生物智能耳機技術應用分析

韓影杰 霍殿金 陶理慧 姚競濤 郭志康

摘要：生物智能耳機技術以紅外線、腦電波、無線傳輸等技術實現了耳機功能細致化。在使用時，耳機可以對使用者的身體健康進行監測。文章從生物智能耳機系統技術、系統軟件的架構設計、功能模塊3個方面，闡述了生物智能耳機技術的應用情況。智能耳機可以對使用者的身體健康進行監測。當監測評估到使用者的身體狀態不佳時，智能耳機會發出警報并上傳數據。智能耳機可提醒使用者及時做出判斷，更加注重生命健康安全，防止使用者受到外界傷害。

關鍵詞：生物智能；技術；耳機

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

0 引言

生物智能耳機是通過對紅外線熱成像技術、腦電波成像以及智能感知與控制系統原理的分析，結合并搭置于耳機上。紅外熱成像系統可以采集人體紅外輻射數據并且轉換為數字信號上傳至耳機系統^［1］。系統分析采集到的腦電波資料，從而對當前人體健康做出判斷。在檢測到用戶處于不健康狀態時，系統會發出語音警報以提醒使用者，發送消息至用戶設置的緊急聯系人的通信設備上，同時根據耳機的智能感知系統^［2］，判斷用戶當前所處環境，自動控制調節音量大小。

1 生物智能耳機的技術

1.1 生物智能耳機系統技術

1.1.1 紅外熱成像技術

在絕對零度（-273.15 ℃） 以上的物體都會無時無刻地對外輻射紅外線，這種輻射攜帶著特殊信息，為利用紅外技術區分各類被測目標的溫度分布打好了扎實的基礎。此外，紅外熱成像計算人體體溫的方法主要是：通過光電技術檢測人體周圍熱輻射的紅外線特定波段信號^［3］，將檢測的這些信號轉換成人眼可以識別的圖像，從而根據圖像信息得出人體當前的體溫分布情況。

1.1.2 腦電波成像技術

人的大腦有無數的神經元，這些神經元之間的活動可以產生特殊的電信號，這種信號就是腦電波。腦電波的形成與人腦錐體細胞頂端樹突的突觸后電位有關。腦電波成像是利用特殊的技術手段使得人類可以“看到人體大腦的內部情況”，幫助人類認識大腦指定區域與其功能之間的聯系^［4］，從而分析人體當前情況。

1.1.3 智能控制技術

智能控制技術是機械制造技術以及智能控制知識相結合的產物，主要是研究微機原理與接口、人機操作應用、機械電子等方面的基礎知識和技能，并進行智能產品的設計、軟硬件安裝與調試、智控系統的檢測與維護等。

1.1.4 功能嫁接技術

生物智能耳機采用紅外熱像檢測芯片以及腦電波芯片，兩種芯片分別被置于兩個耳機中，通過靈敏度較高的腦電儀裝置檢測人體大腦產生的微弱電位，這為理解人體的行為狀態提供了確切的信號。紅外熱像檢測芯片則通過對人體的紅外輻射的檢測^［5］，輔以信號處理、圖像分割等技術手段，將人體溫度分布的圖像轉換成人類可視圖像。

1.2 圖像處理算法

系統利用k-均值聚類算法劃分圖像的區域，處理識別到的紅外技術熱感應圖像。圖像的區域劃分是根據相同點把圖像分成多個小部分的過程。站在數學角度，圖像區域分割的含義是對圖像區域在物理上進行分離。聚類是一個動作過程，就是將數據按照不同的類或者簇劃分的過程。因此，同一個簇中的對象基本都是相似的。同理，可以輕易判斷出，不同簇之間有很大的相異性。圖像都是由像素組成的。用數學中的向量替代圖像中的每一個像素，根據它們在空間上的相似性，進行空間上的特征區分，按照順序信息逆向法和通道返回原來的空間，得到最終想要的結果。

在圖像的邊緣輪廓檢測和提取方面，本設計采用的是圖像邊緣過濾波形發生器。這個過濾波形的發生器通過分析處于邊上的像素點來提取邊緣的輪廓，從而識別出圖像中明暗區分明顯的地方。這些明暗區分明顯的地方就是邊緣振幅的方向。圖像最終的邊緣輪廓的提取是通過對邊緣振幅的分析來實現的。

1.3 生物智能耳機的客戶端設計

生物智能耳機系統的目標使用群體不限年齡段。登錄客戶端可實時觀測使用者的身體健康情況。每隔一段特定的時間，紅外線熱傳感器將檢測的信號傳送到系統中心。系統中心會自動根據檢測結果分析采集到的信號^［6］，轉換為可視圖像，進而分析判斷人體的健康情況。當人體健康處于不佳狀態時，系統會發出警報信號，信號會被傳遞到用戶的客戶端進行強提醒。客戶端支持多人同時登錄，以防止使用者出現不良情況時無法通知，并且支持手機安卓和蘋果的操作系統，以App的形式供用戶使用。

2 生物智能耳機系統軟件的架構設計

2.1 開發環境

此系統的開發程序采用的是C++語言，C++在C語言基礎上進行了改進，同時也兼容C語言，成了一種面向對象的程序設計語言。其既保留了C語言的有效性和靈活性等特點，同時用C++編寫出的程序結構清晰、可讀性較好、代碼運行效率比較高，可以使用抽象數據類型和使用多繼承、多態進行面向對象的編程。

2.2 開發環境的部署

采用Vscode配置的C++ IDE開發環境，以實現在Vscode中編譯和運行C/C++程序。在Vscode中，需要安裝兩個插件：C++和C++ Compile Run。安裝好mingw后，再將mingw的安裝路徑加入PATH環境變量中。新建一個文件夾，然后用Vscode打開它。按“Ctrl+Shift+p”，然后在彈出的菜單中選擇“C/C++：Edit Configurations（JSON）”，然后在打開的文件c_cpp_properties.json中的includePath一項中加入mingw安裝文件夾中的include文件夾的路徑。本系統的配置可以有效地提高編譯的效率、實用性以及穩定性。

2.3 系統測試與發布

常見的系統測試按照不同的分類有不同的方法，本軟件系統采用的是按照測試對象分類的測試之一——黑盒測試。黑盒測試，又被稱為“功能測試”，是將測試的對象看作一個黑盒，在不考慮產品內部結構和處理過程的基礎上對產品進行功能上的測試。它更注重產品的“功能性需求”。只要達到結果設定的目標，就可以不管其工作機制。經過后臺檢測之后，產品的功能如果沒有問題就可以進行發布。后臺測試之后會將系統文件發送給App的服務提供商，并根據客戶的需要為客戶提供下載以及安裝服務。

3 生物智能耳機的功能模塊

3.1 主要功能模塊

3.1.1 信息采集處理模塊

數據采集模塊主要用途是從系統軟件外部收集數據并將數據輸入系統軟件內部的一個插口。如圖1所示，信息采集處理模塊是將通信芯片、存儲芯片等匯總到一塊電路板上，使電路板具有收發短消息、語音播報、數據傳遞等功能。

3.1.2 無線傳遞模塊

無線傳遞模塊利用無線電波技術進行數據的傳遞，先通過無線數字微波傳遞收縮信息編碼，然后用數字微波信道進行調制^［7］，再通過天線向外發射。接收端則與之相反，由天線接收信號，進行微波解擴，進行信息解收縮，還原模擬的信息信號。

3.1.3 紅外/腦電波分析模塊

系統利用ADC采集模擬信號完成此項功能，通過數據庫中的信息對傳遞的腦電波和紅外熱成像信號進行數據的分析與比對，判斷人體當前狀態，根據不同的狀態，發出下一步指令，到達耳機智能控制模塊。

3.1.4 耳機智能控制模塊

本設計的主控芯片采用的是STM32（見圖2）。耳機智能控制模塊是各種執行語句等程序的集合，它將程序分為多個不同的程序模塊。每個程序模塊將執行完成一個分功能，將這些分功能模塊整合成一個整體，以滿足符合要求的整個系統的功能。耳機根據收到的不同信號，訪問相應的函數、程序或調用，從而實現對不同的功能交換和控制。

3.2 運行基本過程

在工作時，信息采集處理模塊前端采集外界聲音、人體實時紅外采集信息和腦電波信號，并將其轉換為電信號交由信息處理芯片處理。信息處理芯片可對接收到的信息進行判斷處理。若為外界聲音，則判斷外界聲音信號類型。當其為車輛鳴笛聲時，則進一步通過無線傳遞模塊通道將信號傳遞給耳機控制模塊，控制耳機斷開10 s，為使用者提供一定的反應時間，供其做出正確判斷。之后，耳機恢復正常工作狀態，繼續接收外界信號，并作出判斷。其次，當采集的信息為人體實時紅外采集信息和腦電波信號時，也將其轉換為電信號并交由信息處理芯片處理，進一步通過無線傳遞模塊傳送到紅外/腦電波分析模塊平臺進行分析處理，與人體正常情況下的數據進行分析、對照，得到當前使用者的身體健康情況。根據不同健康情況，傳感器會發送不一樣的信號到達耳機智能控制模塊。當健康情況出現異常時，控制模塊及時發送緊急通知到用戶客戶端，并發出警報，及時提醒使用者和監護者，以便對當前情況進一步做出判斷。當健康情況正常時，控制模塊會及時發送正常通知到達用戶客戶端。之后，耳機恢復正常工作狀態，繼續接收外界信號，并等待下一次做出判斷。

4 結語

綜上所述，通過對生物智能耳機所需技術的深入探究，以及對紅外線熱成像技術、腦電波成像以及智能感知與控制系統原理的分析，本設計認為紅外熱成像系統可以采集人體紅外輻射數據并且轉換為數字信號上傳至耳機系統中，同時與腦電儀采集到的腦電波資料結合進行綜合分析，從而對當前人體健康做出判斷。在檢測到用戶身體處于不健康狀態時，監測系統會發出語音警報以提醒使用者，并發送消息至用戶設置的緊急聯系人的通信設備上。在日常生活中，人們在使用耳機時面臨的情況是復雜多變的。生物智能耳機技術不僅提高了耳機智能化，還以紅外線、腦電波等技術對耳機的功能作出了巨大的創新，同時更加注重對使用者的生命安全以及健康狀態的監測。隨著科技的進步，人們對耳機智能創新的需求增加，生物智能耳機技術在未來還會有更大的發展前景。

參考文獻

［1］羅云青.C++語言下的跨平臺軟件開發［J］.電子技術與軟件工程，2015（9）：62-63.

［2］彭文強.醫院紅外精準測溫系統的設計與研究［J］.中國醫學物理學雜志，2020（8）：1068-1070.

［3］許新建.新型鼓膜紅外測溫系統的設計與運用［J］.生物醫學工程與臨床，2020（4）：381-386.

［4］李強.睜眼、坐姿瞌睡狀態下的腦電波結果分析［J］.桂林航天工業高等專科學校學報，2004（3）：41-43.

［5］易詩，李俊杰，賈勇.基于紅外注意力提升機制的熱成像測溫區域實例分割［J］.電子與信息學報，2021（12）：3505-3512.

［6］龐英娜，馬烽基.一種基于輕量級深度網絡的無參考光學遙感圖像增強算法［J］.航天返回與遙感，2022（2）：74-81.

［7］呂進.5G通信大規模天線無線傳遞技術探討［J］.產業與科技論壇，2021（23）：37-38.

（編輯 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