基于情緒反饋的智能寵物犬服裝研究

文 | 吳忻舟 汪家俊 程哲 陳嘉怡 魯鈺

近年來(lái)，隨著國(guó)民生活水平的提高，人們?cè)谧非笪镔|(zhì)生活舒適的同時(shí)，也更加追求精神生活的愉悅，寵物犬也因此成為許多家庭的特殊成員。但它們?cè)诮o人們帶來(lái)歡樂(lè)的同時(shí)，也同樣帶來(lái)了一些問(wèn)題，寵物的疾病、不良行為等問(wèn)題牽動(dòng)很多主人的神經(jīng)。寵物犬的抑郁癥、躁郁癥等不良情緒問(wèn)題引發(fā)的恐嚇、傷人事件等嚴(yán)重破壞了社會(huì)和諧與公共安全。通常情況下，我們可以通過(guò)狗尾搖擺、停留狀態(tài)來(lái)判斷狗的情緒 ，如狗尾巴水平搖擺，且幅度很大，代表其很開(kāi)心；如果狗尾巴高翹，且末端搖擺，代表其有準(zhǔn)備攻擊的可能。但由于寵物犬存在個(gè)體差異性，加上人們的認(rèn)知水平不同，傳統(tǒng)的判斷方法不具備準(zhǔn)確性和科學(xué)性。因此，開(kāi)發(fā)一款自主識(shí)別寵物犬情緒的產(chǎn)品，能及時(shí)告知寵物情緒的異常，并提醒其主人做出相應(yīng)的措施，將有效規(guī)避上述問(wèn)題。

情緒識(shí)別的方法主要基于非生理信號(hào)（面部表情、語(yǔ)音、行為等方面）和生理信號(hào)（心率、皮膚抗阻、呼吸信號(hào)、大腦信號(hào)等）兩大類(lèi)。對(duì)于寵物犬來(lái)說(shuō)，其情緒外顯和大腦活動(dòng)并沒(méi)有人類(lèi)復(fù)雜（從不同的角度可以將人的情緒大致分為 6 類(lèi)），且其大部分非生理信號(hào)可通過(guò)目測(cè)獲取，故僅從情緒的正負(fù)狀態(tài)和強(qiáng)烈程度就可以大致分類(lèi)概括其情緒，且基于一般的生理數(shù)據(jù)即可構(gòu)建其情緒模型探求情緒與生理數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系。生物情緒狀態(tài)的生理測(cè)量對(duì)于理解潛在的生物學(xué)關(guān)系至關(guān)重要，心率變化可作為研究生物情緒狀態(tài)的生理測(cè)量指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外研究者在利用生物的生理數(shù)據(jù)識(shí)別情緒方面做了許多探索，如日本學(xué)者大野一典團(tuán)隊(duì)通過(guò)收集到的心率數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了兩只SAR犬在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的情緒轉(zhuǎn)換可視化；美國(guó)學(xué)者麗塔·布魯加羅拉斯團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款新型非侵入性可穿戴傳感器，可系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境外動(dòng)物的壓力和興奮的生理相關(guān)性；馬克·福斯特及其團(tuán)隊(duì)利用一種新型無(wú)線(xiàn)心率傳感系統(tǒng)獲取實(shí)驗(yàn)犬的心電圖數(shù)據(jù)，基于心率數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)犬在導(dǎo)盲測(cè)試中的情緒表現(xiàn)，得到了導(dǎo)盲犬工作過(guò)程中的兩個(gè)行為檢查清單；杜凱探究了心理學(xué)中情緒概念借助于溫度隱喻的構(gòu)建關(guān)系；張超嘗試?yán)梦锫?lián)網(wǎng)構(gòu)建心率監(jiān)測(cè)與情緒監(jiān)控系統(tǒng)；劉恒通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)提取特征參數(shù)、聚類(lèi)分析聲音信號(hào)以輔助狗情緒的識(shí)別。這些研究從理論上證明了各生理信號(hào)可以很好地反應(yīng)生物情緒的變化。

當(dāng)下服裝產(chǎn)業(yè)與醫(yī)療、體育、互聯(lián)網(wǎng)等經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)正在掀起一場(chǎng)“可穿戴革命”，智能可穿戴設(shè)備應(yīng)運(yùn)而出 。在寵物智能穿戴上，基于不同需求的智能產(chǎn)品也層出不窮，如姜茂欣等設(shè)計(jì)了一款基于Lily Pad Arduino的智能狗夜行服，以提高服裝在夜間的醒目程度，降低寵物狗夜行滋生安全事故的可能性；Play Date智能寵物玩具球作為一款遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，可以監(jiān)控寵物的活動(dòng)并能夠以地板視角與寵物互動(dòng)。這些智能寵物穿戴產(chǎn)品都在一定程度上方便主人與寵物之間的互動(dòng)與交流，但在直觀識(shí)別寵物情緒以有效滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)寵物的情感關(guān)懷方面還存在不足。

由上述研究可知，目前全功能綜合性、以日常生活為導(dǎo)向的智能感知寵物服裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域還存在一些可探索空間。本文旨在設(shè)計(jì)一款基于情緒反饋的智能寵物犬服裝，通過(guò)對(duì)溫度、心率、呼吸頻率等因素對(duì)寵物情緒的聚類(lèi)分析獲取映射關(guān)系，使傳感器與手機(jī)APP進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)服裝、硬件、軟件的相互結(jié)合與寵物情緒的及時(shí)反饋，在科學(xué)關(guān)注寵物犬心理動(dòng)態(tài)、減輕其發(fā)病威脅的同時(shí)，更好地促進(jìn)家庭和睦及社會(huì)和諧。

1 情緒模型生理指標(biāo)分析

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試之前，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，確定了智能寵物犬服裝情緒模型建立的生理指標(biāo)，具體調(diào)研潛在用戶(hù)對(duì)自家寵物犬情緒識(shí)別不同程度的人數(shù)比以及生理指數(shù)影響情緒在相關(guān)程度上的排名。本次調(diào)研發(fā)放問(wèn)卷共100份，并回收有效問(wèn)卷共計(jì)88份，調(diào)研對(duì)象為武漢市洪山區(qū)民族大道遛狗居民。

調(diào)查結(jié)果顯示，總樣本中對(duì)自家寵物犬情緒識(shí)別不同程度的人數(shù)比例分別為：完全無(wú)法識(shí)別（10.23%）、存在障礙（37.50%）、效果不理想（30.68%）、很好地識(shí)別（21.59%）。此外，在很好地識(shí)別樣本中對(duì)生理指數(shù)影響情緒在相關(guān)程度上的排名中，前三名分別為溫度、心率與呼吸頻率。

故依據(jù)上述調(diào)查結(jié)果，本研究確定了智能寵物犬服裝情緒模型建立的生理指標(biāo)。

2 智能犬服的研發(fā)設(shè)計(jì)

服裝系統(tǒng)主要由硬件模塊、服裝版塊、系統(tǒng)上位機(jī)軟件等 3 部分組成。依據(jù)調(diào)查問(wèn)卷，選擇與設(shè)計(jì)能夠成功反饋寵物犬溫度、心率與呼吸頻率相對(duì)應(yīng)的硬件與軟件，并做好合適的面料與結(jié)構(gòu)選擇。由此確定總體研究框架的設(shè)計(jì)，如圖1 所示。

圖1 寵物犬服的總體研究框架

2.1 硬件設(shè)計(jì)

服裝硬件系統(tǒng)由開(kāi)發(fā)板、溫度傳感器、心率傳感器和可充電鋰電池等 4 部分構(gòu)成。

ESP8266mini開(kāi)發(fā)板作為信息處理模塊和WIFI模塊，不僅配置有Esp8266網(wǎng)絡(luò)模塊，且配置有一般開(kāi)發(fā)板的常用功能以及icc、pwm、串口等常見(jiàn)通信，并且可以使用Arduino IDE對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)，功能和兼容性強(qiáng)大。通過(guò)串口通訊的方式使用Esp8266芯片將傳感器數(shù)值傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)是由處理器在IP地址上創(chuàng)建的手機(jī)端網(wǎng)頁(yè)，可以收到并展示由處理器處理后的傳感器數(shù)據(jù)。該IP地址所連接的網(wǎng)頁(yè)可以通過(guò)手機(jī)用戶(hù)端進(jìn)行訪問(wèn)。Arduino Nano開(kāi)發(fā)板是Arduino Uno的微型版本，是基于ATmega328p的小型開(kāi)發(fā)板，可用來(lái)開(kāi)發(fā)需要獨(dú)立運(yùn)行并具備互動(dòng)效果，也可用來(lái)開(kāi)發(fā)出與電腦相連接，同其他軟件一起合作完成的互動(dòng)產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)選擇MLX90614紅外溫度傳感器以獲取寵物犬表皮溫度數(shù)據(jù)。獨(dú)特的單口接線(xiàn)方式使其在與處理器連接時(shí)，僅需一條口線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊。其具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為在測(cè)溫應(yīng)用場(chǎng)合上的最佳選擇。同時(shí)，為獲取寵物犬血氧心率數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)選擇MAX30102心率血氧傳感器，該傳感器是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)器模塊，采用光電容積脈搏波描記法，通過(guò)測(cè)量血液中血紅蛋白隨心臟跳動(dòng)而對(duì)氧氣吸收的變化量來(lái)測(cè)寵物心率。此外，為獲取寵物犬呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)，將收集到的血氧心率數(shù)據(jù)通過(guò)算法進(jìn)行分析，即可獲得寵物犬的呼吸頻率。

基于織物特性，依據(jù)智能服裝輕便的設(shè)計(jì)需求，選用鋰電池作為電源供電模塊，嵌入集成電路板上。其具備質(zhì)量輕、體積小、功耗低及適應(yīng)度高的特點(diǎn)，可以較好地滿(mǎn)足智能服裝輕便化、易穿脫、可收納的需求。各傳感器和鋰電池均與開(kāi)發(fā)板進(jìn)行連接通信：電源正極分別與Esp8266處理器的 0 號(hào)引腳以及各傳感器的VCC引腳相連；同時(shí)Esp8266處理器的D1、D2引腳分別與各傳感器的out引腳相連。各傳感器采集到的模擬信號(hào)通過(guò)采集板送到開(kāi)發(fā)板進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，PC端的程序?qū)﹂_(kāi)發(fā)板串口傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并識(shí)別情緒，識(shí)別結(jié)果通過(guò)WIFI模塊傳輸給阿里云平臺(tái)。手機(jī)APP與阿里云建立聯(lián)系，獲取即時(shí)數(shù)據(jù)。上述各硬件確立完畢后，將其制成集成電路，如圖2 所示。

圖2 集成電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中開(kāi)發(fā)產(chǎn)品并設(shè)置配置，在Iot Studio中設(shè)計(jì)界面和配置數(shù)據(jù)源。通訊協(xié)議為http，數(shù)據(jù)接收選擇使用阿里云平臺(tái)搭建物聯(lián)網(wǎng)模型，構(gòu)建網(wǎng)頁(yè)端。利用Arduino IDE編寫(xiě)程序，編寫(xiě)程序之前需要下載相應(yīng)編碼庫(kù)以支持不同硬件的編譯與刻錄。針對(duì)單片機(jī)與阿里云服務(wù)器之間的互聯(lián)問(wèn)題，在AliyunIoTSDK函數(shù)內(nèi)部進(jìn)行編譯，配置阿里云三元組。將配置完成的代碼通過(guò)USB連接線(xiàn)刻錄至Esp8266處理器。通過(guò)WIFI模塊將單片機(jī)接收到的各傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，搭建用戶(hù)端APP數(shù)據(jù)顯示的基礎(chǔ)環(huán)境。

選擇使用UI設(shè)計(jì)軟件來(lái)進(jìn)行手機(jī)APP頁(yè)面圖標(biāo)和審美的設(shè)計(jì)。在APP的頁(yè)面設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)服務(wù)界面中，用戶(hù)可實(shí)時(shí)獲取寵物心率、溫度、呼吸頻率、情緒以及智能服裝的開(kāi)關(guān)狀態(tài)等相關(guān)信息。軟件界面如圖3 所示。

圖3 軟件監(jiān)測(cè)界面

2.3 服裝設(shè)計(jì)

服裝版塊由內(nèi)襯與外套拼接縫制而成。其中，里料為石墨烯纖維與棉纖維、氨綸的混紡面料（90%棉、3%石墨烯、7%氨綸），并經(jīng)過(guò)艾草提取液浸漬烘燥處理，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)蚊抑菌的功能；外料為純棉面料，具有保暖與舒適性。此外，服裝背面縫制口袋用來(lái)放置集成電路，服裝四肢縫制有反光條。服裝版塊的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 款式結(jié)構(gòu)圖

為滿(mǎn)足醒目美觀的需求，服裝以整潔大方的寶藍(lán)色為主色調(diào)，并在服裝四肢兩側(cè)表面縫貼反光條，使其外出活動(dòng)時(shí)更為醒目。此外，為滿(mǎn)足易穿脫收納的需求，設(shè)計(jì)由紐扣代替拉鏈。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)Thayer模型中的情緒強(qiáng)烈程度和情緒正負(fù)狀態(tài)，本研究將寵物犬的情緒大致分為興奮、憤怒、愉悅、平靜等 4 種待測(cè)指標(biāo)。為探求目標(biāo)生理數(shù)據(jù)與寵物犬情緒的映射關(guān)系，在服裝與硬件結(jié)合完畢之后，征集寵物犬進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集。

為了盡量減少毛發(fā)（影響硬件）、犬年齡（影響配合度）、犬型和健康程度（影響情緒表現(xiàn)）、犬種（影響生理參數(shù)）等因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響，利用設(shè)計(jì)好的 3 件紡織成品，隨機(jī)征集 9 只愿意配合且配合度良好的中型、短毛、健康良好的成年寵物柴犬進(jìn)行數(shù)據(jù)收集實(shí)驗(yàn)。平均每天測(cè)量 3 只實(shí)驗(yàn)對(duì)象，共用時(shí) 3 天。記錄下實(shí)驗(yàn)對(duì)象在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)（7 月上旬的6：00 — 20：00）不同情緒對(duì)應(yīng)的溫度、呼吸頻率、心率等生理數(shù)值的變化。考慮到情緒的漸變特性，每隔10 min記錄一次。為規(guī)避外界自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，將大學(xué)綠坪操場(chǎng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的活動(dòng)場(chǎng)地。

本次實(shí)驗(yàn)共計(jì)獲取到765個(gè)有效樣本數(shù)據(jù)，其中，激動(dòng)的情緒樣本共148個(gè)，憤怒的情緒樣本共107個(gè)，愉悅的情緒樣本共223個(gè)，平靜的情緒樣本共287個(gè)。情緒變化的數(shù)據(jù)由動(dòng)物相關(guān)專(zhuān)業(yè)人士測(cè)量和各實(shí)驗(yàn)對(duì)象主人輔助判斷獲得。

3.2 聚類(lèi)分析

將收集到的情緒對(duì)應(yīng)的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提取特征值。通過(guò)MATLAB軟件的K-means聚類(lèi)算法得到寵物犬各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)與其情緒的映射關(guān)系。

從MATLAB程序?qū)С龅木酆辖Y(jié)果（圖5）來(lái)看，情緒與各生理指標(biāo)的映射關(guān)系如表1 所示。

表1 情緒與各生理指標(biāo)的映射關(guān)系

圖5 情緒與各類(lèi)指標(biāo)聚類(lèi)效果圖

根據(jù)聚合結(jié)果展示的情緒與各生理信號(hào)之間的映射關(guān)系，確定了 4 種情緒分別對(duì)應(yīng)的各生理數(shù)閾值。設(shè)置傳感器閾值并寫(xiě)入閾值判斷流程后，當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的各傳感器數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足某一情緒對(duì)應(yīng)的閾值時(shí)，輸出該情緒名稱(chēng)，即主人可通過(guò)APP的監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到寵物情緒。各傳感器數(shù)據(jù)滿(mǎn)足不止一種情緒對(duì)應(yīng)的閾值時(shí)，返回繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

4 服裝效果展示與評(píng)測(cè)

4.1 產(chǎn)品效果展示

利用illustrator進(jìn)行款式設(shè)計(jì)，同時(shí)借助CLO軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和虛擬仿真展示，將動(dòng)態(tài)的面料與靜態(tài)的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，虛擬仿真效果如圖6 所示。

圖6 服裝虛擬仿真效果

4.2 功能性測(cè)試

為及時(shí)排查該產(chǎn)品主系統(tǒng)相關(guān)功能的有效性和穩(wěn)定性，需要對(duì)情緒反饋系統(tǒng)進(jìn)行模塊集中化測(cè)試，即同時(shí)開(kāi)啟系統(tǒng)內(nèi)可運(yùn)行硬件，并使其保持無(wú)障礙工作狀態(tài)至少24 h。通過(guò)對(duì)開(kāi)發(fā)板中各硬件運(yùn)行狀態(tài)以及WIFI模塊的數(shù)據(jù)傳輸接收情況進(jìn)行觀察，以判定系統(tǒng)是否存在相應(yīng)問(wèn)題。

為驗(yàn)證該套情緒反饋系統(tǒng)中信號(hào)采集模塊得到的數(shù)據(jù)可適用于由MATLAB聚類(lèi)算法構(gòu)建的擬合模型，故對(duì)該系統(tǒng)判斷的情緒數(shù)據(jù)與方法 1（狗尾搖擺停留情緒判斷法）、方法 2（專(zhuān)業(yè)人士評(píng)測(cè)和主人輔助判斷法）等兩種寵物犬情緒識(shí)別方法進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

隨機(jī)征集 5 只愿意配合且配合度良好的中型、短毛、成年寵物柴犬進(jìn)行試穿測(cè)試，模擬生活中的多種環(huán)境，獲取其情緒數(shù)據(jù)。為保證該服裝功能的普用性，寵物犬的性格、犬齡、生活環(huán)境互不相同。平均每只實(shí)驗(yàn)對(duì)象檢驗(yàn)次數(shù)為15次（每隔 1 h將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄一次，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6：00 — 20：00），共計(jì)獲得75份有效數(shù)據(jù)。其中，某一只實(shí)驗(yàn)對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（節(jié)選8：00 — 17：00的整點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)）如圖7 所示。

圖7 某監(jiān)測(cè)對(duì)象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果

將同一個(gè)時(shí)間下，通過(guò) 3 種測(cè)量方法監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行差異比對(duì)。其中，情緒反饋服裝測(cè)出的激動(dòng)情緒共14份、憤怒情緒共12份、平靜情緒共29份、愉悅情緒共20份。分別將情緒反饋服裝測(cè)出的 4 種結(jié)果與方法 1、方法2 進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算比對(duì)正確率，如表2 所示。其中，比對(duì)正確率＝（1-差異個(gè)數(shù)/對(duì)應(yīng)情緒樣本總數(shù)）×100%。

表2 比對(duì)下的正確率 %

結(jié)果表明，該服裝情緒反饋比對(duì)正確率總體超過(guò)75%，某單一情緒比對(duì)正確率不低于70%，即該情緒識(shí)別算法模型可適用于寵物犬的日常情緒反饋，且識(shí)別能力較好。

5 結(jié)論

本文基于寵物犬的情緒與健康狀況，針對(duì)目前抑郁癥、躁郁癥等不良情緒威脅寵物犬及主人的身心健康及破壞社會(huì)和諧等問(wèn)題，對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研。基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)各類(lèi)傳感器和Esp8266單片機(jī)獲取并處理寵物犬實(shí)時(shí)的生理信息，并將這些生物信息與大規(guī)模樣本聚合模型進(jìn)行擬合得出閾值，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種具備情緒反饋能力的智能寵物犬服裝。

該智能紡織產(chǎn)品通過(guò)數(shù)據(jù)收集、可視化及分析等技術(shù)手段，將寵物的生理數(shù)據(jù)等用數(shù)字表現(xiàn)出來(lái)，令“量化自我”技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用，甚至還可作為體育、衛(wèi)生、旅游、教育等行業(yè)的輔助。未來(lái)可從美化APP個(gè)性時(shí)尚設(shè)計(jì)、優(yōu)化聚類(lèi)模型使用的方法以及細(xì)化各生理指數(shù)的參照等方面進(jìn)行研究改進(jìn)。