智能體感手環＊

潘秋悅，王 馨，張躍看

（安徽三聯學院，安徽 合肥 230000）

隨著科學的快速發展，人類社會迎來了大數據時代。智能設備為人們所接受并迅速流行，智能手環便是其中的一種。其相關的科學技術取得了廣泛的運用，以手環為例，使人們的日常生活獲得了極大的便捷。通過使用這款手環，使用者可以記錄人體在日常生活中進行的鍛煉、睡眠還有飲食健康等實時數據，并將這些數據與使用者本人的手機、平板等智能設備進行同步及存儲。使用者還可以隨時隨地查閱這些數據，同時也可以查閱家庭其他人員的相關數據，并通過這些數據對自己及家人的生活質量及飲食健康進行相應改善，還可以幫助人們了解自身睡眠質量并進行調整，通過智能設備與日常生活方方面面的結合，起到以大數據來記錄健康生活的作用。隨著技術的發展及優化，檢測人體心率及運動相關信息與手機相匹配等設計越來越多，版本的更新也使功能越來越強大，從中體現出手環在人們的日常生活有一定的幫助作用，手環擁有強大的信息儲存能力和其他物品與之無法媲美的便捷性，進而越來越多的人使用并支持手環。

智能體感手環在對應手機及平板相關智能設備上有專門的APP，用戶登錄APP 將個人信息進行完善，APP 會記錄本人日常生活中的一些健康數據，形成一套全新的體系，同時在其他頁面可以通過添加相關家庭成員的基本信息，系統會同步儲存家庭成員的健康數據，促進對彼此之間健康的了解，在一定程度上更好地改善家庭的生活質量。智能體感手環在某方面上可以取代目前使用的部分手環以及一部分運動設備，并且比它們更加便捷化。這些特殊功能性是其他設備所無法比擬的。現在是大數據時代，其記錄存儲功能變得更加信息化，能對數據進行集中處理。并且新增加的體感游戲體驗讓處于快節奏生活的人們得到一定程度的放松；家長帶孩子出去游玩不小心走丟時，通過手環定位方式可以幫助家長及時確定孩子的位置，在緊急情況時提供一定的安全保障，使孩子更安全地出行，未佩戴及斷電時手環會利用存儲的基礎電量檢測小孩子的血氧心率數據是否異常[1]，若出現異常，會及時通過APP 傳送到家長的手機系統進行提示，準確了解兒童的身體情況，為確保兒童的安全提供了一定程度的保障。

對于本設計采取了邊設計邊解決問題的方法，通過前期的論證來證明技術的可行性，在分析和資料收集的過程中出現的問題，會積極查閱相關的資料，及時解決這些問題，為后面提供了一定的基礎保障，在各方面技術都得到一定提高的基礎下，完善手環的制作及健康數據的錄入系統設計，從而實現相關數據的一些信息被手環所收集及存儲，在完成特殊功能之前，需要實現市面上智能手環的基礎相關功能并予以改進提高。

1 智能體感手環基本原理

1.1 健康數據監控

當下市場上能夠實現健康數據監控功能的手環不在少數[2]，類似于華為、小米等智能科技領軍企業早已制造出可監測健康數據的手環，以及市面上的一些小眾品牌在制造手環時首要考慮的也是配備能夠測心率、步數、呼吸等人體各項健康指標的功能。但是高端企業的手環主要是配合手機使用，檢測只是其附加功能，能夠檢測的功能范圍也有限，并不能夠完整全面地得出人體的各項健康數據并給出有針對性的調整建議。而小眾品牌所研發的智能手環可檢測人體的數據指標較高端企業可能會更多，這也是其宣傳的主要功能。但是考慮到成本功耗以及極端環境的影響，所制造的智能手環必然不夠精良細致，則導致檢測出的數據極有可能出現較大偏差，而不準確的健康數據會給人們帶來錯誤的指導，給用戶造成困擾與不便。

為了給用戶更好的體驗感，在實現智能手環對人體的檢測功能中，不僅僅設計了針對心率血氧的檢測功能，更是結合了當下社會人們的快節奏生活現狀，讓人們通過體感游戲得到一定程度的放松體驗，同時配置了對人們的睡眠、鍛煉及飲食等方面的檢測系統。眾所周知，人體處于不同狀態時的心率是不同的。依據心率的變化數據可以大致推測出手環持有者每一時刻的基本狀態，將每一時刻產生的數據進行相應的統計與處理后發送到用戶的手機或平板上，使用者通過調取這些數據庫，進而再依據自己的身體狀況主動調整每天的睡眠時間和鍛煉時間，及時改善自己的飲食習慣，同時用戶還可以通過手動鍵輸入自己的飲食習慣數據，用以查尋系統通過數據計算后所提供的關于最適用于自身的飲食數據建議。

利用飲食、睡眠以及鍛煉三者的有效結合可以讓使用者更加清晰直觀地得知自己最近身體的變化情況，使用者可根據身體的變化情況及時作出最有益于自身健康的調整，使人們實現更加良好、健康的生活目標并作出最正確、最實用的調整及改變。

1.2 防兒童走失功能

目前市面上大部分已研發的兒童智能手環配置的定位功能大同小異[3]，仍舊主要是通過GPS 定位的方式來幫助家長及時地確定孩子的位置，讓家長能夠快速尋找到孩子，并未考慮手環丟失或其他意外發生時家長能否及時找到孩子。即使家長與孩子距離較遠，不能及時趕到孩子身邊，孩子也可以通過智能手環隨時與家長進行聯系，家長就能及時了解孩子的情況，但在遇到緊急情況的時候，兒童大概率都沒有足夠的時間去反應或者當手環意外丟失時也無法進行相應的報警，所以本次設計結合上述問題設計了兒童未佩戴手環的手環自動報警檢測系統以及斷電報警檢測系統，能夠在手環丟失或者損壞時立馬報警提醒家長，給兒童的安全多一份保障。整體功能流程如圖1 所示。

當兒童獨自一人在校外或者家庭住處之外的地方時，如果未佩戴手環，此時手環會結合當前兒童的心率血氧數據進而進行相應的提示，同時家長的手機會接收到相應的信息。當手環在即將斷電時，也會及時進行提示報警，同時手環內部加載了一個獨立的GPS供電模塊，能讓手環即使處于斷電的狀況下，仍然可以向兒童的家長手機提供相應的活動軌跡和定位，方便家長及時掌握兒童的情況并采取相關的措施。

1.3 游戲體感功能

如今手環越來越智能化，在很多手環的內部已經安裝了姿態檢測功能[4]，現在人們在空閑的時候，為放松身心會選擇去體驗3D 體感游戲操作。因此本設計如果僅僅具有健康數據的監控以及防止兒童丟失的功能，并不能滿足大多數年齡段的需求，正值青春年華的少年們以及青年男子都更加鐘愛具備科技感且酷炫的設備，而因工作忙碌的人們也喜歡在日常閑暇休息時通過打游戲來實現放松的目的。故而在本次的設計中就將手環帶有的姿態檢測模塊功能與手機的相關游戲軟件相結合，在使用者去體驗符合條件的游戲時就可以通過手環的上下左右的移動和旋轉按鍵控制游戲中角色的移動。例如和現在市場上的用一個手帶上相應的裝置即可實現對小車前后左右移動一樣，如果將這種功能集成在手環和手機游戲中，可以極大地提高人們對部分體感的操作體驗并在游戲體驗中得到一定程度的放松。在實現方面上，首先手環檢測到姿態數據，然后將姿態數據處理為向前、向后、向左、向右的4 個信號之一，完成后將信號通過服務器傳送至手機中，手機接收到相應的信號后再將其轉化為相對應的游戲中的操作信號即可。

1.4 系統模塊

為了將裝置設計得更加簡單，同時還能完整地實現功能，在元件上都采用了最常用的芯片和模塊。例如成品整體成本不超過15 元，可在后期進行生產時節約購買者的成本，增加該裝置的性價比，降低維修成本。由于產品結構并不是過于復雜，因此在安裝和維護時就顯得比較容易。

本設計由GPS 模塊、MAX30102 和MAX30100心率血氧傳感器模塊、MSP51 模塊、液晶顯示器模塊、電源管理模塊組成。MSP51 模塊是本設計的中央控制中心，用于處理各種信息和給各個模塊發放指令。液晶顯示模塊用于顯示基礎信息，如日常生活中健康數據監控。健康數據監測中的血氧檢測給兒童防丟中的部分功能帶來了極大的便捷，且其中模塊涉及的單片機的供電為5 V，生活中人們常用的手機充電頭或者充電寶都為5 V 電源，在本裝置上有穩壓電路，可直接將充電寶或5 V 手機充電頭連接至裝置中，對裝置進行供電，極大地提高了裝置的可行性及便捷性。

2 系統優點

健康數據監控：記錄人們睡眠、飲食及鍛煉等方面的信息，測量步數、心率、熱量、鬧鐘數據，起到通過智能設備提醒人們健康生活的作用。通過對心率血氧檢測進行分析，以判斷出佩戴者的每一時刻的狀態，讓人們及時地了解現階段的身體狀況，讓人們關注其身體狀況，進而在之后的生活中作出調整。

防兒童走失：主要通過GPS 定位并結合心率血氧等其他數據予以報警，及時確保兒童的安全，和市面上其他的手環相比，其有更高的性價比，給人們的出行安全帶來保障。

游戲體感功能：智能化提升了人們的游戲體驗感，讓更多的游戲玩家及有一定壓力的工作人群在閑暇時間能放松身心地體驗3D 體感互動游戲，同時實現了娛樂、互動、運動、益智、休閑為一體的設計理念。

3 結束語

本文提出的智能體感手環創新點在于實現了健康數據記錄、給予兒童出行安全保障及提升游戲體驗，健康數據系統負責進行血氧檢測[1]，以判斷佩戴者每一時刻的狀態，另外游戲體感手環讓更多的游戲玩家得到一種便捷性的集娛樂、互動、休閑為一體的體驗感，讓他們在快節奏的生活中得到一定程度的放松，與手機電腦及其他相關智能設備相比，便捷性較強。

在設計過程當中利用了MAX30102 和MAX30100心率血氧傳感器模塊加以檢測人體的心率血氧數據，MSP51 系統模塊是本設計的中央控制中心，用于處理各種信息和給各個模塊發放指令，液晶顯示模塊用于顯示信息。但在項目中使用MSP51 系統模塊，其自身還是有一定的局限性，還有很多地方可以繼續加以改進，實現出行方便攜帶。

在特殊情況下使用GPS 定位獲取兒童位置信息的時候，對在可行范圍內獲取各個點的位置信息相對來說也很重要，還可以通過單片機驅動高精度GPS 模塊對地圖內的點進行采集，隨后上傳到手環液晶顯示模塊，對所采集到的點進行繪制，繪制成具體的行程軌跡，在此基礎上，另外獨立提供GPS 電源模塊和血氧檢測，在其斷電或其他等特殊情況下給予兒童一定的保障。

在人們日后的生活中，會有越來越多的智能穿戴設備實現與萬物的互聯，同樣這也是努力并且需要學習的方向。要從日常生活中發現問題，通過自己所學的知識來改善這些問題并優化。