生物智能耳机技术应用分析

韩影杰 霍殿金 陶理慧 姚竞涛 郭志康

摘要：生物智能耳机技术以红外线、脑电波、无线传输等技术实现了耳机功能细致化。在使用时，耳机可以对使用者的身体健康进行监测。文章从生物智能耳机系统技术、系统软件的架构设计、功能模块3个方面，阐述了生物智能耳机技术的应用情况。智能耳机可以对使用者的身体健康进行监测。当监测评估到使用者的身体状态不佳时，智能耳机会发出警报并上传数据。智能耳机可提醒使用者及时做出判断，更加注重生命健康安全，防止使用者受到外界伤害。

关键词：生物智能；技术；耳机

中图分类号：TP311

文献标志码：A

0 引言

生物智能耳机是通过对红外线热成像技术、脑电波成像以及智能感知与控制系统原理的分析，结合并搭置于耳机上。红外热成像系统可以采集人体红外辐射数据并且转换为数字信号上传至耳机系统^［1］。系统分析采集到的脑电波资料，从而对当前人体健康做出判断。在检测到用户处于不健康状态时，系统会发出语音警报以提醒使用者，发送消息至用户设置的紧急联系人的通信设备上，同时根据耳机的智能感知系统^［2］，判断用户当前所处环境，自动控制调节音量大小。

1 生物智能耳机的技术

1.1 生物智能耳机系统技术

1.1.1 红外热成像技术

在绝对零度（-273.15 ℃） 以上的物体都会无时无刻地对外辐射红外线，这种辐射携带着特殊信息，为利用红外技术区分各类被测目标的温度分布打好了扎实的基础。此外，红外热成像计算人体体温的方法主要是：通过光电技术检测人体周围热辐射的红外线特定波段信号^［3］，將检测的这些信号转换成人眼可以识别的图像，从而根据图像信息得出人体当前的体温分布情况。

1.1.2 脑电波成像技术

人的大脑有无数的神经元，这些神经元之间的活动可以产生特殊的电信号，这种信号就是脑电波。脑电波的形成与人脑锥体细胞顶端树突的突触后电位有关。脑电波成像是利用特殊的技术手段使得人类可以“看到人体大脑的内部情况”，帮助人类认识大脑指定区域与其功能之间的联系^［4］，从而分析人体当前情况。

1.1.3 智能控制技术

智能控制技术是机械制造技术以及智能控制知识相结合的产物，主要是研究微机原理与接口、人机操作应用、机械电子等方面的基础知识和技能，并进行智能产品的设计、软硬件安装与调试、智控系统的检测与维护等。

1.1.4 功能嫁接技术

生物智能耳机采用红外热像检测芯片以及脑电波芯片，两种芯片分别被置于两个耳机中，通过灵敏度较高的脑电仪装置检测人体大脑产生的微弱电位，这为理解人体的行为状态提供了确切的信号。红外热像检测芯片则通过对人体的红外辐射的检测^［5］，辅以信号处理、图像分割等技术手段，将人体温度分布的图像转换成人类可视图像。

1.2 图像处理算法

系统利用k-均值聚类算法划分图像的区域，处理识别到的红外技术热感应图像。图像的区域划分是根据相同点把图像分成多个小部分的过程。站在数学角度，图像区域分割的含义是对图像区域在物理上进行分离。聚类是一个动作过程，就是将数据按照不同的类或者簇划分的过程。因此，同一个簇中的对象基本都是相似的。同理，可以轻易判断出，不同簇之间有很大的相异性。图像都是由像素组成的。用数学中的向量替代图像中的每一个像素，根据它们在空间上的相似性，进行空间上的特征区分，按照顺序信息逆向法和通道返回原来的空间，得到最终想要的结果。

在图像的边缘轮廓检测和提取方面，本设计采用的是图像边缘过滤波形发生器。这个过滤波形的发生器通过分析处于边上的像素点来提取边缘的轮廓，从而识别出图像中明暗区分明显的地方。这些明暗区分明显的地方就是边缘振幅的方向。图像最终的边缘轮廓的提取是通过对边缘振幅的分析来实现的。

1.3 生物智能耳机的客户端设计

生物智能耳机系统的目标使用群体不限年龄段。登录客户端可实时观测使用者的身体健康情况。每隔一段特定的时间，红外线热传感器将检测的信号传送到系统中心。系统中心会自动根据检测结果分析采集到的信号^［6］，转换为可视图像，进而分析判断人体的健康情况。当人体健康处于不佳状态时，系统会发出警报信号，信号会被传递到用户的客户端进行强提醒。客户端支持多人同时登录，以防止使用者出现不良情况时无法通知，并且支持手机安卓和苹果的操作系统，以App的形式供用户使用。

2 生物智能耳机系统软件的架构设计

2.1 开发环境

此系统的开发程序采用的是C++语言，C++在C语言基础上进行了改进，同时也兼容C语言，成了一种面向对象的程序设计语言。其既保留了C语言的有效性和灵活性等特点，同时用C++编写出的程序结构清晰、可读性较好、代码运行效率比较高，可以使用抽象数据类型和使用多继承、多态进行面向对象的编程。

2.2 开发环境的部署

采用Vscode配置的C++ IDE开发环境，以实现在Vscode中编译和运行C/C++程序。在Vscode中，需要安装两个插件：C++和C++ Compile Run。安装好mingw后，再将mingw的安装路径加入PATH环境变量中。新建一个文件夹，然后用Vscode打开它。按“Ctrl+Shift+p”，然后在弹出的菜单中选择“C/C++：Edit Configurations（JSON）”，然后在打开的文件c_cpp_properties.json中的includePath一项中加入mingw安装文件夹中的include文件夹的路径。本系统的配置可以有效地提高编译的效率、实用性以及稳定性。

2.3 系統测试与发布

常见的系统测试按照不同的分类有不同的方法，本软件系统采用的是按照测试对象分类的测试之一——黑盒测试。黑盒测试，又被称为“功能测试”，是将测试的对象看作一个黑盒，在不考虑产品内部结构和处理过程的基础上对产品进行功能上的测试。它更注重产品的“功能性需求”。只要达到结果设定的目标，就可以不管其工作机制。经过后台检测之后，产品的功能如果没有问题就可以进行发布。后台测试之后会将系统文件发送给App的服务提供商，并根据客户的需要为客户提供下载以及安装服务。

3 生物智能耳机的功能模块

3.1 主要功能模块

3.1.1 信息采集处理模块

数据采集模块主要用途是从系统软件外部收集数据并将数据输入系统软件内部的一个插口。如图1所示，信息采集处理模块是将通信芯片、存储芯片等汇总到一块电路板上，使电路板具有收发短消息、语音播报、数据传递等功能。

3.1.2 无线传递模块

无线传递模块利用无线电波技术进行数据的传递，先通过无线数字微波传递收缩信息编码，然后用数字微波信道进行调制^［7］，再通过天线向外发射。接收端则与之相反，由天线接收信号，进行微波解扩，进行信息解收缩，还原模拟的信息信号。

3.1.3 红外/脑电波分析模块

系统利用ADC采集模拟信号完成此项功能，通过数据库中的信息对传递的脑电波和红外热成像信号进行数据的分析与比对，判断人体当前状态，根据不同的状态，发出下一步指令，到达耳机智能控制模块。

3.1.4 耳机智能控制模块

本设计的主控芯片采用的是STM32（见图2）。耳机智能控制模块是各种执行语句等程序的集合，它将程序分为多个不同的程序模块。每个程序模块将执行完成一个分功能，将这些分功能模块整合成一个整体，以满足符合要求的整个系统的功能。耳机根据收到的不同信号，访问相应的函数、程序或调用，从而实现对不同的功能交换和控制。

3.2 运行基本过程

在工作时，信息采集处理模块前端采集外界声音、人体实时红外采集信息和脑电波信号，并将其转换为电信号交由信息处理芯片处理。信息处理芯片可对接收到的信息进行判断处理。若为外界声音，则判断外界声音信号类型。当其为车辆鸣笛声时，则进一步通过无线传递模块通道将信号传递给耳机控制模块，控制耳机断开10 s，为使用者提供一定的反应时间，供其做出正确判断。之后，耳机恢复正常工作状态，继续接收外界信号，并作出判断。其次，当采集的信息为人体实时红外采集信息和脑电波信号时，也将其转换为电信号并交由信息处理芯片处理，进一步通过无线传递模块传送到红外/脑电波分析模块平台进行分析处理，与人体正常情况下的数据进行分析、对照，得到当前使用者的身体健康情况。根据不同健康情况，传感器会发送不一样的信号到达耳机智能控制模块。当健康情况出现异常时，控制模块及时发送紧急通知到用户客户端，并发出警报，及时提醒使用者和监护者，以便对当前情况进一步做出判断。当健康情况正常时，控制模块会及时发送正常通知到达用户客户端。之后，耳机恢复正常工作状态，继续接收外界信号，并等待下一次做出判断。

4 结语

综上所述，通过对生物智能耳机所需技术的深入探究，以及对红外线热成像技术、脑电波成像以及智能感知与控制系统原理的分析，本设计认为红外热成像系统可以采集人体红外辐射数据并且转换为数字信号上传至耳机系统中，同时与脑电仪采集到的脑电波资料结合进行综合分析，从而对当前人体健康做出判断。在检测到用户身体处于不健康状态时，监测系统会发出语音警报以提醒使用者，并发送消息至用户设置的紧急联系人的通信设备上。在日常生活中，人们在使用耳机时面临的情况是复杂多变的。生物智能耳机技术不仅提高了耳机智能化，还以红外线、脑电波等技术对耳机的功能作出了巨大的创新，同时更加注重对使用者的生命安全以及健康状态的监测。随着科技的进步，人们对耳机智能创新的需求增加，生物智能耳机技术在未来还会有更大的发展前景。

参考文献

［1］罗云青.C++语言下的跨平台软件开发［J］.电子技术与软件工程，2015（9）：62-63.

［2］彭文强.医院红外精准测温系统的设计与研究［J］.中国医学物理学杂志，2020（8）：1068-1070.

［3］许新建.新型鼓膜红外测温系统的设计与运用［J］.生物医学工程与临床，2020（4）：381-386.

［4］李强.睁眼、坐姿瞌睡状态下的脑电波结果分析［J］.桂林航天工业高等专科学校学报，2004（3）：41-43.

［5］易诗，李俊杰，贾勇.基于红外注意力提升机制的热成像测温区域实例分割［J］.电子与信息学报，2021（12）：3505-3512.

［6］庞英娜，马烽基.一种基于轻量级深度网络的无参考光学遥感图像增强算法［J］.航天返回与遥感，2022（2）：74-81.

［7］吕进.5G通信大规模天线无线传递技术探讨［J］.产业与科技论坛，2021（23）：37-38.

（编辑 王永超）

Application analysis of biosmart Headphone technology

Han Yingjie， Huo Dianjin， Tao Lihui， Yao Jingtao， Guo Zhikang

（Anhui Sanlian College， Hefei 230601， China）

Abstract： Biological intelligent headset technology with infrared， brain wave， wireless transmission and other technologies achieves the meticulous function of the headset. In use， the headset can monitor the users physical health. This paper expounds the application of biological intelligent headset technology from three aspects： system technology， architecture design of system software and functional module. Smart headphones can monitor the health of the users body. When the monitoring evaluates the users poor physical condition， the smart ear opportunity alerts and uploads the data. Smart headphones can remind users to make timely judgments， pay more attention to life， health and safety， and prevent users from being hurt by the outside world.

Key words： biological intelligence; technology; headphone