寵物貓智能家具人寵健康監測系統設計探析

楊蕙羽 楊子倩

摘要：本文主要敘述智能家具對人和寵物貓健康監測的主要類型和常見的傳感器類型，大致分析傳感器運作的主要方式、優勢與局限性，同時對基于無線傳感器網絡的智能家具健康監測系統的硬件系統和軟件系統進行綜合論述，并結合人和寵物貓的生理行為特點，對傳感器在寵物貓智能家具中的位置分布進行分析。

關鍵詞：傳感器;健康監測;智能家具;智能化;寵物貓

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）10-0-02

0 引言

隨著科技的發展，智能化成為不可避免的大趨勢。家居智能化是提高人們生活質量的重要途徑，智能家具是智能化的重要載體。

寵物貓是目前主流的寵物類型，與人類存在一定差異。智能家具服務的對象不單單是人類，需要兼顧寵物貓和人類各方面的特點，滿足彼此需求。

人類壽命增長，對健康的重視程度也不斷提高。將健康監測系統納入智能家具和智能家居系統，能夠更直接地獲取并處理數據信息，并根據實際情況進行反饋。

1 人寵健康監測

1.1 智能家具對人類健康監測的主要類型

人類進行健康監測的基本生命信號主要有四個，即心率、動脈血氧飽和度、體溫和血壓。

受健康監測系統載體和技術手段的限制，智能家具一般選擇對心率和體溫進行監測，據此了解被監測者的健康狀態，并作出最基本的判斷。

人類健康監測的主要對象有兒童、青壯年、老年。針對三類人群的不同特點，健康監測有不同的側重點，系統設置也有所不同。例如，基于認知條件的差異，兒童的自我調節機制相對較弱，他們需要成人的引導，智能家具的引導性需要增強[1]。

普遍情況同時存在不同監測對象，因此更需要在健康檢測系統內進行明顯區分。

1.2 智能家具對寵物貓健康監測的主要類型

寵物貓健康監測信號與人類一樣有四個，監測的主要內容也是心率和體溫。

寵物貓的基本生命特征、體型和活動特點與人類都有較為明顯的差異。監測寵物貓，能夠根據與數據庫內數據的對比，判斷其健康狀況。

寵物貓健康監測的主要對象也可以依據年齡和體型進行劃分，遇到品種特殊的寵物貓時，也可根據系統內的信息進行健康狀況監測。

1.3 智能家具人寵健康監測的意義和作用

人類能夠自己感知健康狀態，并采取對應的措施，但是寵物不行，因此其健康狀況需要重點關注。在寵物貓智能家具這一領域，與寵物健康監測相關的研究和設備開發依然是一個有待發展的開放性問題[2]。

寵物貓智能家具通過對人寵的健康狀態進行監測，為人寵的安全和健康提供更全面的保障;對異常狀態進行預警，對可能產生的疾病進行預測，對可能的受傷等異常狀況及時發現并實施相對應的措施，能夠有效減少健康風險。

智能健康監測的設備市場不斷擴大，成熟的技術為傳感器嵌入智能家具奠定了基礎，也使低成本計算平臺擁有強大的數據存儲、共享和分析能力。

2 健康監測傳感器類型

健康監測處于智能醫療中的“觀察發現”環節。通過相應的技術手段、相關的智能設備和引入智能機器人等，對環境內的各項健康數據進行采集、記錄、對比、處理和判斷，并及時反饋，從而更有效地應對不同的健康狀況。

在健康監測體系中，無線傳感器網絡能夠實時監測人體的生理信息和運動信息，為檢測者提供許多重要的定量信息，對一些常見的慢性病進行早期監測、早期預防和早期干預[3]。

傳感器是智能家居系統和智能家具中健康監測系統數據的主要來源，不同的監測項目、不同的家居條件要使用相應的傳感器。

常用于健康監測系統的傳感器有五種。

2.1 加速度傳感器

加速度傳感器的作用是測量心臟每分鐘跳動的次數和脈搏搏動的次數。其主要組成部分為質量塊、阻尼器、敏感元件、彈性元件和適調電路。常見的加速度傳感器類型包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式。

2.2 溫度傳感器

能夠被監測的疾病常常與體溫的變化相關，也可以通過體溫的變化體現治療的效果。

寵物貓智能家具溫度系統主要通過溫度傳感器對體溫和環境溫度進行監測，將信息傳遞到中央處理單元，中央處理單元再將采集到的數據與數據庫中的正常數據進行比較、分析、處理，然后反饋，并對數據進行存儲和顯示。

2.3 心率檢測脈沖傳感器

嵌入智能家具的傳感器，在心率監測方面需要滿足一定條件，與被監測者的近距離接觸能使監測結果的準確性提高。

心率檢測脈沖傳感器的作用是將采集到的心率信號轉換成模擬電壓信號。健康監測系統能通過心率檢測脈沖傳感器采集數據，并通過電壓比較器輸出方波信號，計算單位時間內的心率上限和下限完成對心率的監測。

2.4 光電式心率傳感器

光電式心率傳感器的工作方式是將一束光打在皮膚上，然后測量反射或者透射的光。其原理是血液對特定波長的光有吸收作用，每次心臟泵血時該波長會被大量吸收，從而確定心跳的頻率。

目前常見的光電式心率傳感器有兩種，分透過式和反射式，主流的光電式心率傳感器是透過式。光電式心率傳感器的缺點是耗電大，也會因環境光而受到干擾。

2.5 多傳感器融合

成本和技術方面的限制使傳感器的采集精度較低，更容易受到干擾?；诂F實背景和客觀需求，多傳感器融合的地位不斷提高，成為一項需要不斷投入研究、促進發展的任務。

多傳感器融合即利用計算機技術，將來自多傳感器或多源的信息和數據以一定的準則進行自動分析和綜合，以完成所需的決策和估計而進行的信息處理過程。其效果和實施方式會直接影響智能家具健康監測系統的性能。

3 健康監測系統的硬件系統

通常情況下，智能家居系統中健康監測系統的硬件系統的三個主要組成部分是家庭網關、無線傳感器網絡節點和協調器[4]。

3.1 家庭網關

家庭網關是整個健康監測系統的核心，決定了家居內部網絡的正常運行。家庭網關為軟件運行提供接口和模塊，其組成部分有嵌入式處理器、電源、復位電路、有線網絡接口、無線網絡模塊、輸入輸出設備、ZigBee（紫蜂）無線通信模塊、串口、液晶顯示器/鍵盤、以太網、通用無線分組業務模塊等。

電源為家庭網關的運行提供能量，ZigBee（紫蜂）無線網絡為家庭網關提供內部網絡，通用無線分組業務實現對家居環境的遠程監控，液晶顯示器顯示用戶管理界面，協調器通過串口與家庭網關進行連接等。

3.2 無線傳感器網絡節點

無線傳感器節點主要由單片機、溫度傳感器、心率脈沖傳感器、無線模塊、電源模塊等組成。無線傳感器網絡節點要求技術性強、功耗低、數據處理能力高。

為了準確獲得被監測者體溫、心率及環境溫度的準確信息，系統需要配置溫度傳感器和心率脈沖傳感器，傳感器的尺寸要越來越小而精度要越來越高。

不同的傳感器采集被監測者不同的數據信息，同時各個模塊都需要配備獨立的電源，并且能夠方便使用者的拆卸和組裝。健康數據可以有選擇地傳輸或自動上傳到終端應用程序或醫療信息處理服務器。異常數據會向使用者發出預警。

4 健康監測系統的軟件系統

健康監測系統的軟件系統主要由家庭網關軟件、系統軟件和手機監控軟件這三個部分組成。

4.1 家庭網關軟件

家庭網關的軟件結構包括應用層、操作系統內核、硬件驅動層三個部分[5]。

家庭網關的軟件系統主要完成如下任務：第一，對系統內的網絡進行建立;第二，控制傳感器節點準確采集需要的數據;第三，向網絡監控系統發送、傳輸采集到的數據;第四，連接網絡內的節點并對它們進行控制;第五，完成內部網絡和外部網絡的通信。

4.2 系統軟件

系統軟件的主要作用如下：第一，完成家居環境中zigbee（紫蜂）無線網絡的建立;第二，實現不同智能家具中傳感器的連接和通信;第三，實現不同智能家具的傳感器節點和家庭網關的通信。

4.2.1 ZigBee（紫蜂）無線網絡的建立

在建立ZigBee（紫蜂）無線網絡時，主要有三種情況：網絡的初始化建立，在網絡中加入節點，節點離開網絡。節點加入網絡主要有三種方式：通過連接加入、重新加入和孤立節點加入。而節點離開網絡可能是主動的，也可能是被動的。節點主動離開的方式因節點的不同而有所不同，節點被動離開可能是因為存在故障和異常。

4.2.2 協調器軟件

協調器在整個系統的網絡工作及數據傳輸中居于核心地位。主要作用為家居網絡初始化建構和家居環境中的節點通信，以及各節點網絡地址的分配。

4.3 手機監控軟件

手機監控軟件本質是一款移動端的智能家具健康監測系統應用程序。主要工作內容是通過對IP地址和端口號的設置，與服務器通信，從而達到對家居環境內被監測者的健康狀況實時監控、及時反饋和對家居環境內硬件進行遠程控制的目的。不同的手機系統需要配備不同的監控軟件。

5 健康監測傳感器在寵物貓智能家具中的分布

寵物貓智能家具中傳感器的分布要考慮寵物貓和人類相同或相異的使用需求。于寵物貓而言，它們不懂人類的語言和文字，行為和活動需要人類輔助引導，習慣需要人類輔助養成。

寵物貓智能家具大部分體量較小，不會占據特別大的空間，因此傳感器的設置相對而言會更加精密。同時寵物貓智能家具本身的材質應當耐磨，但又不會傷害到寵物貓，傳感器應當設置在不被寵物貓輕易破壞，但便于使用的地方。

5.1 寵物貓智能家具的類型

5.1.1 智能貓廁所

智能貓廁所是在原貓廁所的基礎上進行智能化，將需要人為進行的操作轉為智能化處理，從而減輕人的負擔。

5.1.2 自動飲水機

設置智能飲水機的目的是提醒寵物貓多飲水。智能飲水機能通過技術手段和特殊方式提醒寵物貓喝水。

5.1.3 自動喂食器

寵物喂食器能夠實現寵物喂食的自動化，減輕主人的工作量，避免無法喂食的特殊情況。較為普遍的喂食器功能有定時喂食、飲食監控、遠程投喂等。

5.1.4 智能貓窩

智能貓窩即嵌入電子科技的貓窩，其常見功能有恒溫控制、數據監測、習慣記錄、健康監測和安全警報。

5.1.5 人寵共生智能家具

人寵共生智能家具的形態一般以人類使用的家具類型為基礎，在里面嵌入寵物貓使用和活動的部分。其智能設備的嵌入兼顧人類和寵物的使用需求。

5.2 寵物貓智能家具中傳感器的分布原則

5.2.1 體溫監測傳感器

為了保證數據采集的準確性和方便性，智能家具中溫度傳感器的最低數量不應少于三個;由于監測對象的差異，需要在寵物貓智能家具中同時配備兩種體溫監測傳感器，以保證對監測對象的區分和數據采集的合理性和準確性。

體溫監測傳感器最基本的原則是無遮擋，不影響體溫監測，且考慮到寵物貓的體型大小和寵物貓家具的體量大小。監測寵物貓體溫的體溫監測傳感器應位于寵物貓的身高范圍內。

5.2.2 心率傳感器

心率脈沖傳感器的局限之一是必須緊貼使用者的皮膚，光電式心率傳感器則需要使用者的配合、大量供電以及避光處理。

負責對人類的健康狀態進行監測的心率脈沖傳感器設置在人屈肘、平放手臂的一般高度即可。光電式心率傳感器可以和心率脈沖傳感器設置在同樣的高度，同時需要靠近電源或電源方便更換的位置，并進行避光處理。

寵物貓使用心率脈沖傳感器和光電式心率傳感器需要人類的幫助，所以要設置在適合人類的高度，但要與人類使用的心率脈沖傳感器或光電式心率傳感器分開。

6 結語

寵物貓智能家具健康監測系統目前還處于起步階段，大部分智能家具的健康監測僅針對人類。同時，受科學技術、成本、家庭、社會環境等因素的限制，傳感器在智能家具健康監測中的應用有一定的局限性。但隨著傳感器和其他智能手段的不斷發展和升級，健康監測系統將更加完善、全面、精確、便捷。

參考文獻：

[1] 王穎，鄧玉明，楊曉燕.兒童智能溫度監測服裝的設計與研究[J].紡織生物工程與信息學學報，2017（02）：815-820.

[2] 王子健.基于深度學習的寵物貓排泄物圖像分類及其在寵物貓智能家居系統的應用研究[D].昆明：云南師范大學，2020.

[3] 林凱，李勇，孫軍，等.基于多傳感器融合的人體傳感器網絡在醫學人機交互中的應用[J].信息融合，2020（15）：15-26.

[4] 王琳.基于無線傳感網絡的智能家居系統的設計與實現[D].鄭州：戰略支援部隊信息工程大學，2018.

[5] 蘇繼成.基于ZigBee無線傳感網絡系統智能家居的設計與研究[D].牡丹江：牡丹江師范學院，2017.

作者簡介：楊蕙羽（1999—），女，江蘇揚州人，本科在讀，研究方向：家具設計與制造。

楊子倩（1984—），女，江蘇揚州人，碩士，講師，研究方向：家具設計與制造。