与人类一样有四个，监测的主要内容也是心率和体温。

宠物猫的基本生命特征、体型和活动特点与人类都有较为明显的差异。监测宠物猫，能够根据与数据库内数据的对比，判断其健康状况。

宠物猫健康监测的主要对象也可以依据年龄和体型进行划分，遇到品种特殊的宠物猫时，也可根据系统内的信息进行健康状况监测。

1.3 智能家具人宠健康监测的意义和作用

人类能够自己感知健康状态，并采取对应的措施，但是宠物不行，因此其健康状况需要重点关注。在宠物猫智能家具这一领域，与宠物健康监测相关的研究和设备开发依然是一个有待发展的开放性问题[2]。

寵物猫智能家具通过对人宠的健康状态进行监测，为人宠的安全和健康提供更全面的保障;对异常状态进行预警，对可能产生的疾病进行预测，对可能的受伤等异常状况及时发现并实施相对应的措施，能够有效减少健康风险。

智能健康监测的设备市场不断扩大，成熟的技术为传感器嵌入智能家具奠定了基础，也使低成本计算平台拥有强大的数据存储、共享和分析能力。

2 健康监测传感器类型

健康监测处于智能医疗中的“观察发现”环节。通过相应的技术手段、相关的智能设备和引入智能机器人等，对环境内的各项健康数据进行采集、记录、对比、处理和判断，并及时反馈，从而更有效地应对不同的健康状况。

在健康监测体系中，无线传感器网络能够实时监测人体的生理信息和运动信息，为检测者提供许多重要的定量信息，对一些常见的慢性病进行早期监测、早期预防和早期干预[3]。

传感器是智能家居系统和智能家具中健康监测系统数据的主要来源，不同的监测项目、不同的家居条件要使用相应的传感器。

常用于健康监测系统的传感器有五种。

2.1 加速度传感器

加速度传感器的作用是测量心脏每分钟跳动的次数和脉搏搏动的次数。其主要组成部分为质量块、阻尼器、敏感元件、弹性元件和适调电路。常见的加速度传感器类型包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式。

2.2 温度传感器

能够被监测的疾病常常与体温的变化相关，也可以通过体温的变化体现治疗的效果。

宠物猫智能家具温度系统主要通过温度传感器对体温和环境温度进行监测，将信息传递到中央处理单元，中央处理单元再将采集到的数据与数据库中的正常数据进行比较、分析、处理，然后反馈，并对数据进行存储和显示。

2.3 心率检测脉冲传感器

嵌入智能家具的传感器，在心率监测方面需要满足一定条件，与被监测者的近距离接触能使监测结果的准确性提高。

心率检测脉冲传感器的作用是将采集到的心率信号转换成模拟电压信号。健康监测系统能通过心率检测脉冲传感器采集数据，并通过电压比较器输出方波信号，计算单位时间内的心率上限和下限完成对心率的监测。

2.4 光电式心率传感器

光电式心率传感器的工作方式是将一束光打在皮肤上，然后测量反射或者透射的光。其原理是血液对特定波长的光有吸收作用，每次心脏泵血时该波长会被大量吸收，从而确定心跳的频率。

目前常见的光电式心率传感器有两种，分透过式和反射式，主流的光电式心率传感器是透过式。光电式心率传感器的缺点是耗电大，也会因环境光而受到干扰。

2.5 多传感器融合

成本和技术方面的限制使传感器的采集精度较低，更容易受到干扰。基于现实背景和客观需求，多传感器融合的地位不断提高，成为一项需要不断投入研究、促进发展的任务。

多传感器融合即利用计算机技术，将来自多传感器或多源的信息和数据以一定的准则进行自动分析和综合，以完成所需的决策和估计而进行的信息处理过程。其效果和实施方式会直接影响智能家具健康监测系统的性能。

3 健康监测系统的硬件系统

通常情况下，智能家居系统中健康监测系统的硬件系统的三个主要组成部分是家庭网关、无线传感器网络节点和协调器[4]。

3.1 家庭网关

家庭网关是整个健康监测系统的核心，决定了家居内部网络的正常运行。家庭网关为软件运行提供接口和模块，其组成部分有嵌入式处理器、电源、复位电路、有线网络接口、无线网络模块、输入输出设备、ZigBee（紫蜂）无线通信模块、串口、液晶显示器/键盘、以太网、通用无线分组业务模块等。

电源为家庭网关的运行提供能量，ZigBee（紫蜂）无线网络为家庭网关提供内部网络，通用无線分组业务实现对家居环境的远程监控，液晶显示器显示用户管理界面，协调器通过串口与家庭网关进行连接等。

3.2 无线传感器网络节点

无线传感器节点主要由单片机、温度传感器、心率脉冲传感器、无线模块、电源模块等组成。无线传感器网络节点要求技术性强、功耗低、数据处理能力高。

为了准确获得被监测者体温、心率及环境温度的准确信息，系统需要配置温度传感器和心率脉冲传感器，传感器的尺寸要越来越小而精度要越来越高。

不同的传感器采集被监测者不同的数据信息，同时各个模块都需要配备独立的电源，并且能够方便使用者的拆卸和组装。健康数据可以有选择地传输或自动上传到终端应用程序或医疗信息处理服务器。异常数据会向使用者发出预警。

4 健康监测系统的软件系统

健康监测系统的软件系统主要由家庭网关软件、系统软件和手机监控软件这三个部分组成。

4.1 家庭网关软件

家庭网关的软件结构包括应用层、操作系统内核、硬件驱动层三个部分[5]。

家庭网关的软件系统主要完成如下任务：第一，对系统内的网络进行建立;第二，控制传感器节点准确采集需要的数据;第三，向网络监控系统发送、传输采集到的数据;第四，连接网络内的节点并对它们进行控制;第五，完成内部网络和外部网络的通信。

4.2 系统软件

系统软件的主要作用如下：第一，完成家居环境中zigbee（紫蜂）无线网络的建立;第二，实现不同智能家具中传感器的连接和通信;第三，实现不同智能家具的传感器节点和家庭网关的通信。

4.2.1 ZigBee（紫蜂）无线网络的建立

在建立ZigBee（紫蜂）无线网络时，主要有三种情况：网络的初始化建立，在网络中加入节点，节点离开网络。节点加入网络主要有三种方式：通过连接加入、重新加入和孤立节点加入。而节点离开网络可能是主动的，也可能是被动的。节点主动离开的方式因节点的不同而有所不同，节点被动离开可能是因为存在故障和异常。

4.2.2 协调器软件

协调器在整个系统的网络工作及数据传输中居于核心地位。主要作用为家居网络初始化建构和家居环境中的节点通信，以及各节点网络地址的分配。

4.3 手机监控软件

手机监控软件本质是一款移动端的智能家具健康监测系统应用程序。主要工作内容是通过对IP地址和端口号的设置，与服务器通信，从而达到对家居环境内被监测者的健康状况实时监控、及时反馈和对家居环境内硬件进行远程控制的目的。不同的手机系统需要配备不同的监控软件。

5 健康监测传感器在宠物猫智能家具中的分布

宠物猫智能家具中传感器的分布要考虑宠物猫和人类相同或相异的使用需求。于宠物猫而言，它们不懂人类的语言和文字，行为和活动需要人类辅助引导，习惯需要人类辅助养成。

宠物猫智能家具大部分体量较小，不会占据特别大的空间，因此传感器的设置相对而言会更加精密。同时宠物猫智能家具本身的材质应当耐磨，但又不会伤害到宠物猫，传感器应当设置在不被宠物猫轻易破坏，但便于使用的地方。

5.1 宠物猫智能家具的类型

5.1.1 智能猫厕所

智能猫厕所是在原猫厕所的基础上进行智能化，将需要人为进行的操作转为智能化处理，从而减轻人的负担。

5.1.2 自动饮水机

设置智能饮水机的目的是提醒宠物猫多饮水。智能饮水机能通过技术手段和特殊方式提醒宠物猫喝水。

5.1.3 自动喂食器

宠物喂食器能够实现宠物喂食的自动化，减轻主人的工作量，避免无法喂食的特殊情况。较为普遍的喂食器功能有定时喂食、饮食监控、远程投喂等。

5.1.4 智能猫窝

智能猫窝即嵌入电子科技的猫窝，其常见功能有恒温控制、数据监测、习惯记录、健康监测和安全警报。

5.1.5 人宠共生智能家具

人宠共生智能家具的形态一般以人类使用的家具类型为基础，在里面嵌入宠物猫使用和活动的部分。其智能设备的嵌入兼顾人类和宠物的使用需求。

5.2 宠物猫智能家具中传感器的分布原则

5.2.1 体温监测传感器

为了保证数据采集的准确性和方便性，智能家具中温度传感器的最低数量不应少于三个;由于监测对象的差异，需要在宠物猫智能家具中同时配备两种体温监测传感器，以保证对监测对象的区分和数据采集的合理性和准确性。

体温监测传感器最基本的原则是无遮挡，不影响体温监测，且考虑到宠物猫的体型大小和宠物猫家具的体量大小。监测宠物猫体温的体温监测传感器应位于宠物猫的身高范围内。

5.2.2 心率传感器

心率脉冲传感器的局限之一是必须紧贴使用者的皮肤，光电式心率传感器则需要使用者的配合、大量供电以及避光处理。

负责对人类的健康状态进行监测的心率脉冲传感器设置在人屈肘、平放手臂的一般高度即可。光电式心率传感器可以和心率脉冲传感器设置在同样的高度，同时需要靠近电源或电源方便更换的位置，并进行避光处理。

宠物猫使用心率脉冲传感器和光电式心率传感器需要人类的帮助，所以要设置在适合人类的高度，但要与人类使用的心率脉冲传感器或光电式心率传感器分开。

6 结语

宠物猫智能家具健康监测系统目前还处于起步阶段，大部分智能家具的健康监测仅针对人类。同时，受科学技术、成本、家庭、社会环境等因素的限制，传感器在智能家具健康监测中的应用有一定的局限性。但随着传感器和其他智能手段的不断发展和升级，健康监测系统将更加完善、全面、精确、便捷。

参考文献：

[1] 王颖，邓玉明，杨晓燕.儿童智能温度监测服装的设计与研究[J].纺织生物工程与信息学学报，2017（02）：815-820.

[2] 王子健.基于深度学习的宠物猫排泄物图像分类及其在宠物猫智能家居系统的应用研究[D].昆明：云南师范大学，2020.

[3] 林凯，李勇，孙军，等.基于多传感器融合的人体传感器网络在医学人机交互中的应用[J].信息融合，2020（15）：15-26.

[4] 王琳.基于无线传感网络的智能家居系统的设计与实现[D].郑州：战略支援部队信息工程大学，2018.

[5] 苏继成.基于ZigBee无线传感网络系统智能家居的设计与研究[D].牡丹江：牡丹江师范学院，2017.

作者简介：杨蕙羽（1999—），女，江苏扬州人，本科在读，研究方向：家具设计与制造。

杨子倩（1984—），女，江苏扬州人，硕士，讲师，研究方向：家具设计与制造。