基于傳感器技術的可穿戴式設備信號頻率測量

(陜西國防工業職業技術學院，西安 710300)

0 引言

可穿戴技術是在20世紀中后期，最早由麻省理工學院媒體實驗室提出的，在傳感器、多媒體、無線通信等多項交互處理手段的支持下，人們的衣著質量得到大幅提升。隨著可穿戴技術的應用普及，可穿戴式設備應運而生。所謂可穿戴式設備指的是可以直接穿在人體，或在人體衣服、配件中進行有效整合的便攜設備[1-2]。這種新型設備不僅具備硬件執行平臺的所有操作功能，也能夠在數據交互、云端傳輸等技術手段的支持下，實現信息與數據間軟件交流關系的構建。

傳統QT方法通過建立隸屬函數的方式，對可穿戴式設備信號的數據來源進行統計，并通過AHP數學方法對所有信號數據進行量化處理，達到測量信號頻率的目的。但隨著科學技術手段的進步，這種傳統測量方法逐漸顯露出檢測帶寬占比率過高、電磁干擾免疫性能較差等問題。為避免上述情況的出現，在保留QT方法應用優勢的基礎上，通過信號質量評價、測量標準具計算等手段，建立一種基于傳感器技術的新型可穿戴式設備信號頻率測量方案，并通過對比實驗證明該方法的時效性。

1 可穿戴式設備頻率測量參數選取與計算

在信號需求分析、指標信號選取、評價算子計算三個步驟的支持下，完成可穿戴式設備信號的質量評價，實現新型頻率測量方法的基礎準備環節搭建。

1.1 信號需求分析

隨著可穿戴式設備運行信號總量的不斷增加，數據與數據之間的交互方式也變得更加復雜。由于大量可穿戴式設備在運行過程中都會產生信號數據，且這些數據的種類及來源情況較為復雜，其自身的需求分析可從如下幾方面進行：

1)信號數據量大。可穿戴式設備信號的數量和種類繁多，同一類信號所對應的設備運行狀態也不盡相同，在整個運行過程中由于設備連接狀態的改變，各類信號數據所面對的需求條件也隨之變化，這也是造成設備信號頻率參數大量堆積的主要原因。

2)信號數據采集周期不一致。為避免數據丟失對頻率測量結果造成的影響，信號采集周期的設置必須參考可穿戴式設備運行狀況的反饋周期[3]。在可穿戴式設備運動現狀的影響下，信號數據的關注度不盡相同，所以與其匹配的采集周期也會出現較大差異。

3)信號數據類型復雜。隨著可穿戴式設備運行條件的改變，所有信號數據在一個測試周期內都呈現周期性變化趨勢，但由于每個信號波動的峰、谷值均不相同，也就導致信號數據整體變化形態較為復雜，進而出現多種不同類型的信號頻率數據。

1.2 指標信號的選取

可穿戴式設備指標信號選取以信號需求分析結果作為依據，通過對信號頻率數據的定性、定量分析，得到具有量化性的信號質量考察維度體系。從穩態分析角度來看，可穿戴式設備信號質量數據的可靠性受到信號數據總量的直接影響[4]。設e代表可穿戴式設備信號數據總量，根據穩態有效分析法則，可將信號質量數據的可靠度表示為：

(1)

其中：α、α′分別代表穩態積分的上、下限參數，f(e)代表與可穿戴式設備信號數據總量相關的定義式。從設備自身的運行特點來看，可穿戴式設備信號質量數據的核查系數受到信號數據采集周期t、信號類型向量q的共同影響，且在運行環境保持不變的前提下，核查系數與t、q之間的關系可表示為：

w2=(1+q)yt-φ

(2)

上式中，y代表可穿戴式設備信號質量數據的核查條件，φ代表理想狀態下信號數據采集周期的最小值。已知有效度函數作為基本應用準則，會對可穿戴式設備指標信號的選取結果產生定向影響，假定設備信號質量數據可靠度與核查系數不發生偏移影響，利用w1、w2可將信號需求分析下的指標信號選取結果表示為：

(3)

其中： lnE代表以10為底可穿戴式設備信號的總需求量，i代表平均需求條件，χ代表選取規劃常量。

1.3 質量評價算子的計算

可穿戴式設備指標信號的質量評價算子具備一定數據標準化處理能力，可以根據不同信號選取結果所占權重，判斷該信號的基礎運行頻率是否滿足測量要求。假設在理想狀態下，所有可穿戴式設備的質量預設指標評分均為1，但由于受到人體運動狀態改變、外界環境變換等情況的影響，一部分指標的質量評分會發生上升或下降，且與其相關的隸屬度、權重等屬性數值也會隨之發生變化[5]。設λ代表指標隸屬度，η代表指標所占權重，聯立公式(3)可將可穿戴式設備信號質量評價算子表示為：

(4)

2 基于傳感器技術信號頻率測量方案的設計

在可穿戴式設備信號質量評價的基礎上，通過傳感器信號偏振調制、測量標準具計算、信號頻率間隔調整三個主要步驟，實現新型信號頻率測量方案的搭建。

2.1 傳感器信號的偏振調制方法設計

傳感器信號偏振調制可從橫波、縱波兩個方向同時進行。對于傳感器信號的橫波偏振調制來說，當可穿戴式設備信號垂直進入偏振分束器后，可以得到兩個處于平衡狀態輸出頻率信號，且它們調制指數的絕對值相等、符號相反。其中一個輸出頻率信號在經過橫波相位調制后，利用PM設備進入上級PF裝置；另一個輸出頻率信號直接進入偏振合束器，并在其中等待與PF裝置中的輸出頻率信號匯合[6-7]。詳細調制原理如圖1所示。

圖1 傳感器信號橫波偏振調制原理圖

對于傳感器信號的縱波偏振調制來說，當可穿戴式設備信號垂直進入偏振分束器后，所有輸出頻率信號全部進入PM設備，并在其中進行指數絕對值協調等操作。當PF裝置發出連接請求后，一部分頻率信號直接進入偏振合束器，另一部分頻率信號先在輸出裝置中進行短暫循環，再進入偏振合束器，最后生成縱波傳感器信號。詳細調制原理如圖2所示。

圖2 傳感器信號縱波偏振調制原理圖

2.2 測量標準具計算

在傳感器技術支持下，為保證可穿戴式設備信號數據的高速傳輸，與指標信號質量評價算子相關的頻率容量必須得到實時擴充。隨著可穿戴式設備信號頻率測量時間的不斷增加，評價算子頻率容量擴充度始終在一個標準值附近上下徘徊，該標準值即為測量標準具。隨著傳感器信號偏振調制效率的不斷增加，可穿戴式設備信號的傳導能夠克服電子檢測器件的波形瓶頸，在信號平行傳導區域中頻率測量的基本帶寬得到大幅提升，但其整體占比結果卻不斷降低[8-9]。且在原有信號強度的基礎上，傳感器對設備基礎頻率進行了有效提升，并以此方法賦予可穿戴式設備強有力的抗電磁干擾能力。設可穿戴式設備信號質量評價算子不隨測量時間的增加而改變，始終保持為h，傳感器信號橫波偏振調制量x1、縱波偏振調制量x2也始終保持相互獨立。利用上述物理量，可將可穿戴式設備信號頻率的測量標準具表示為：

(5)

其中：c、v分別代表標準具測量的積分上、下限參數，f?代表可穿戴式設備信號的傳輸消耗量，?代表傳輸消耗周期的平均時長。

2.3 信號頻率間隔的測量調整分析

可穿戴式設備信號頻率間隔調整是新型測量方案搭建的末尾環節，可以對最終的測量精度、測量范圍等無理數值進行嚴格限定。根據傳感器的傳導特性可知，可穿戴式設備信號具備較強的可重構性，且隨著測量時間的不斷增加，與可穿戴式設備并列測量儀器的各項測量信號也會發生一定改變[10]。圖3反應了完整的可穿戴式設備信號頻率間隔調整原理。

圖3 可穿戴式設備信號頻率間隔調整原理圖

分析上圖可知，一次完整的可穿戴式設備信號頻率測量需要對頻率間隔進行三次調整，且這三次物理操作間不產生任何關聯影響。當可穿戴式設備信號進入頻率測量儀器后，這些信號平均分成兩份，并同時進行頻率間隔調整。其中一份信號在經過一段時間的物理運行后，進行第二次頻率間隔調整，最終進入精度測量設備。另一份信號直接進入精度測量設備，在其中進行物理融合后，形成完整的頻率間隔調整分析信號。整合上述所有操作原理，完成傳感器技術下可穿戴式設備信號頻率測量方案的搭建。

3 測量技術的應用試驗

為突出說明傳感器技術下可穿戴式設備信號頻率測量方案的實用價值，在相同物理平臺上，模可穿戴式設備的應用情況，設計如下對比實驗。以兩臺信號發出裝置完整的可穿戴式設備模擬機作為實驗對象，其中實驗組模擬機搭載傳感器技術下的新型信號頻率測量方案，對照組模擬機搭載傳統QT方法，在保證其它影響因素不變的前提下，應用控制變量法，分別記錄相同實驗環境下，實驗組、對照組實驗數據的變化情況。

3.1 實驗參數設定

結合物理平臺應用條件，根據表1完成實驗參數設置。

表1 實驗參數設定表

上表中SOV參量代表傳感運行向量、LEI參數代表電磁干擾免疫水平極值、FMB參數代表頻率測量基量、DBE參數代表檢測帶寬占比極值、EET參數代表實驗時間，為保證實驗結果的絕對公平性，實驗組、對照組實驗參數始終保持一致。

3.2 抗電磁干擾免疫水平對比

為避免突發性事件對實驗結果真實性造成影響，本次實驗分兩部分進行。在可穿戴設備信號保持分層運行、傳感運行向量為0.42的條件下，以100 min作為實驗時間，分別記錄在該段時間內，實驗組、對照組實驗對象抗電磁干擾免疫水平的變化情況；在可穿戴設備信號保持整體運行、傳感運行向量為0.71的條件下，以100 min作為實驗時間，分別記錄在該段時間內，實驗組、對照組實驗對象抗電磁干擾免疫水平的變化情況。詳細實驗對比結果如表2、表3所示。

表2 抗電磁干擾免疫水平對比表(分層)

對比表1、表2可知，實驗組抗電磁干擾免疫水平在50～60 min之間的變化值最大，達到11.26%，對照組抗電磁干擾免疫水平在70～80 min之間的變化值最大，達到16.03%，遠超過實驗組。在60～80 min之間，實驗組抗電磁干擾免疫水平始終保持最大值75.92%，與上限數值相比上升了1.57%；在第80 min時，對照組抗電磁干擾免疫水平達到最大值53.71%，與上限數值相比下降了20.64%，遠低于實驗組。綜上可知，在可穿戴設備信號保持分層運行、傳感運行向量為0.42的條件下，應用傳感器技術下可穿戴式設備信號頻率測量方案，可促使抗電磁干擾免疫水平提升22.21%。

表3 抗電磁干擾免疫水平對比表(整體)

對比表1、表3可知，實驗組抗電磁干擾免疫水平在30～40 min之間的變化值最大，達到10.93%，對照組抗電磁干擾免疫水平在20～30 min之間的變化值最大，達到12.52%，遠超過實驗組。在40～60 min之間，實驗組抗電磁干擾免疫水平始終保持最大值72.38%，與上限數值相比上升了1.10%；在第30 min時，對照組抗電磁干擾免疫水平達到最大值54.29%，與上限數值相比下降了16.99%，遠低于實驗組。綜上可知，在可穿戴設備信號保持整體運行、傳感運行向量為0.71的條件下，應用傳感器技術下可穿戴式設備信號頻率測量方案，可促使抗電磁干擾免疫水平提升18.09%。

3.3 檢測帶寬占比量對比

為避免突發性事件對實驗結果真實性造成影響，本次實驗分兩部分進行。在可穿戴設備信號保持分層運行、頻率測量基量為0.64的條件下，以100 min作為實驗時間，分別記錄在該段時間內，實驗組、對照組實驗對象檢測帶寬占比量的變化情況；在可穿戴設備信號保持整體運行、頻率測量基量為0.83的條件下，以100 min作為實驗時間，分別記錄在該段時間內，實驗組、對照組實驗對象檢測帶寬占比量的變化情況。詳細實驗對比結果如圖4、圖5所示。

圖4 檢測帶寬占比量對比圖(分層)

分析圖4可知，隨著實驗時間的增加，實驗組、對照組檢測帶寬占比量呈現截然不同的變化趨勢。20 min之前實驗組檢測帶寬占比量逐漸上升，20～100 min之間實驗組檢測帶寬占比量之間下降。40 min之前對照組檢測帶寬占比量逐漸下降，40～80 min之間對照組檢測帶寬占比量逐漸上升，80～100 min之間對照組檢測帶寬占比量逐漸上升。實驗時間為20 min時，實驗組檢測帶寬占比量達到最大值52.87%，與極限數值相比下降了4.29%，實驗時間處于80～100 min之間時，實驗組檢測帶寬占比量達到最小值7.92%。實驗時間處于60～80 min之間時，對照組檢測帶寬占比量達到最大值59.48%，與極限數值相比上升了2.32%，遠高于實驗組，實驗時間處于40～60 min之間時，對照組檢測帶寬占比量達到最小值9.03%，高于實驗組。綜上可知，在可穿戴設備信號保持分層運行、頻率測量基量為0.64的條件下，應用傳感器技術下可穿戴式設備信號頻率測量方案，可促使檢測帶寬占比量下降6.70%。

圖5 檢測帶寬占比量對比圖(整體)

分析圖5可知，隨著實驗時間的增加，實驗組、對照組檢測帶寬占比量呈現截然不同的變化趨勢。在整個實驗過程中，實驗組檢測帶寬占比量始終呈現較為明顯的波動狀態。對照組檢測帶寬占比量呈現上升、下降交替出現的變化趨勢。實驗時間為80 min時，實驗組檢測帶寬占比量達到最大值52.40%，與極限數值相比下降了8.27%，實驗時間處于60～80 min之間時，實驗組檢測帶寬占比量達到最小值8.56%。實驗時間處于20～40 min之間時，對照組檢測帶寬占比量達到最大值66.07%，與極限數值相比上升了5.40%，遠高于實驗組，實驗時間處于0～20 min之間時，對照組檢測帶寬占比量達到最小值10.48%，高于實驗組。綜上可知，在可穿戴設備信號保持整體運行、頻率測量基量為0.83的條件下，應用傳感器技術下可穿戴式設備信號頻率測量方案，可促使檢測帶寬占比量下降13.67%。

4 結束語

新型可穿戴式設備信號頻率測量方案以傳感器技術平臺作為應用背景，在信號需求分析、指標信號選取、評價算子計算三個步驟的支持下，完成信號質量評價，通過頻率間隔調整等方式，對電磁干擾免疫力差、檢測帶寬占比高等問題進行有效解決。從搭建過程方面來看，新型測量方案中的數據計算量相對較小，且沒有對數值精確度進行嚴苛要求，在一定程度上避免因運算誤差造成方案測量準確率下降問題的出現，應用傳感器技術下可穿戴式設備信號頻率測量方案，可促使抗電磁干擾免疫水平的提升，同時也可促使檢測帶寬占比量下降。從某些角度來看，傳感器技術下可穿戴式設備信號頻率測量方案能夠充分代替傳統QT方法，具備一定的實際推廣價值。